模數(shù)轉換器 IC 基本概述

介紹

一模擬數(shù)字轉換器，或A / D轉換器，或ADC的簡稱，通常是指一種電子裝置，其將模擬信號轉換成數(shù)字信號。除了最專業(yè)的模數(shù)轉換器外，所有 ADC 都以集成電路 (IC) 的形式實現(xiàn)。這些通常是基于金屬氧化物半導體 (MOS) 的混合信號集成電路芯片，集成了模擬和數(shù)字電路。

眾所周知，ADC主要用于對模擬信號進行數(shù)字采集，以進行數(shù)據處理。我們周圍的信號一般都是不斷變化的模擬量，如光、溫度、速度、壓力、聲音等。然而，我們大多數(shù)人都使用數(shù)字設備。如果我們想方便地使用和處理信息，就需要將模擬量轉換為數(shù)字量，并傳送到微控制器或微處理器。那么ADC轉換是如何實現(xiàn)的呢？這是一個什么樣的過程？閱讀下面的筆記，你一定會對模數(shù)轉換器有更全面、更系統(tǒng)的了解。

什么是 ADC（模數(shù)轉換器）？

目錄

Ⅰ A/D 轉換器基礎1.1 模數(shù)轉換器定義

ADC轉換器是一種將模擬信號轉換為數(shù)字信號的系統(tǒng)。它是一個濾波、采樣保持、量化和編碼的過程。模擬信號經過帶限濾波、采樣保持電路，成為梯形信號，再經過編碼器，使梯形信號中的每一級都變成二進制碼。最后，模擬量被轉換成數(shù)字量，然后傳送到CPU。也就是說，幾乎所有的通電數(shù)據都需要經過ADC轉換。例如電能表的電能計量、電子秤的重量測量、電子溫度計的溫度測量、通訊領域。

1.2 模數(shù)轉換步驟

將模擬量轉換為數(shù)字量的過程稱為模數(shù)轉換，簡稱A/D，完成這一功能的電路稱為模數(shù)轉換器，簡稱ADC。

模數(shù)轉換步驟動畫

1) 采樣是指用一定時間間隔的信號樣本序列代替時間上的原始連續(xù)信號，即對模擬信號進行時間離散化。
2）量化使用有限數(shù)量的幅度值來逼近原始連續(xù)變化的幅度值，即將模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的具有一定間隔的離散值。
3）編碼是根據一定的規(guī)則，將量化后的值用二進制數(shù)表示，再轉換成二進制或多值的數(shù)字信號流。這樣得到的數(shù)字信號可以通過電纜、微波干線、衛(wèi)星頻道等數(shù)字線路傳輸。
信號頻率越高，A/D 電路的工作頻率就越高。位數(shù)越多，信號的還原精度越高。MCU的I/O口需要程序配合才能完成A/D轉換。此外，還可以單獨使用A/D芯片來完成模數(shù)轉換。

1.3 為什么需要模數(shù)轉換器？

計算機軟件、無線電、數(shù)字圖像采集都需要ADC轉換器的輔助，即人類數(shù)字化的浪潮推動了ADC轉換器的發(fā)明、發(fā)展和不斷變化?？傊珹DC轉換器在人類數(shù)字化中扮演著重要的角色。

1) 許多錄音室使用 24 位/96 kHz（或更高）脈沖編碼調制(PCM) 或直接流數(shù)字(DSD) 記錄格式，然后使用 ADC 采樣或抽取信號以在光盤上進行數(shù)字音頻制作。
2）使用ADC以數(shù)字形式存儲或傳輸幾乎任何模擬信號。例如，電視調諧卡使用快速視頻模數(shù)轉換器。數(shù)字存儲示波器需要非常快速的模數(shù)轉換器，而 ADC 對于軟件定義無線電及其新應用也至關重要。
3）數(shù)字成像系統(tǒng)通常使用模數(shù)轉換器來數(shù)字化像素。一些雷達系統(tǒng)通常使用 ADC 將信號強度轉換為數(shù)字值，以便進行后續(xù)的信號處理。
4) 某些非電子或僅部分電子的設備（如旋轉編碼器）也可被視為模數(shù)轉換器。

圖 1. 模數(shù)轉換示例（光信號到數(shù)字信號）

Ⅱ A/D 轉換器哪種好？

經過多年的發(fā)展和不斷的技術創(chuàng)新，ADC轉換器已經從Flash ADC、逐次逼近型ADC、計數(shù)/斜率積分ADC發(fā)展到Σ-Δ型ADC和流水線型ADC。它們各有優(yōu)缺點，也可以滿足不同的要求。
逐次逼近型ADC、計數(shù)/斜率積分型ADC、壓縮型ADC等主要應用于低速或中速、中精度數(shù)據采集和智能儀器。分層和流水線ADC主要用于高速信號處理、快速波形存儲和數(shù)據記錄等，如視頻信號量化和高速數(shù)字通信技術?！?△ADC主要用于高精度數(shù)據采集，尤其是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領域。下面簡要介紹主要的 ADC 類型。

• 逐次逼近 ADC

逐次逼近 ADC 被廣泛使用。它包括一個比較器、一個數(shù)模轉換器、一個逐次逼近寄存器 (SAR) 和一個控制邏輯單元。它是不斷地將采樣輸入信號與已知電壓進行比較。1個時鐘周期完成1位轉換，N位轉換需要N個時鐘周期。轉換完成，輸出二進制數(shù)。這類ADC的分辨率和采樣率是矛盾的：ADC分辨率低時采樣率高，如果要提高分辨率，采樣率就會受到限制。
優(yōu)點：分辨率低于12位時，價格便宜，采樣率可達1MSPS。與其他類型相比，功耗相當?shù)汀?br />缺點：在高于14位分辨率的情況下，價格較高。傳感器產生的信號需要在模數(shù)轉換前進行調理，包括增益級和濾波，這樣成本會大大增加。

• 計數(shù)/斜率積分 ADC

計數(shù)/斜率積分ADC也稱為雙斜率或多斜率ADC，其應用也非常廣泛。它由帶輸入開關的模擬積分器、比較器和計數(shù)單元組成。輸入模擬電壓通過兩次積分轉換成與其平均值成正比的時間間隔。同時使用計數(shù)器對這個時間間隔內的時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)模數(shù)轉換。由于輸入端采用積分器，因此具有很強的抑制交流噪聲干擾的能力。例如對于高頻噪聲和固定低頻（50Hz或60Hz）干擾抑制，適用于嘈雜的工業(yè)環(huán)境。該類型ADC主要用于低速、精密測量等領域，如數(shù)字電壓表。
優(yōu)點：分辨率高，最高22位；低功耗和低成本。
缺點：轉換率低，12位100~300SPS。

• 并行 ADC

inter ADC的主要特點是速度快，是所有類型中最快的。采樣率可達1GSPS以上。但是由于功率和體積的限制，分辨率很難提高。這種結構的ADC所有位的轉換是同時完成的，轉換時間主要取決于比較器的開關速度和編碼器的傳輸時延。此外，增加輸出代碼對轉換時間影響不大，但隨著分辨率的提高，高密度模擬設計需要大量的精密分壓電阻和比較器電路進行轉換。即輸出個數(shù)增加一位，精密電阻個數(shù)增加?？煲读耍容^器也差不多翻倍了。
并聯(lián)比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制，如果并聯(lián)比較器的精度不匹配，也會造成靜態(tài)誤差，增加輸入失調電壓。

• Σ-Δ (Σ-Δ) ADC

Sigma-delta (Σ-Δ) ADC 由積分器、比較器、1 位 DA 轉換器和數(shù)字濾波器組成。原則上類似于積分型。輸入電壓轉換為時間（脈寬）信號，經過數(shù)字濾波器處理，得到數(shù)字值。

圖 2. 模數(shù)轉換器應用示例

Ⅲ A/D 轉換器包括哪些內容？

1）采樣率
采樣率表示模擬信號轉換為數(shù)字信號的速率，這與ADC器件的制造工藝有關，取決于ADC中比較器提供的判斷能力。
一般來說，采樣率和分辨率是相互制約的。采樣率每增加一倍，分辨率損失1bit。這主要是由于采樣時的抖動，即孔徑抖動或孔徑不確定性。

2) ADC 分辨率
分辨率表示模擬信號轉換為數(shù)字信號后的位數(shù)。它直接決定了ADC的量化電平，即ADC能分辨的最小模擬信號電平值。假設ADC的輸入電壓范圍為(-V, V)，分辨率為N(bit)，那么ADC的量化電平為2N，這樣量化電平為：ΔV=2V/2N，其中ΔV為轉換準確性。從上式可以看出，ADC的分辨率越高，電壓輸入范圍越小，其轉換精度越高。

3）信噪比

（SNR） ADC的信噪比（SNR）反映了量化過程中產生的無噪聲信號部分的均方根值與均方根的比值量化噪聲的值。如果輸入信號是歸一化正弦波 1/2sin(ωt+ψ)，則 SNR 可由以下公式確定：

其中，N為ADC的分辨率?？梢钥闯?，ADC的信噪比主要取決于分辨率。分辨率每增加一位，SNR 就會增加 6dB。但是，隨著分辨率的提高，ADC的量化電平變小，采樣過程更容易受到干擾。

4) 有效位數(shù) (ENOB)

ENOB 是衡量 ADC 轉換器動態(tài)范圍的指標。對于實際的A/D轉換系統(tǒng)，由于受到電噪聲、外部干擾、模擬電路非線性失真等因素的影響，以理想的分辨率來衡量系統(tǒng)性能是不夠的。為了更好地反映系統(tǒng)性能，可以在實測信噪比的基礎上，將上述因素轉化為量化噪聲，得到ENOB。計算公式如下：

ENOB 基于理想 ADC 的 SNR 公式：SNR = 6.02 × N + 1.76 dB，其中 N 為 ADC 的分辨率。 ENOB 和 ADC 分辨率之間的差異反映了 SNR 降低導致采樣精度降低的程度（這里是由誤差源引起的 SNR）。

5)
非線性誤差非線性誤差是轉換器的一個重要精度指標，它代表ADC的實際轉換值與理論轉換值之間的差異。非線性誤差主要包括兩類：微分非線性（DNL）誤差和積分非線性（INL）誤差。

6）互調失真（IMD）
當兩個正弦信號同時輸入到ADC時，由于器件的非線性，除了這兩個頻率的分量外，輸出頻譜也會產生很多失真產物。由此產生的失真稱為互調失真（IMD，Inter Modulation Distortion），其中m+n的值代表失真的階數(shù)。在所有互調失真中，二階和三階互調產物最為重要。前者很容易被數(shù)字濾波器濾除，而后者很難濾除。

7) 總諧波失真 (THD)
由于 ADC 的非線性，輸入信號的許多高次諧波出現(xiàn)在輸出頻譜中。這些高次諧波分量稱為諧波失真分量，產生的失真稱為總諧波失真。諧波失真和調制失真是兩個不同的概念。前者是原始信號波形的失真，即使單頻信號通過ADC也會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，而后者是不同頻率之間的相互干擾和影響。

圖 3. Arduino 上的 ADC

四、A/D轉換器應用及IC4.1 模數(shù)轉換器應用

今天的大多數(shù) ADC 應用屬于四個部分：
(a) 數(shù)據采集
(b) 精密工業(yè)測量
(c) 語音和音頻
(d) 高速（采樣率大于約 5 MSPS）

4.2 模數(shù)轉換器 IC 模式說明

市場上有許多可用于轉換的 ADC IC。這里列出了幾個 ADC IC 及其特性和規(guī)格，作為 ADC 選擇參考。

關于模數(shù)轉換器（ADC 基礎版）的常見問題

1.模數(shù)轉換器有什么用？
模數(shù)轉換器，縮寫為“ADC”，用于將模擬（連續(xù)、無限可變）信號轉換為數(shù)字（離散時間、離散幅度）信號。更實際地說，ADC 將模擬輸入（例如麥克風收集聲音）轉換為數(shù)字信號。

2. 模數(shù)轉換器有哪些類型？
目前使用的 ADC 主要有五種類型：
逐次逼近 (SAR) ADC
Δ-Σ (ΔΣ) ADC
雙斜率 ADC
流水線 ADC
閃存 ADC

3、模擬轉數(shù)字用的是什么芯片？
A/D轉換器用于將電壓等模擬信號轉換為數(shù)字形式，以便微控制器讀取和處理。一些微控制器具有內置的 A/D 轉換器。也可以將外部 A/D 轉換器連接到任何類型的微控制器。

4、模數(shù)轉換器用的是什么電路？
模數(shù)轉換器 (ADC) 是一種電子集成電路，用于將電壓等模擬信號轉換為由 1 和 0 組成的數(shù)字或二進制形式。大多數(shù)ADC采用0到10V、-5V到+5V等的電壓輸入，并相應地以某種二進制數(shù)的形式產生數(shù)字輸出。