對于硬件工程師來說，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，簡稱ADC）的選型和應(yīng)用是一門必修課，也是模擬信號鏈電路設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一環(huán)。

在電路設(shè)計(jì)中，ADC的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，具體來講就是將時間和幅值連續(xù)的模擬信號，通過取樣、保持、量化及編碼四個過程，轉(zhuǎn)換為時間和幅值離散的“0和1”二進(jìn)制數(shù)字信號，輸出給微控制器、處理器、DSP等數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。

由于我們身處的真實(shí)世界中產(chǎn)生的信號是模擬的，而強(qiáng)大的信息和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是數(shù)字的，ADC恰好在真實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起了一座橋梁，其重要性不言而喻。

在實(shí)際電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，你會發(fā)現(xiàn)根據(jù)應(yīng)用場景和工作原理的差異，ADC器件有不同的類別，衡量其性能優(yōu)劣的技術(shù)參數(shù)也不少，且彼此之間又相互影響，因此想要玩轉(zhuǎn)ADC的選型和開發(fā)，需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)和技巧做支撐。

本文將對ADC選型開發(fā)中一些重要的知識點(diǎn)進(jìn)行梳理，并通過一個Microchip Technology（以下簡稱Microchip）具體的ADC產(chǎn)品及應(yīng)用示例，與大家一起探索如何為目標(biāo)應(yīng)用選擇一款理想的ADC。

ADC的類型和特性

如上文所述，ADC在電子系統(tǒng)中無處不在，應(yīng)用時采樣精度（分辨率）和采樣速率是兩個重要的基本性能參數(shù)。不過，在ADC器件的設(shè)計(jì)時，這兩個參數(shù)卻是“魚和熊掌不可兼得”，這也就造成了采用不同技術(shù)架構(gòu)的ADC，在性能上的差異。

根據(jù)技術(shù)架構(gòu)劃分，比較常見的ADC包括三類，分別是：Δ-Σ型（Delta-Sigma）ADC、逐次逼近型（SAR）ADC和流水線型（Pipeline）ADC。

∑-Δ ADC

又被稱為過采樣轉(zhuǎn)換器，其原理是利用過采樣和噪聲整形技術(shù)，將量化噪聲轉(zhuǎn)移到高頻段后濾除，再通過數(shù)字濾波器輸出高精度結(jié)果。因此其特性表現(xiàn)為分辨率高（可高達(dá)24位）、采樣率低、功耗低，適合于音頻處理、傳感器信號調(diào)理、醫(yī)療設(shè)備等對于精度有較高要求的應(yīng)用。

SAR ADC

由一個比較器和內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成，通過逐次比較輸入與內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出電壓，來獲得最終的輸出數(shù)字值。其特點(diǎn)是速度較快，功耗低，可實(shí)現(xiàn)中高精度 (12-16位)，比較適合于工業(yè)領(lǐng)域中的中高速應(yīng)用。

流水線ADC

是一種高速ADC，其將轉(zhuǎn)換過程分解為多級子模塊，每級完成部分量化，通過并行處理以提高速度（可以達(dá)到GHz級），并可以達(dá)到中高精度（12-16位），支持多通道，是高速數(shù)據(jù)采集、通信接收機(jī)、雷達(dá)信號處理等應(yīng)用的理想選擇。

除了上面三種常見的類型，對于一些追求更高速度或更高精度的應(yīng)用，人們還研發(fā)出了兩種特殊的ADC：

閃存型 (Flash) ADC

通過多個并行比較器直接比較輸入信號與參考電壓，以實(shí)現(xiàn)更高的速度——其采樣速率能達(dá)到1GSPS以上；不過，其分辨率較低（通常≤8位），且電路復(fù)雜、成本高，因此僅適用于高速儀器儀表、光通信、雷達(dá)信號處理等特定的超高速應(yīng)用。

積分型 (Integrating) ADC

其原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間（脈沖寬度信號） 或頻率（脈沖頻率），然后由定時器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值，因此用簡單電路就可以實(shí)現(xiàn)很高的分辨率，且抗干擾能力強(qiáng)，適用于精密儀器等高精度應(yīng)用。但由于其轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率較低。

由此可見，ADC選型的首要原則，就是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，在速度、精度和功耗等性能上進(jìn)行權(quán)衡，以確定合適的ADC架構(gòu)類型。比如：高精度應(yīng)用可優(yōu)先考慮∑-Δ和積分型ADC；高速應(yīng)用可選擇流水線和閃存行；而SAR ADC則更適合于性能要求適中、對功耗成本相對敏感的應(yīng)用。

表1：不同類型ADC性能比較

ADC關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

選定了ADC的類型之后，下一步就要對不同ADC器件之間的關(guān)鍵特性進(jìn)行比較。衡量一個ADC器件性能優(yōu)劣的核心規(guī)格參數(shù)如下：

分辨率

指ADC輸出的數(shù)字信號位數(shù)（如8、10、12、16、24位等），分辨率越高，表示模擬信號的細(xì)節(jié)越多，相應(yīng)地轉(zhuǎn)換時間也會增加，速度會降低。

采樣率

即每秒鐘對模擬信號進(jìn)行采樣的次數(shù)，以KSPS或MSPS為單位，通常ADC采樣頻率要達(dá)到被采樣信號頻率的2倍以上，這也是反映ADC轉(zhuǎn)化速度的重要指標(biāo)。

輸入范圍

ADC能夠接受的輸入信號電壓范圍，超出范圍的信號可能會導(dǎo)致ADC飽和或損壞。

線性度

理想的ADC在輸入和輸出之間有線性關(guān)系，即所謂線性度，是反映ADC精度的重要參數(shù)。線性度通常使用 INL（積分非線性）和總諧波失真（THD）來衡量。

信噪比（SNR）

信號中有用部分與噪聲的比例。信噪比越高，意味著ADC有效分辨率越高、輸出噪聲較少。

有效分辨率（ENOB）

信號中有用部分與噪聲的比例。信噪比越高，意味著ADC有效分辨率越高、輸出噪聲較少。

除了上述這些ADC的性能參數(shù)，還有一些在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要考量的ADC產(chǎn)品特性，如通道數(shù)量、通信接口配置、功耗、工作溫度范圍、封裝類型和尺寸、成本等。在ADC選型時，需要綜合考慮這些要素，才能做出正確的技術(shù)決策。

打造理想的Σ-Δ ADC

如果一個ADC能夠?qū)⒏黜?xiàng)性能指標(biāo)都“拉滿”，自然是“天下無敵”的。不過在現(xiàn)實(shí)世界中，這樣“完美”的產(chǎn)品是不存在的。對于實(shí)際應(yīng)用來講，一款理想的ADC通常不是“更強(qiáng)”，而是“更合適”。

具體到Σ-Δ ADC，工程師心目中一款“理想”的器件通常需要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：

性能：在上文所述的核心技術(shù)參數(shù)上，能夠滿足應(yīng)用所需。

功耗和成本：這兩個要素往往和某些性能指標(biāo)相互制約，設(shè)計(jì)時需要仔細(xì)權(quán)衡。

小型化：通過設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，減小器件本身的占板面積，或是集成更多的功能，簡化外圍電路和元件，都是實(shí)現(xiàn)小型化的有效策略。

易用性：集成更豐富的功能，有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；同時，ADC所提供的可配置功能，也可為設(shè)計(jì)開發(fā)帶來更大的靈活性和便利性。

安全性：高級安全特性，為ADC的可靠工作提供保障。

Microchip出品的MCP3x6x系列Σ-Δ ADC，就是按照上述這些標(biāo)準(zhǔn)打造的產(chǎn)品，其特性包括：

高達(dá)16-24位的分辨率；

具有高至153.6kSPS的可編程數(shù)據(jù)速率和0.33倍至64倍的可編程增益；

內(nèi)部集成了溫度傳感器、內(nèi)部振蕩器和燒毀傳感器檢測等功能，非常有利于減少系統(tǒng)元件數(shù)量和方案成本；

提供一個具有多個監(jiān)控通道的內(nèi)部排序器（掃描模式）和24位定時器，使得該系列ADC可自動創(chuàng)建轉(zhuǎn)換環(huán)路序列，無需MCU通信，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

這些ADC還具有高級安全特性，包括CRC和寄存器映射鎖定功能，可確保配置鎖定和通信數(shù)據(jù)完整性，以提供安全的環(huán)境。

采用小型及超小型封裝，有助于小型化設(shè)計(jì)。

圖1：MCP3x6x系列Σ-Δ ADC

（圖源：Microchip Technology）

不難看出，MCP3x6x系列ADC的這些特性，使其非常適合于精密傳感器變送器和發(fā)射器、便攜式儀器儀表、工廠自動化和過程控制以及溫度測量等應(yīng)用。

圖2：MCP3x6x系列Σ-Δ ADC框圖

（圖源：Microchip Technology）

有效應(yīng)對系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

下面我們可以通過一個具體的稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)示例，來看看MCP3x6x系列Σ-Δ ADC是如何利用這些優(yōu)勢特性，幫助開發(fā)者應(yīng)對系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的。

稱重系統(tǒng)的工作原理，是利用稱重傳感器作為換能器，將機(jī)械力轉(zhuǎn)換成與力的大小成正比的電信號。在這個設(shè)計(jì)案例中，使用了四個電阻式稱重傳感器構(gòu)成一個惠斯通電橋（Wheatstone Bridge）——兩個測量張力，兩個測量壓力，傳感器獲取的信號通過增益放大器和Δ-Σ ADC的調(diào)理和轉(zhuǎn)換，輸出給一個PIC24 16位微控制器進(jìn)行處理。

圖3：稱重方案系統(tǒng)框圖

（圖源：Microchip Technology）

該方案的數(shù)模轉(zhuǎn)使用的是MCP3564 Δ-Σ ADC，這是一款低噪聲24位ADC，具有8個單端或4個差分輸入通道，可編程數(shù)據(jù)速率高達(dá)153.6kSPS。與MCP3x6x系列中的其他ADC一樣，MCP3564也提供了很多集成功能（如內(nèi)部Vref、振蕩器、溫度傳感器和燒毀傳感器檢測），并支持靈活的可配置特性（OSR過采樣率為32至98304，增益為0.33倍至64倍）。這些特性在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都具有獨(dú)特的價值。

比如，稱重傳感器的輸出電壓都需要一顆差分放大器進(jìn)行放大，再傳輸給后端的ADC，而MCP3564的差分輸入和內(nèi)置可編程增益放大器（PGA），提供了必要的共模噪聲抑制或信號放大功能，使其可以直接連接到惠斯通電橋，而無需使用額外的前端電路。

再有，為了避免傳感器溫度漂移，提升稱重系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度，通常需要連接熱電偶并使用數(shù)字溫度傳感器和補(bǔ)償算法進(jìn)行校正。MCP3564集成了模擬增益級和內(nèi)部溫度傳感器，因此無需額外電路即可直接連接熱電偶，并使用內(nèi)部溫度傳感器估算冷端溫度。可見，MCP3564集成的豐富功能，十分有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡化。

特別值得一提的是，MCP3564的過采樣比（OSR）和增益動態(tài)可配置功能，提供了一種在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度和精度之間進(jìn)行權(quán)衡的方法，開發(fā)者可以通過專用的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計(jì)工具，動態(tài)重新配置ADC的增益級和OSR，并分析它們對測量的影響，進(jìn)而獲得更優(yōu)的精度和準(zhǔn)確度。

圖4：基于MCP3564的稱重方案示例

（圖源：Microchip Technology）

本文小結(jié)

作為基礎(chǔ)性的模擬器件，ADC在電子系統(tǒng)中無處不在，應(yīng)用極為廣泛，由此也發(fā)展出了性能各異的類別和型號繁多的產(chǎn)品。如何根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的需要，合理而高效地選型和開發(fā)，是硬件工程師日常面臨的課題。

Microchip的MCP3x6x系列Σ-Δ ADC，憑借出色的性能、豐富的功能、靈活可配置的特性，以及高級的安全性，為精密傳感器、便攜式儀器儀表、自動化和過程控制以及溫度測量等應(yīng)用，提供了一種理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換解決方案。

MCP3x6x系列Σ-Δ ADC還在根據(jù)應(yīng)用的發(fā)展，不斷升級迭代。比如為了滿足成本優(yōu)化的設(shè)計(jì)需求，Microchip推出了MCP346xR系列（包括MCP3461R、MCP3462R、MCP3464R），與MCP3461/2/4等前一代產(chǎn)品相比，這些新品具有相似的功能和性能，但價格更具競爭力，這有助于開發(fā)者降低整體BOM成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。