ADC原理和分類簡介

在儀器儀表系統(tǒng)中，常常需要將檢測到的連續(xù)變化的模擬量如：溫度、壓力、流量、速度、光強(qiáng)等轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字量，才能輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。這些模擬量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號（一般為電壓信號），經(jīng)過放大器放大后，就需要經(jīng)過一定的處理變成數(shù)字量。 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱a/d轉(zhuǎn)換器或adc，analog to digital converter），A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實(shí)際電路中，這些過程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時實(shí)現(xiàn)的。

取樣和保持：

取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散的模擬量。取樣過程示意圖如圖所示。下圖為取樣電路結(jié)構(gòu)，其中，傳輸門受取樣信號S（t）控制，在S（t）的脈寬τ期間，傳輸門導(dǎo)通，輸出信號vO（t）為輸入信號v1，而在（Ts-τ）期間，傳輸門關(guān)閉，輸出信號vO（t）=0。 將取樣電路每次取得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定值，每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。取樣與保持過程往往是通過取樣-保持電路同時完成的。

量化與編碼：

數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。為將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到相應(yīng)的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過程稱為數(shù)值量化，簡稱量化。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位，用△表示。它是數(shù)字信號最低位為1時所對應(yīng)的模擬量，即1LSB。

在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差稱之為量化誤差，用ε表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

A/D轉(zhuǎn)換器的種類

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理的不同，可分成間接ADC和直接ADC。

間接ADC是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時間或頻率，然后再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有中間量是時間的雙積分型ADC。直接ADC則直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有并聯(lián)比較型ADC和逐次逼近型ADC 。

并聯(lián)比較型ADC：

由于并聯(lián)比較型ADC采用各量級同時并行比較，各位輸出碼也是同時并行產(chǎn)生，所以轉(zhuǎn)換速度快是它的突出優(yōu)點(diǎn)，同時轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位的多少無關(guān)。并聯(lián)比較型ADC的缺點(diǎn)是成本高、功耗大。因?yàn)閚位輸出的ADC，需要2n個電阻，（2n－1）個比較器和D觸發(fā)器，以及復(fù)雜的編碼網(wǎng)絡(luò)，其元件數(shù)量隨位數(shù)的增加，以幾何級數(shù)上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辨率的場合。

逐次逼近型ADC：

逐次逼近型ADC是另一種直接ADC，它也產(chǎn)生一系列比較電壓VR，但與并聯(lián)比較型ADC不同，它是逐個產(chǎn)生比較電壓，逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。逐次逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換都要逐位比較，需要（n+1）個節(jié)拍脈沖才能完成，所以它比并聯(lián)比較型ADC的轉(zhuǎn)換速度慢，比雙分積型ADC要快得多，屬于中速ADC器件。另外位數(shù)多時，它需用的元器件比并聯(lián)比較型少得多，所以它是集成ADC中，應(yīng)用較廣的一種。

雙積分型ADC：

屬于間接型ADC，它先對輸入采樣電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在這個時間間隔內(nèi)，用計(jì)數(shù)器對標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖（CP）計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)結(jié)果就是對應(yīng)的數(shù)字量。雙積分型ADC優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)；穩(wěn)定性好；可實(shí)現(xiàn)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度低，因此這種轉(zhuǎn)換器大多應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器儀表中，例如用于多位高精度數(shù)字直流電壓表中。

Dither信號：在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，工作狀況可以通過引入抖動信號（Dither）得到改善。Dither信號是在轉(zhuǎn)換前混入輸入信號的微量隨機(jī)噪聲。它的作用效果是輸入信號極小時，造成LSB的狀態(tài)隨機(jī)在0和1之間振蕩，而不是處于某一個固定值。這樣做可以擴(kuò)展模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換的有效范圍，而不需要在低輸入的情況下完全切斷這個信號，不過這樣做的代價是噪音會小幅增加，量化誤差會擴(kuò)散到一系列噪音信號值。

在時間范圍上，還是可以較為精確地反映信號在時間上的變化。在輸出端，使用一個適當(dāng)?shù)碾娮訛V波器可以還原這個小幅信號波動。沒有加入Dither信號的低幅音頻信號聽起來十分扭曲和令人不快。因?yàn)槿绻麤]有Dither信號，低幅信號可能造成最低有效位固定在0或者1。引入Dither信號之后，音頻的實(shí)際振幅可以通過在取一段時間上實(shí)際量化的采樣和一系列Dither信號的采樣的平均值來計(jì)算。Dither信號在一些集成系統(tǒng)里也有應(yīng)用，它可以使信號值產(chǎn)生比模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器最低有效位更為精確的結(jié)果。注意引入Dither信號只能增加采樣器的分辨率，但是不能增加其線性的性質(zhì)，因此精確度不一定能夠改善。

過采樣：通常的，為了經(jīng)濟(jì)，信號以允許的最低采樣率被采樣，造成的結(jié)果是產(chǎn)生在轉(zhuǎn)換器整個通帶上分布的白噪聲。如果信號以高于 奈奎斯特頻率的頻率被采樣、然后進(jìn)行 數(shù)字濾波，才從而保證限制信號帶寬，則有以下幾個好處：（1）數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器更好的性質(zhì)（更銳利的滾降、相位），所有可以構(gòu)成更銳利的反鋸齒濾波器，從而可以對信號進(jìn)行向下采樣，給出更好的結(jié)果；（2）一個20位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以當(dāng)做一個24位、具有256倍過密采樣的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用；（3）盡管有量化噪聲，信噪比還是會比使用整個可用的帶寬更高。使用了此技術(shù)后，可能會獲得一個比單獨(dú)使用轉(zhuǎn)換器更高的分辨率；（4）每倍頻的過密采樣（在很多應(yīng)用中還不夠）的信噪比的改善為3 分貝（等效于0.3位）。因此，過密采樣通常與噪音信號整形耦合在一起。通過噪音整形，改善可以達(dá)到每倍頻6L+3 dB。

A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)：轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換精度：

（1）分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)來表示。它說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。從理論上講，n位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2個不同等級的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，分辨率愈高。例如A/D轉(zhuǎn)換器輸出為8位二進(jìn)制數(shù)，輸入信號最大值為5V，那么這個轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分出輸入信號的最小電壓為9.53mV。

（2）轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如給出相對誤差≤±LSB/2，這就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。

轉(zhuǎn)換時間：

轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。其中并行比較A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高，8位二進(jìn)制輸出的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間可達(dá)到50ns以內(nèi)，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之，它們多數(shù)轉(zhuǎn)換時間在10～50ms以內(nèi)，間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢，如雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)總的位數(shù)、精度要求、輸入模擬信號的范圍以及輸入信號極性等方面綜合考慮A/D轉(zhuǎn)換器的選用。

ADC被壟斷國產(chǎn)出頭難

任何一個信號鏈系統(tǒng)，都需要傳感器來探測來自模擬世界的電壓、電流、溫度、壓力等信號。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC是連接現(xiàn)實(shí)模擬世界與電子系統(tǒng)的橋梁，但由于開發(fā)難度大，高精度高速ADC一直被美國ADI、TI壟斷。從美國管控的 ADC 芯片列表中，我們其實(shí)可以看出高速 ADC 不管是研發(fā)技術(shù)積累還是生產(chǎn)工藝商，都有著相當(dāng)高的技術(shù)壁壘。

隨著 5G、汽車電子、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等的持續(xù)發(fā)展，預(yù)計(jì)到 2022 年，全球 ADC 芯片市場規(guī)模接近 750 億美金。市場巨大，而我們卻被美國依然卡的死死的，每年付出大量的美金去采購TI和ADI的產(chǎn)品。

中國是全球最主要的ADC芯片需求方，但是國內(nèi)能造出高性能的ADC芯片企業(yè)微乎其微，即便造出來了，性能和價格也無法跟上市場的節(jié)奏。可以這么說，在核心的ADC芯片供給率上，國產(chǎn)占有率幾乎為零。 近幾年隨著我國模擬設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提升，國內(nèi)出現(xiàn)了一些研發(fā)高速、高精度ADC和DAC的芯片公司，他們的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)在不斷接近歐美品牌，產(chǎn)品已經(jīng)逐步為用戶所廣泛使用！

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