ADC介紹、分類(lèi)及基本原理

1ADC介紹

隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展以及工藝制程的不斷進(jìn)步，數(shù)字電路處理信息的能力愈發(fā)強(qiáng)大。 數(shù)字信號(hào)由0和1高低電平組成，易于存儲(chǔ)，噪聲容限低且抗干擾能力強(qiáng)，在數(shù)字域中進(jìn)行信號(hào)處理具有速度快、精度高以及成本低等優(yōu)勢(shì)。

在現(xiàn)實(shí)生活中，自然存在的信號(hào)，如聲音、溫度、圖像、重量等都是模擬信號(hào)，所以必須通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，DSP)后，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter，DAC)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成可被人們感知的模擬信號(hào)，系統(tǒng)處理流程如圖所示。

因此，ADC和DAC作為連接數(shù)字域和模擬域之間的橋梁，是不可或缺的部分，其性能往往決定整個(gè)系統(tǒng)的性能上限，重要程度不言而喻。

2ADC分類(lèi)

按照采樣頻率的不同，ADC大致可以分為兩類(lèi)：Nyquist ADC和過(guò)采樣ADC。 Nyquist ADC的采樣頻率略大于或者等于Nyquist頻率，包括的種類(lèi)較多，其中具體性能表現(xiàn)各有差異：

快閃型(Flash)ADC的轉(zhuǎn)換速率最快，但分辨率最低，而且體積、功耗較大，所以目前應(yīng)用不太普遍; 逐次逼近型(Successive Approximation，SAR)ADC突出特點(diǎn)是功耗低，但其轉(zhuǎn)換速度和精度處于中等水平; 流水線(xiàn)型(Pipeline)ADC的轉(zhuǎn)換速度很快，但同時(shí)犧牲了分辨率，所能實(shí)現(xiàn)的精度也處于中等水平; 其余還有積分型ADC、單斜坡ADC等。

Nyquist ADC在高速信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域具有良好表現(xiàn)，但由于器件匹配誤差以及電路中存在的非理想性等因素，實(shí)現(xiàn)的精度不高，一般在14位以下。 過(guò)采樣ADC的采樣頻率遠(yuǎn)高于Nyquist頻率，以Sigma-Delta ADC為代表的過(guò)采樣ADC明顯地降低了系統(tǒng)對(duì)模擬器件工作電壓和工藝匹配精度的要求，同時(shí)對(duì)模擬器件的需求數(shù)量進(jìn)一步下降，不需要復(fù)雜的采樣保持電路和比較網(wǎng)絡(luò)等。

3ADC基本原理

ADC是一種將在時(shí)間和幅度上都連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散、幅度上量化的數(shù)字信號(hào)的電子元件，包括采樣、保持、量化及編碼等一系列過(guò)程，如圖所示。

首先，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)抗混疊濾波器(Anti-Alias Filter，AAF)來(lái)濾除信號(hào)帶寬外的干擾信號(hào); 其次，采樣保持電路將某個(gè)時(shí)刻的輸入信號(hào)采樣并保持固定時(shí)長(zhǎng)，替代該段時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的輸入信號(hào)值，在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化; 然后，量化器將采樣保持電路中的時(shí)間離散信號(hào)在幅度上近似到有限個(gè)預(yù)先設(shè)定的固定幅值，即在幅度上將輸入信號(hào)離散化; 最后，每個(gè)固定幅值都對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字輸出碼，可以根據(jù)需要對(duì)數(shù)字信號(hào)編碼，用于后續(xù)的運(yùn)算處理，采樣、量化和編碼一般是在時(shí)鐘控制下完成的。

采樣與量化

對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行周期性的采樣，能得到時(shí)間上離散的輸入信號(hào)序列，即x(s)=x(nTs)。 其中，x(s)為模擬輸入信號(hào)，Ts=1/fs，Ts為采樣周期，fs為采樣頻率。 根據(jù)Nyquist采樣定理，當(dāng)fs和信號(hào)帶寬fb滿(mǎn)足fs≥2fb時(shí)，采樣后的信號(hào)就不會(huì)發(fā)生頻譜混疊，能夠進(jìn)行信號(hào)重建。 信號(hào)采樣前后的頻譜如圖所示。

將采樣后的信號(hào)在幅值上按一定間隔進(jìn)行離散化的過(guò)程叫做量化，圖(a)為多位量化器的輸入輸出曲線(xiàn)。 其中，kq為量化器轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)的斜率，F(xiàn)s(Fullscale)表示量化器的滿(mǎn)量程輸入，輸入信號(hào)的范圍為[-Fs/2，F(xiàn)s/2]，對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出從全0到全1。 輸出數(shù)字信號(hào)的位數(shù)N可以表示量化器的精度，即量化器可以分辨出的最小步長(zhǎng)Δ=Fs/(2N-1)，Δ也被稱(chēng)為最低有效位(Least Significant Bit，LSB)。 由于量化器位數(shù)有限，數(shù)字輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的電平值不能準(zhǔn)確表示輸入信號(hào)，兩者之間的差值稱(chēng)為量化誤差，也叫量化噪聲，用e(n)表示。 以每個(gè)間隔的中點(diǎn)來(lái)確定對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼區(qū)間，e(n)的幅度范圍為[-Δ/2，Δ/2]，如圖(b)所示。

若輸入信號(hào)的幅度超過(guò)量化范圍，對(duì)應(yīng)的量化誤差也會(huì)超出Δ/2，導(dǎo)致量化器過(guò)載，量化器的輸入輸出關(guān)系如式:

當(dāng)量化器工作時(shí)，只要輸入信號(hào)幅度在[-Fs/2，F(xiàn)s/2]內(nèi)，產(chǎn)生的量化誤差同樣只在[-Δ/2，Δ/2]范圍內(nèi)隨機(jī)變化，并且量化器位數(shù)越高，量化誤差越小。 假設(shè)輸入信號(hào)在量化范圍內(nèi)幅值隨機(jī)變化，量化誤差則可以等效為隨機(jī)的白噪聲，并且在[-Δ/2，Δ/2]范圍內(nèi)均勻分布，量化誤差的能量可以表示為：

因此，量化噪聲的能量譜密度可以由式表示:

從上式可以看出，提高采樣頻率可以降低量化噪聲的能量譜密度。 過(guò)采樣ADC通過(guò)提高采樣頻率，降低信號(hào)帶寬內(nèi)的量化噪聲能量，從而提高信噪比。