ADC基礎(chǔ)知識科普

1.2.3 ADC轉(zhuǎn)換的過程

ADC采樣過程分為4步，即采樣、保持、量化和編碼。

采樣，將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)化為在時(shí)間t上離散的模擬量，采樣需滿足采樣定理(奈奎斯特定理)。保持，模數(shù)轉(zhuǎn)換都會消耗一定的時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在采樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時(shí)間(模擬上通過電容實(shí)現(xiàn))。

量化，數(shù)字信號在時(shí)間和幅值上都是離散的，因此采樣-保持電路的輸出電壓，還需按某種近似方程歸化到相應(yīng)的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過程稱為量化。編碼，量化后的數(shù)值還需通過編碼用一個(gè)二進(jìn)制代碼表示出來，經(jīng)過編碼后得到的就是AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，二進(jìn)制編碼的位寬等于ADC的位寬。上圖示例是一個(gè)3 bit ADC，只舍不入量化方式(量化中把不足一個(gè)單位的部分舍棄)，量化位數(shù)用3 bit來表示連續(xù)信號的幅值。信號滿量程為0~1V，因此最小量化單位Δ=1V/2^3=1/8V。量化位數(shù)越高，ADC的分辨率越高，量化誤差越小。一般ADC的分辨率使用LSB標(biāo)識。

1.2.5 常見基本概念和參數(shù)

1) 位寬

即前一節(jié)提到的量化位數(shù)，常見的有8bit，10bit，12bit，16bit，24bit。比較少見的部分高速ADC有6bit~8bit。

2) 分辨率

ADC所能分辨的最小量化信號的能力，最小分辨能力Δ=輸入滿量程電壓/2^N。分辨率主要由ADC的位數(shù)(輸出數(shù)字量的位數(shù))決定，也與輸入滿量程有一定的關(guān)系。如一個(gè)輸出滿量程為0~5V的ADC、8位的ADC，其最小變化量為5V/2^8，約為19.5mV。若將ADC的位寬增加為10位，則ADC的最小變化量為5V/2^10，約為4.88mV。

3) 量化誤差Σ

在量化過程中由于所采樣的電壓不一定能被Δ(最小量化單位)整除，所以量化前后存在一定誤差，此誤差稱為量化誤差。量化誤差屬于原理誤差，無法消除，理論上轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高，各離散電平之間的差值越小，量化誤差就越小。

4) INL

INL (IntergerNonLinear, 積分非線性), 指ADC實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線與理想曲線在縱軸方向的差值，單位LSB，用于表示實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線與理想的偏差程度。

5) DNL

DNL (DifferentialNonLinear, 微分非線性), 指ADC的實(shí)際量化臺階與對應(yīng)于1LSB的理想值之間的差異。理想ADC偏差為0LSB。若DNL<1LSB，意味著傳輸函數(shù)具有單調(diào)性，沒有丟碼。

6) SNR

SNR (Signal NoiseRatio，信噪比), ADC輸出信號功耗和噪聲功耗的比值，用dB表示。SNR=10*log(P_signal/P_noise)，其中信號頻譜圖中基波分量有效值，噪聲=總能量-信號能量和諧波能量。理想ADC的噪聲主要來自量化噪聲。

1.3 SAR型ADC原理

SAR(Successive Approximation, 逐次比較型), 包括一個(gè)比較器，一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)逐次逼近寄存器(SAR)和控制邏輯單元。將輸入的模擬信號與已知電壓(DAC，數(shù)模轉(zhuǎn)換)不斷進(jìn)行比較，一個(gè)時(shí)鐘周期完成一次轉(zhuǎn)換，N位的ADC需要N個(gè)時(shí)鐘周期完成轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后輸出二進(jìn)制。

從上面描述可以看出，此種ADC有個(gè)問題，位寬越寬，轉(zhuǎn)換需要的時(shí)鐘周期越多，即如果想提高ADC分辨率，會限制采樣速率。所有此種ADC一般用在低速場景。

1.4 Σ-Δ型ADC原理

Σ-Δ型(Sigma-Delta-Converter, Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器), 又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器，它采用增量編碼方式，根據(jù)前一量值與后一量值的差值的大小進(jìn)行量化和編碼。Σ-Δ型ADC主要由Σ-Δ型調(diào)制器和數(shù)字濾波器組成。調(diào)制器主要完成信號抽樣和增量編碼，給數(shù)字濾波器提供增量編碼。數(shù)字濾波器完成對Σ-Δ碼的抽取濾波，把增量碼轉(zhuǎn)換成高分辨率的線性脈沖碼調(diào)制的數(shù)字信號，因此抽取濾波器實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)碼型變化器。

Σ-Δ型ADC一般精度可以做到很高，24位ADC中很多是此種類型。

1.5 關(guān)于ADC的驗(yàn)證

1.5.1 可能的驗(yàn)證方式

從1.3節(jié)框圖可以看出，ADC分為模擬部分和數(shù)字部分。因此推測大概有2種方式，一是用veriloga實(shí)現(xiàn)模擬部分功能模型，和數(shù)字部分一起，驗(yàn)證環(huán)境中將整塊邏輯作為DUT進(jìn)行驗(yàn)證;另一種方式是驗(yàn)證只驗(yàn)證數(shù)字部分，數(shù)字部分驗(yàn)證ok后提供代碼給模擬設(shè)計(jì)工程師，模擬設(shè)計(jì)使用ams仿真器進(jìn)行仿真。

1.5.2 數(shù)字驗(yàn)證項(xiàng)

拋開模擬，只看ADC數(shù)字實(shí)現(xiàn)部分，主要驗(yàn)證項(xiàng)可能有，CRG、寄存器、接口、功能等。