一 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 ，或 A / D轉(zhuǎn)換器 ，或ADC的簡稱，通常是指一種電子裝置，其將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。除了最專業(yè)的模數(shù)轉(zhuǎn)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(jù)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(zhuǎn)換為數(shù)字量，并傳送到微控制器或微處理器。那么ADC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器有更全面、更系統(tǒng)的了解。

Ⅰ A/D 轉(zhuǎn)換器基礎

1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器定義

ADC轉(zhuǎn)換器是一種將模擬信號轉(zhuǎn)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(jīng)過帶限濾波、采樣保持電路，成為梯形信號，再經(jīng)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(zhuǎn)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(jù)都需要經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換步驟

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

模數(shù)轉(zhuǎn)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(jù)一定的規(guī)則，將量化后的值用二進制數(shù)表示，再轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。此外，還可以單獨使用A/D芯片來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.3 為什么需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器？

計算機軟件、無線電、數(shù)字圖像采集都需要ADC轉(zhuǎn)換器的輔助，即人類數(shù)字化的浪潮推動了ADC轉(zhuǎn)換器的發(fā)明、發(fā)展和不斷變化?？傊珹DC轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)諧卡使用快速視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)字存儲示波器需要非常快速的模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字值，以便進行后續(xù)的信號處理。

2. 某些非電子或僅部分電子的設備（如旋轉(zhuǎn)編碼器）也可被視為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

Ⅱ A/D 轉(zhuǎn)換器哪種好？

經(jīng)過多年的發(fā)展和不斷的技術(shù)創(chuàng)新，ADC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)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(jù)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(jù)記錄等，如視頻信號量化和高速數(shù)字通信技術(shù)?！?△ADC主要用于高精度數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換，N位轉(zhuǎn)換需要N個時鐘周期。轉(zhuǎn)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?/p>

缺點：在高于14位分辨率的情況下，價格較高。傳感器產(chǎn)生的信號需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換前進行調(diào)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(zhuǎn)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(nèi)的時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換是同時完成的，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。即輸出個數(shù)增加一位，精密電阻個數(shù)增加?？煲读?，比較器也差不多翻倍了。

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(diào)電壓。

• Σ-Δ (Σ-Δ) ADC

Sigma-delta (Σ-Δ) ADC 由積分器、比較器、1 位 DA 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為時間（脈寬）信號，經(jīng)過數(shù)字濾波器處理，得到數(shù)字值。

Ⅲ A/D 轉(zhuǎn)換器包括哪些內(nèi)容？

1）采樣率

采樣率表示模擬信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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。可以看出，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(zhuǎn)換器動態(tài)范圍的指標。對于實際的A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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）。

非線性誤差非線性誤差是轉(zhuǎn)換器的一個重要精度指標，它代表ADC的實際轉(zhuǎn)換值與理論轉(zhuǎn)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(diào)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(chǎn)生很多失真產(chǎn)物。由此產(chǎn)生的失真稱為互調(diào)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(diào)失真中，二階和三階互調(diào)產(chǎn)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(chǎn)生的失真稱為總諧波失真。諧波失真和調(diào)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。