ADC在電路中扮演的作用 衡量ADC性能的幾個(gè)重要指標(biāo)

寫在最前面

本文是一篇并不枯燥的介紹ADC的文章?？紤]到現(xiàn)在有些讀者刷文章的翻臺率比HR篩簡歷的速度還快，所以就算你不能每個(gè)字都讀完，至少每張圖也都花點(diǎn)時(shí)間看看，畢竟為了讓表述言簡意賅也是

模擬 VS 數(shù)字

二八定律的現(xiàn)象不僅在經(jīng)濟(jì)學(xué)，社會學(xué)，金融學(xué)等諸多領(lǐng)域可以聽到，就連在電路中也是可見一斑。比如許多電路設(shè)計(jì)中，模擬器件只占到整個(gè)電路的兩成，在硬件設(shè)計(jì)中卻往往占用八成的時(shí)間和精力。

要知道，模擬信號就如同馬路上的行人一樣，有著“行走隨意性大，方向多變”的特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室里煎熬過的同學(xué)們想必領(lǐng)教過模擬信號“琢磨不透，捕捉不到，行蹤不定，來去無蹤”的特點(diǎn)。

因此，懂得如何將模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理是作為一個(gè)電子工程師必備的求生技能！

ADC，你注定離不開的東西

ADC，有時(shí)候也稱AD，是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog Digital Converter）的英文縮寫。只要你進(jìn)入電子工程師的領(lǐng)域，尤其是數(shù)電，嵌入式，信號處理，物聯(lián)網(wǎng)，音頻等等應(yīng)用，這玩意都會是經(jīng)常出現(xiàn)在你腦海里的東西。假設(shè)你對ADC還不甚了解，或者只是在學(xué)校的課程中不明覺厲地聽說過這個(gè)詞，那么接下來我們就用通俗的方式講解一番，希望你對這個(gè)知識點(diǎn)有一個(gè)更加深刻地認(rèn)知（并在學(xué)明白之后果斷下單）。

ADC在電路中扮演的作用

學(xué)過高數(shù)的同學(xué)都知道，盡管微積分中存在著許多巧妙的反函數(shù)推導(dǎo)算積分的方法，但事實(shí)上只有很小很小一部分函數(shù)的積分是可以通過直接推導(dǎo)求出的。稍微復(fù)雜的函數(shù)都是靠離散的方式，將函數(shù)下的面積分割成許多小格子后累加算出來的。

同理，對于涉及到大量復(fù)雜運(yùn)算，邏輯功能和信號處理的電路來說，僅靠運(yùn)放器晶體管組成的那么百十來種模擬電路是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此我們必須借助更強(qiáng)大的數(shù)字信號處理單元，比如yyds的FPGA和單片機(jī)等，用來實(shí)現(xiàn)更多高大上的功能。

上面這張圖就是一個(gè)完整的信號處理電路。由于FPGA或者單片機(jī)等處理單元都是數(shù)字電路家族的，甭管你扭得多么嫵媚，他們只認(rèn)0和1。所以能將扭得跟麻花一樣的模擬信號準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的0和1就是ADC存在的價(jià)值了。而經(jīng)過數(shù)字處理單元一頓猛如虎的操作之后，如果需要將0和1轉(zhuǎn)化成真實(shí)世界的模擬信號，則需要通過DAC來實(shí)現(xiàn)（我們之后的文章還會來掰扯掰扯）。

ADC的工作原理介紹

圖中是一個(gè)ADC的結(jié)構(gòu)。除了性能弱爆了之外，其他的五臟都是俱全的。電路中有3個(gè)運(yùn)放器，更確切地說是比較器。每個(gè)比較器的其中一個(gè)輸入都連接了由等值電阻構(gòu)成的參考電壓，另一個(gè)輸入則同時(shí)接入待采集的模擬信號源Vin。

現(xiàn)在大家可以思考幾個(gè)問題：

● 該電路構(gòu)成的ADC是幾位的？2位，3位，4位？

● 假如采用LM393作為比較器，那么能采集多快頻率的模擬信號？

● 按照以上的結(jié)構(gòu)，10位ADC需要幾個(gè)運(yùn)放器？

● 下圖電路中接的4-2優(yōu)先編碼器有什么作用？

衡量ADC性能的幾個(gè)重要指標(biāo)

ADC的作用就如同戰(zhàn)場中的“偵察兵”。他需要將當(dāng)前的天氣，地形，敵方兵力部署等各種重要情報(bào)傳達(dá)給作戰(zhàn)指揮部，而后者所有的判斷與決策都是基于該偵察兵提供的信息。因此，如果我們想快速大致判斷一個(gè)偵察兵是青銅還是王者，可以從以下兩個(gè)方面考慮：

● 描述的信息有多準(zhǔn)確？

● 信息傳達(dá)的速度有多快？

位數(shù)

對于ADC來說，反映上述兩個(gè)性能的指標(biāo)就是ADC的位數(shù)和采樣率。ADC是一個(gè)可憐的2-bit ADC，也就是說它只有22=4個(gè)區(qū)間，換言之除了用于理解概念之外基本沒什么luan用。目前最常用的ADC位數(shù)有8位，10位和12位的。

8位的ADC代表可以把一個(gè)模擬信號的峰峰值切割成28個(gè)單位，也就是256份。10位的ADC就能切割成1024份。所以假如待采集的模擬信號為1V，那么ADC理論上能采集并分辨的最小電壓為：

采樣率

除了位數(shù)外，ADC的采樣率也非常重要。當(dāng)采集一個(gè)模擬交流信號時(shí)，為了能采集到不失真的波形，ADC的采樣頻率應(yīng)當(dāng)至少為該模擬信號頻率的2倍以上（奈奎斯特定理）。在采樣中，我們可以遵循以下公式：

通常對于一個(gè)信號周期來說，至少需要10個(gè)采樣點(diǎn)，那么以上公式則等于：

也就是說，如果一個(gè)ADC的采樣率為10Mbps，那么它能采集的模擬信號頻率不能超過2MHz。

“別人家的”ADC

“ADC這東西還是別人家的好”，說完這話以后，我們的小姐姐就表示很不服氣，于是時(shí)隔N年之后又重新拾起了面包板，并從我這里搜刮了幾個(gè)僅有的元器件后，開啟了瘋狂拼板模式。

很多同學(xué)會覺得這樣一個(gè)電路一定很好搭吧。但是如果你實(shí)際做一做就會發(fā)現(xiàn)，很多經(jīng)驗(yàn)都只有在動(dòng)手實(shí)踐中才能學(xué)到的，比如運(yùn)放的軌到軌，source和sink電流，壓擺率，模擬帶寬，包括電源和地怎么連等等，總算是把以前只有書本里聽過的知識實(shí)踐了一把。不論如何，折騰了半天之后，我們終于有了可以工作的電路，有視頻為證：

“別人家的”ADC

了解我們的小姐姐自研的3位低性能ADC之后，我們再來看看高性能的ADC。下圖是基于“別人家的”10位高速ADC芯片： 3PA1030而開發(fā)的超小模塊。在電子森林的項(xiàng)目頁面中有詳細(xì)介紹：

https://www.eetree.cn/project/detail/61

為什么這款如此之小的ADC模塊可以完爆我們用面包板搭的電路？下圖中列出了該模塊采用的關(guān)鍵器件：

我們專門標(biāo)出了重點(diǎn)，分別涉及了：位數(shù)，采樣率，增益帶寬積，精密，軌到軌，PSRR，低壓差線性。至于這些為什么很重要，可以惡補(bǔ)一下以前課本里的知識，或者去電子森林（www.eetree.cn）的文庫里面查一查。

是驢是馬還需要跑跑看

現(xiàn)在我們就來現(xiàn)場搭建一個(gè)小電路來測一測這款高速ADC模塊的實(shí)際效果。非專業(yè)動(dòng)作，無危險(xiǎn)因素，低難度，鼓勵(lì)模仿！

第一步：在面包板上搭建簡易的測試電路。

第二步：打開自帶的Scopy軟件進(jìn)行信號發(fā)生器配置

通道1是一個(gè)10MHz的方波，直接用于ADC的時(shí)鐘（它甚至可以支持到50MHz），通道2是一個(gè)100kHz的三角波，也就是待采樣的模擬信號。

第三步：開啟邏輯分析儀功能

這時(shí)，是不是看到了10條完美的方波信號。這個(gè)就是采樣之后的數(shù)字信號，并且我們采用邏輯分析儀的功能直接進(jìn)行數(shù)位解碼，每8位就是一個(gè)Byte…于是就完成了將模擬信號數(shù)字化的全部過程。剩下的事情就交給數(shù)字指揮部了。

裝備庫一覽

講了這么多，相信有不少同學(xué)垂涎三尺，畢竟看別人玩總是不如自己親手玩一玩過癮的。于是我們在這里就將裝備依次列出：

1.地主土豪最喜歡用的高速ADC模塊，3PA1030

2.地主土豪最喜歡用的多功能實(shí)驗(yàn)儀器，ADALM2000

3. 貧下中農(nóng)最喜歡用的多功能實(shí)驗(yàn)儀器，梅林雀TG491（新品預(yù)售，來加群提前看~）

4.貧下中農(nóng)喜歡用的面包板電源，MEGO

還有一點(diǎn)，假如你之前從沒有參加過我們的學(xué)習(xí)活動(dòng)，那么真是太可惜了，因?yàn)楹芏嗤瑢W(xué)都通過活動(dòng)白piao了我們不少好裝備。所以還是要鼓勵(lì)大家以后多多參加我們的活動(dòng)。比如近期的暑假一起練活動(dòng)，已經(jīng)幾百名學(xué)生報(bào)名參與，因此我們的不少好東西注定又要被白piao走一批了。。。

編輯：jq