來(lái)源：EETOP 硬漢（論壇usrname:ICNO.1） 的博客

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在電子信息系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中,，我們或許早就被告知現(xiàn)實(shí)世界是模擬的,，而數(shù)字化的模擬世界則越來(lái)越展現(xiàn)更多的風(fēng)采。但是所謂的數(shù)字和模擬只是相對(duì)的而已,，你可以把模擬量當(dāng)做無(wú)窮數(shù)字量的組合,，也可以把數(shù)字量當(dāng)做具有不同間隔特征的模擬量。這模數(shù)之間的差別也就是采樣和量化的差別而已,！

那么Analog如何才能走到Digital,？

一、ADC幾個(gè)步驟

 1,、采樣和保持

如果把模擬信號(hào)比作無(wú)限采樣點(diǎn)的數(shù)字信號(hào),，那么我們就需要采取其中一些有限點(diǎn)才能進(jìn)行真正的數(shù)字化傳輸。采多少點(diǎn),？怎么采,？

奈奎斯特(Nyquist)采樣定理：

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是采樣頻率必須大于信號(hào)頻率的2倍，fs≥2fn,。這樣才能重新恢復(fù)信號(hào),。如果不，會(huì)因?yàn)轭l譜混疊而無(wú)法復(fù)原,，具體原因自行查找公式推導(dǎo)及分析,。如下圖頻譜

保持的意思簡(jiǎn)單理解就是讓采樣后的數(shù)值保存到下一步轉(zhuǎn)換,。

2、量化和編碼

所謂的量化是把采樣后的N多個(gè)點(diǎn)數(shù)值按照一定標(biāo)準(zhǔn)和步驟轉(zhuǎn)化為數(shù)字式的0和1,，這個(gè)過(guò)程根據(jù)方式的不同可以分為很多種ADC類型,，因此具有不同的性能特性，見下文,。

二,、ADC的幾種架構(gòu)

1、積分型ADC

顧名思義,，積分ADC的基本原理就是利用運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行積分輸出,，這里參考信號(hào)一般與輸入信號(hào)極性相反，這樣輸出電壓就會(huì)有上升時(shí)間和下降時(shí)間,，根據(jù)計(jì)數(shù)器來(lái)統(tǒng)計(jì)時(shí)間,，最后按照函數(shù)關(guān)系得到采樣信號(hào)的值,。

特征簡(jiǎn)介：

A：積分時(shí)間決定轉(zhuǎn)換精度,，因此犧牲轉(zhuǎn)換速度可以提升精度，在早期的一些儀表轉(zhuǎn)換精度要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用,，后來(lái)的ADC很少采用這種架構(gòu)了,。

B：抗噪聲能力強(qiáng)。對(duì)于零點(diǎn)正負(fù)的白噪聲,，積分時(shí)可以消除,。

2、逐次比較型SAR

顧名思義是利用比較的方式來(lái)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字量,，這個(gè)用來(lái)比較的值由DAC產(chǎn)生,，如下圖：初始化DAC的輸出由寄存器設(shè)置為1/2Vref，然后由比較器判斷大小來(lái)決定輸出1或0,，進(jìn)而進(jìn)行下一步再次設(shè)置寄存器輸出DAC,，如此循環(huán)到最后一次LSB。依次輸出的0和1即為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量,。算法核心就是二分法搜索,，類似于猜數(shù)字值的游戲。

特征簡(jiǎn)介：

A：100K到1M的中等速度,，12到16位的中等精度,，綜合性能較好，因此是目前應(yīng)用最多的ADC架構(gòu)之一,。

B：精度主要決定于DAC的轉(zhuǎn)換精度,，因此DAC需要校準(zhǔn)，比較器也需要滿足高速和能夠匹配系統(tǒng)的較高精度,。

C：功耗可調(diào),，由轉(zhuǎn)換速度決定,，因此也限制了高速應(yīng)用。

D：總之SAR型ADC的內(nèi)部各組成模塊需要組合設(shè)計(jì)性能匹配最優(yōu),。

3,、Flash型ADC 

基本原理如圖，利用多個(gè)比較器進(jìn)行并行處理,，很明顯,，高速!

特征簡(jiǎn)介：

A：很明顯夠快，比較器并行處理,。

B：功耗大,，面積大，自然是因?yàn)楸容^器多,。

C：分辨率不夠,，也是因?yàn)楣拇螅鄶?shù)小于16位,。

D：轉(zhuǎn)換周期需要不斷校準(zhǔn)以保證一定精度,。

兩種ADC架構(gòu)的比較：

4、Σ-Δ型ADC 

Sigma-Delta  型ADC也是目前應(yīng)用相當(dāng)多的一種ADC架構(gòu),，尤其是在高位數(shù)分辨率的ADC設(shè)計(jì)上,，這種調(diào)制型的ADC轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)盡可能采用數(shù)字電路來(lái)處理并結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)更好的性能。核心技術(shù)點(diǎn)：過(guò)采樣和噪聲整形,。

Sigma-Delta 調(diào)制過(guò)采樣：

如圖,，sigma-delta的意思是差分求和，我們來(lái)顧名思義一下這個(gè)過(guò)程：

假設(shè)第一個(gè)積分運(yùn)放輸出1,，則到后面Q輸出也為1,，第二個(gè)運(yùn)放輸出則為+V。

+V反饋到第一個(gè)運(yùn)放輸入,，驅(qū)動(dòng)積分器向反方向輸出,，待采集信號(hào)Vi也會(huì)驅(qū)動(dòng)積分器輸出，綜合而言如果積分器輸出為0,，第二個(gè)比較器反饋回來(lái)的就是-V,，以驅(qū)動(dòng)積分器向輸出。這個(gè)環(huán)路最后的目的是實(shí)現(xiàn)運(yùn)放的基本特性：反相端應(yīng)該為0,！

這樣整個(gè)輸出的1的個(gè)數(shù)比例對(duì)應(yīng)的電壓值其實(shí)就是待測(cè)信號(hào)的電壓值,！能否理解？就是通過(guò)對(duì)誤差的不斷累積求和得到對(duì)應(yīng)值,！Q會(huì)輸出一串01值即完成,。

過(guò)采樣：

上述過(guò)程中的觸發(fā)器時(shí)鐘非常快,，遠(yuǎn)大于奈奎斯特采樣要求,，這樣可以將量化噪聲推到更高頻段內(nèi),。量化噪聲：數(shù)字量化的最小單位存在的誤差被稱為量化噪聲，即1LSB和2LSB之間的誤差值,。

噪聲整形：

前一步得到的高速01數(shù)字流可以通過(guò)數(shù)字方式進(jìn)行處理得到最后的輸出結(jié)果,。因?yàn)樵谶^(guò)采樣過(guò)程中是以速度換取精度的方式來(lái)操作的，高速但是噪聲大,，在噪聲整形過(guò)程中通過(guò)數(shù)字濾波器和抽取電路把噪聲消除并降低最終的信號(hào)輸出速率,，實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果！

如下圖總結(jié)：

幾種ADC架構(gòu)的簡(jiǎn)單比較：

三,、ADC的參數(shù)

1,、分辨率

就是最小能夠分辨的模擬電壓值，例如12位ADC,，Vref為3.3V最小分辨率即：Vref/2的12次方=0.8mv,。

2、轉(zhuǎn)換速度

即每秒轉(zhuǎn)換的數(shù)字量,，例如100kSPS,，也常表示為每個(gè)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換時(shí)間如15us

3、輸出接口

有串行或者并行接口

4,、工作電壓,，基準(zhǔn)電壓（內(nèi)部或者外部基準(zhǔn)）,，封裝,。

5、DNL 微分非線性誤差

6,、INL積分非線性誤差

這兩種誤差具有一定隨機(jī)性,，因此ADC會(huì)出現(xiàn)誤碼。

7,、幾種重要的交流參數(shù)

四,、ADC的應(yīng)用

本來(lái)想以我非常粗淺的經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)ADC應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可是還是無(wú)法寫出,，也許你不喜歡工程師給別人說(shuō)看情況,，但是工作后我越來(lái)越發(fā)現(xiàn)確實(shí)如此，你無(wú)法詳盡某一項(xiàng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的所有點(diǎn),，不同特性配合不同應(yīng)用的組合在不同運(yùn)行環(huán)境下也是千差萬(wàn)別,。你最好的方式就是掌握一定的基礎(chǔ)再加以充分的思考驗(yàn)證。

就ADC而言,，設(shè)計(jì)自然從選型開始,，什么樣的待測(cè)信號(hào)，什么樣的速率要求,，精度要求等,，這些就可以依據(jù)前面的知識(shí)予以選型指導(dǎo),。這個(gè)過(guò)程可以避免盲目設(shè)計(jì)，浪費(fèi)性能和成本,。ADC的精度自然是相對(duì)參考電壓而言的,，那么基準(zhǔn)電壓就要穩(wěn)，電源要穩(wěn),，作為時(shí)鐘的晶振要穩(wěn),，PCB設(shè)計(jì)中地要處理好，高速信號(hào)要匹配好,，干擾要隔離開,，還有軟件上的N多配置選擇要恰當(dāng)，等等等,，見識(shí)淺薄,，尚不能略窺一二。

五,、小結(jié)

ADC作為信號(hào)處理過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)之一,，是模擬和數(shù)字之間的橋梁，目前的信號(hào)處理朝著更高檢測(cè)精度,，更快轉(zhuǎn)換速率發(fā)展,，在音視頻接口，微弱信號(hào)檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用深入,，而此類芯片的國(guó)產(chǎn)化還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后,，不過(guò)前途可期。而對(duì)于硬件開發(fā)中的應(yīng)用而言,，知其然并知其所以然對(duì)于應(yīng)用的把握水平會(huì)有更好的提升,，假以時(shí)日或許最后可達(dá)到武學(xué)中的手中無(wú)劍，心中無(wú)劍,，俯拾殘枝即為利刃的境界吧,。