ADC原理和分類簡介

在儀器儀表系統中，常常需要將檢測到的連續變化的模擬量如：溫度、壓力、流量、速度、光強等轉變成離散的數字量，才能輸入到計算機中進行處理。這些模擬量經過傳感器轉變成電信號（一般為電壓信號），經過放大器放大后，就需要經過一定的處理變成數字量。 將模擬信號轉換成數字信號的電路，稱為模數轉換器（簡稱a/d轉換器或adc，analog to digital converter），A/D轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數字信號，因此，A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現的。

取樣和保持：

取樣是將隨時間連續變化的模擬量轉換為時間離散的模擬量。取樣過程示意圖如圖所示。下圖為取樣電路結構，其中，傳輸門受取樣信號S（t）控制，在S（t）的脈寬τ期間，傳輸門導通，輸出信號vO（t）為輸入信號v1，而在（Ts-τ）期間，傳輸門關閉，輸出信號vO（t）=0。 將取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數字信號都需要一定時間，為了給后續的量化編碼過程提供一個穩定值，每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。取樣與保持過程往往是通過取樣-保持電路同時完成的。

量化與編碼：

數字信號不僅在時間上是離散的，而且在幅值上也是不連續的。任何一個數字量的大小只能是某個規定的最小數量單位的整數倍。為將模擬信號轉換為數字量，在A/D轉換過程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到相應的離散電平上，這一轉化過程稱為數值量化，簡稱量化。量化后的數值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數字量。量化過程中所取最小數量單位稱為量化單位，用△表示。它是數字信號最低位為1時所對應的模擬量，即1LSB。

在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差稱之為量化誤差，用ε表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D 轉換器的位數越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

A/D轉換器的種類

模數轉換器的種類很多，按工作原理的不同，可分成間接ADC和直接ADC。

間接ADC是先將輸入模擬電壓轉換成時間或頻率，然后再把這些中間量轉換成數字量，常用的有中間量是時間的雙積分型ADC。直接ADC則直接轉換成數字量，常用的有并聯比較型ADC和逐次逼近型ADC 。

并聯比較型ADC：

由于并聯比較型ADC采用各量級同時并行比較，各位輸出碼也是同時并行產生，所以轉換速度快是它的突出優點，同時轉換速度與輸出碼位的多少無關。并聯比較型ADC的缺點是成本高、功耗大。因為n位輸出的ADC，需要2n個電阻，（2n－1）個比較器和D觸發器，以及復雜的編碼網絡，其元件數量隨位數的增加，以幾何級數上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辨率的場合。

逐次逼近型ADC：

逐次逼近型ADC是另一種直接ADC，它也產生一系列比較電壓VR，但與并聯比較型ADC不同，它是逐個產生比較電壓，逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進行模數轉換的。逐次逼近型ADC每次轉換都要逐位比較，需要（n+1）個節拍脈沖才能完成，所以它比并聯比較型ADC的轉換速度慢，比雙分積型ADC要快得多，屬于中速ADC器件。另外位數多時，它需用的元器件比并聯比較型少得多，所以它是集成ADC中，應用較廣的一種。

雙積分型ADC：

屬于間接型ADC，它先對輸入采樣電壓和基準電壓進行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在這個時間間隔內，用計數器對標準時鐘脈沖（CP）計數，計數器輸出的計數結果就是對應的數字量。雙積分型ADC優點是抗干擾能力強；穩定性好；可實現高精度模數轉換。主要缺點是轉換速度低，因此這種轉換器大多應用于要求精度較高而轉換速度要求不高的儀器儀表中，例如用于多位高精度數字直流電壓表中。

Dither信號：在模擬數字轉換器中，工作狀況可以通過引入抖動信號（Dither）得到改善。Dither信號是在轉換前混入輸入信號的微量隨機噪聲。它的作用效果是輸入信號極小時，造成LSB的狀態隨機在0和1之間振蕩，而不是處于某一個固定值。這樣做可以擴展模擬數字轉換器可以轉換的有效范圍，而不需要在低輸入的情況下完全切斷這個信號，不過這樣做的代價是噪音會小幅增加，量化誤差會擴散到一系列噪音信號值。

在時間范圍上，還是可以較為精確地反映信號在時間上的變化。在輸出端，使用一個適當的電子濾波器可以還原這個小幅信號波動。沒有加入Dither信號的低幅音頻信號聽起來十分扭曲和令人不快。因為如果沒有Dither信號，低幅信號可能造成最低有效位固定在0或者1。引入Dither信號之后，音頻的實際振幅可以通過在取一段時間上實際量化的采樣和一系列Dither信號的采樣的平均值來計算。Dither信號在一些集成系統里也有應用，它可以使信號值產生比模擬數字轉換器最低有效位更為精確的結果。注意引入Dither信號只能增加采樣器的分辨率，但是不能增加其線性的性質，因此精確度不一定能夠改善。

過采樣：通常的，為了經濟，信號以允許的最低采樣率被采樣，造成的結果是產生在轉換器整個通帶上分布的白噪聲。如果信號以高于 奈奎斯特頻率的頻率被采樣、然后進行 數字濾波，才從而保證限制信號帶寬，則有以下幾個好處：（1）數字濾波器具有比模擬濾波器更好的性質（更銳利的滾降、相位），所有可以構成更銳利的反鋸齒濾波器，從而可以對信號進行向下采樣，給出更好的結果；（2）一個20位的模擬數字轉換器可以當做一個24位、具有256倍過密采樣的模擬數字轉換器使用；（3）盡管有量化噪聲，信噪比還是會比使用整個可用的帶寬更高。使用了此技術后，可能會獲得一個比單獨使用轉換器更高的分辨率；（4）每倍頻的過密采樣（在很多應用中還不夠）的信噪比的改善為3 分貝（等效于0.3位）。因此，過密采樣通常與噪音信號整形耦合在一起。通過噪音整形，改善可以達到每倍頻6L+3 dB。

A/D轉換器的主要技術參數

A/D轉換器的主要技術參數：轉換精度和轉換時間

轉換精度：

（1）分辨率：A/D轉換器的分辨率以輸出二進制（或十進制）數的位數來表示。它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。從理論上講，n位輸出的A/D轉換器能區分2個不同等級的輸入模擬電壓，能區分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。在最大輸入電壓一定時，輸出位數愈多，分辨率愈高。例如A/D轉換器輸出為8位二進制數，輸入信號最大值為5V，那么這個轉換器應能區分出輸入信號的最小電壓為9.53mV。

（2）轉換誤差：轉換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位的倍數表示。例如給出相對誤差≤±LSB/2，這就表明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小于最低位的半個字。

轉換時間：

轉換時間是指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩定的數字信號所經過的時間。A/D轉換器的轉換時間與轉換電路的類型有關。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠。其中并行比較A/D轉換器的轉換速度最高，8位二進制輸出的單片集成A/D轉換器轉換時間可達到50ns以內，逐次比較型A/D轉換器次之，它們多數轉換時間在10～50ms以內，間接A/D轉換器的速度最慢，如雙積分A/D轉換器的轉換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實際應用中，應從系統數據總的位數、精度要求、輸入模擬信號的范圍以及輸入信號極性等方面綜合考慮A/D轉換器的選用。

ADC被壟斷國產出頭難

任何一個信號鏈系統，都需要傳感器來探測來自模擬世界的電壓、電流、溫度、壓力等信號。

模擬數字轉換器ADC是連接現實模擬世界與電子系統的橋梁，但由于開發難度大，高精度高速ADC一直被美國ADI、TI壟斷。從美國管控的 ADC 芯片列表中，我們其實可以看出高速 ADC 不管是研發技術積累還是生產工藝商，都有著相當高的技術壁壘。

隨著 5G、汽車電子、人工智能、物聯網等的持續發展，預計到 2022 年，全球 ADC 芯片市場規模接近 750 億美金。市場巨大，而我們卻被美國依然卡的死死的，每年付出大量的美金去采購TI和ADI的產品。

中國是全球最主要的ADC芯片需求方，但是國內能造出高性能的ADC芯片企業微乎其微，即便造出來了，性能和價格也無法跟上市場的節奏。可以這么說，在核心的ADC芯片供給率上，國產占有率幾乎為零。 近幾年隨著我國模擬設計技術的不斷提升，國內出現了一些研發高速、高精度ADC和DAC的芯片公司，他們的技術指標已經在不斷接近歐美品牌，產品已經逐步為用戶所廣泛使用！

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