ADC基础及技术比较

shuszhao

这个世界既是模拟的，也常常被我们切割成一个个数字碎片。信号转换过程是个模拟到数字的过程，这促使了模数转换器的问世。本文介绍了模数转换器基本知识并比较了几种不同的ADC技术。
这个世界既是模拟的，也常常被我们切割成一个个数字碎片。随着通信数字化和计算能力的提高，信号被转换成更易传输、在数学上更易计算的数字。信号转换过程是个模拟到数字的过程，这促使了模数转换器（ADC）的问世。
数字信号与时钟频率同步。根据奈奎斯特标准，ADC的采样速率应至少是被数字化的模拟输入信号最高频率的两倍。该频率被称为奈奎斯特采样率。

                               
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图1：ADC采样率。

如图2所示，ADC的量化粒度（granularity）随采样率和分辨率的增加而增多。 y轴是分辨率，实际上是ADC的位数。x轴是采样率。

                               
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图2：ADC精度取决于采样率和分辨率。

位数是以2的幂来定义的。因此，一个8位ADC将有28或256位的分辨率。对于一个简单的3位ADC转换器示例，其分辨率显示在图3的阶梯式类比中，其中y轴显示了三位数的ADC编码，x轴显示了信号电压范围及增量。

                               
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图3：ADC数字编码与输入电压。

刚接触数字信号的人，可以这么看：使用“1”和“0”的二进制只不过是把值为“1”的位看成开关的开，把值为“0”的位看成开关的关。它与源于我们人类双手手指个数的十进制计数系统截然不同。电子电路不容易实现十位开关。因此，焦点集中在更快的开关晶体管并导致追求高频的狂热。
有几个因素在数字化信号时起作用。它们在电压检测电平间产生诸如量化误差之类的误差，其它误差包括信号的非线性。
误差不限于ADC的模拟端。噪声和时钟抖动也影响数字信号。
不同类型的ADC有不同的（误差）源。ADC的基本类型包括：

[li]Flash ADC；
[/li][li]Sigma-delta ADC；
[/li][li]双斜率ADC；
[/li][li]逐次逼近ADC。
[/li]

在选用ADC时一般是基于速度和精度。ADC的位数越多，精度就越高，速度就越慢（因每一位都增加一个时钟周期）。图4对各类ADC的速度和精度进行了比较。

                               
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图4：不同ADC技术比较。

尽管ADC是数字器件，但每种ADC技术的前端都涉及大量模拟技术。另外，可用的通信总线类型有助于选择过程，因为许多串行链路对带宽或位数有限制。同任何产品一样，所需的性能越高、速度越快，复杂性和成本就越高。这导致ADC市场的不断扩大、应用的不断扩展，这与传感器市场类似。与传感器市场同样类似的是，随着技术的发展、功能的提高，ADC也在不断进步。

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