ADC基础及不同ADC技术的比较分析

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。

ADC采样率
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。
ADC精度取决于采样率和分辨率
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。
ADC数字编码与输入电压
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:
  1. Flash ADC
     
  2. Sigma-delta ADC
     
  3. 双斜率ADC
     
  4. 逐次逼近ADC
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。
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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