ADC选型经典指南

一ADC的定义

模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，(简称a/d转换器或adc,analog to digital converter)通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。

二 ADC的基本原理

在A/D转换中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散量，所以进行转换时只能按一定的时间间隔对输入的模拟信号进行采样，然后再把采样值转换为输出的数字量。通常A/D转换需要经过采样、保持量化、编码四个步骤。也可将采样、保持合为一步，量化、编码合为一步，共两大步来完成。

(1)采样和保持：

采样，就是对连续变化的模拟信号进行定时测量，抽取其样值。采样结束后，再将此取样信号保持一段时间，使A/D转换器有充分的时间进行A/D转换。采样－保持电路就是完成该任务的。其中，采样脉冲的频率越高，采样越密，采样值就越多，其采样－保持电路的输出信号就越接近于输入信号的波形。因此，对采样频率就有一定的要求，必须满足采样定理即：fs≥2fImax

其中fImax 是输入模拟信号频谱中的最高频率

（2）量化和编码：

所谓量化，就是把采样电压转换为以某个最小单位电压△ 的整数倍的过程。分成的等级称为量化级 ,A 称为量化单位。所谓编码 , 就是用二进制代码来表示量化后的量化电平。

采样后得到的采样值不可能刚好是某个量化基准值 , 总会有一定的误差 , 这个误差称为量化误差。显然 , 量化级越细 , 量化误差就越小 , 但是 , 所用的二进制代码的位数就越多 , 电路也将越复杂。量化方法除了上面所述方法外 , 还有舍尾取整法 , 这里不再赘述。

采样的话时间非常短,起动AD转换后，就把模拟值读进去了。AD转换需要时间，转换完成后有标志位变了，表示转换完成，可不断查询标志位状态，标志位变了转换完成后，就可读取数据。如果CPU忙，可用中断方式，开AD转换中断，得有线路硬件，AD转换完成后自动申请中断，中断读取数据很快。

（3）ADC的基本结构及相关解释

1）其中滤波器决定ADC的采样频率（能够采样多大频率的模拟信号），主要是涉及带宽，根据香浓采样定理和输入信号的频率范围，确定相应的滤波带宽。在Nyquist采样定理中已经提过，要满足采样定理必须要求信号带宽有限，使用大于2倍的最高信号频率采样才能保证信号的不混叠。低通滤波器的一个考虑就是使信号带宽有限，以便于后期的信号采样，这个低通滤波器是硬件实现的。另一方面，实际情况中我们也只会对某个频频段的信号感兴趣，低通滤波器的另一个考虑就是滤波得到感兴趣的信号。比如，测量汽车声音信号，其频率大部分在5KHz以下，我们则可以设置低通滤波器的截止频率在7KHz左右。

程控的实现方法就是使用模拟通道选择芯片（如74VHC4051等）。

2）多路开关主要用于选择是单端输入和差分输入。对多个变化较为缓慢的模拟信号进行A/D 转换时，利用多路模拟开关将各路模拟信号轮流与A/D转换器接通，使一个A/D转换器能完成多个模拟信号的转换。

3）采样保持电路：A/D转换器完成一次转换需要时间，在这段时间内模拟输入信号应保持不变,否则将影响AD转换的精度。

更为详细的描述如下：

将采样频率提高到kfs（k>>2）称为过采样。

（4）量化和编码

三 ADC的分类

1）积分型

积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。

2）逐次比较型

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。

具体工作过程如下，举例说明：

设逐次逼近寄存器SAR 是8位，基准电压，模拟输入电压，转换成二进制数码。工作过程如下：

转换开始之前，先将SAR 清零；

3）并行比较型/串并行比较型

并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。

应用场合：这种ADC的最大优点是具有较快的转换速度，但是，所用的比较器和其他硬件较多，输出数字量位数越多，转换电路将越复杂。因此，这种类型的转换器适用于高速度、低精度要求的场合。

优点：模数转换的速度高

缺点：分辨率不高，功耗大、成本高

4）Σ-Δ(Sigma-delta)调制型（如AD7705）

Σ-Δ型AD又称为过采样转换器，由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。

Σ-Δ型ADC基本原理：

Σ-Δ型ADC包含了1个差分放大器、1个积分器、1个比较器、以及由1位DA（一个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入端接到正或者负参考电压）的构成的反馈环。反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。

Σ-Δ型ADC原理框图

从Σ-Δ型ADC的原理框图可以看出，Σ-Δ型结合了逐次比较型和积分型ADC。

5）压频变换型ADC

6) 流水线型ADC

四名词解释:

(1)ADC采样速率 SPS简介

SPS(sample per sencond，每秒采样次数)，是衡量数模转换（ADC）时采样速率的单位。注意采样速率和转换速率的区别，数模转换是先采样再转换，采样速率小于等于转换速率的采样才是有意义的。即采样时间大于转换时间才是有意义的。类似的单位有KSPS（每秒采样多少千次）、MSPS（每秒采样多少兆次）等。