多種ADC的分析比較 ― 全方位學(xué)習模數轉換器(ADC)

多種ADC的分析比較

A/D轉換技術(shù)

現在的軟件無(wú)線(xiàn)電、數字圖像采集都需要有高速的A/D采樣保證有效性和精度，一般的測控系統也希望在精度上有所突破，人類(lèi)數字化的浪潮推動(dòng)了A/D轉換器不斷變革，而A/D轉換器是人類(lèi)實(shí)現數字化的先鋒。

逐次逼近型、積分型、壓頻變換型等，主要應用于中速或較低速、中等精度的數據采集和智能儀器中。分級型和流水線(xiàn)型ADC主要應用于高速情況下的瞬態(tài)信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數據采集、視頻信號量化及高速數字通訊技術(shù)等領(lǐng)域。此外，采用脈動(dòng)型和折疊型等結構的高速ADC，可應用于廣播衛星中的基帶解調等方面。∑-Δ型ADC主應用于高精度數據采集特別是數字音響系統、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領(lǐng)域。下面對各種類(lèi)型的ADC作簡(jiǎn)要介紹。

1.逐次逼近型ADC

逐次逼近型ADC應用非常廣泛的模/數轉換方法，它包括1個(gè)比較器、1個(gè)數模轉換器、1個(gè)逐次逼近寄存器(SAR)和1個(gè)邏輯控制單元。它是將采樣輸入信號與已知電壓不斷進(jìn)行比較，1個(gè)時(shí)鐘周期完成1位轉換，N位轉換需要N個(gè)時(shí)鐘周期，轉換完成，輸出二進(jìn)制數。這一類(lèi)型ADC的分辨率和采樣速率是相互矛盾的，分辨率低時(shí)采樣速率較高，要提高分辨率，采樣速率就會(huì )受到限制。

優(yōu)點(diǎn)：分辨率低于12位時(shí)，價(jià)格較低，采樣速率可達1MSPS;與其它ADC相比，功耗相當低。

缺點(diǎn)：在高于14位分辨率情況下，價(jià)格較高;傳感器產(chǎn)生的信號在進(jìn)行模/數轉換之前需要進(jìn)行調理，包括增益級和濾波，這樣會(huì )明顯增加成本。

2.積分型ADC

積分型ADC又稱(chēng)為雙斜率或多斜率ADC，它的應用也比較廣泛。它由1個(gè)帶有輸入切換開(kāi)關(guān)的模擬積分器、1個(gè)比較器和1個(gè)計數單元構成，通過(guò)兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。與此同時(shí)，在此時(shí)間間隔內利用計數器對時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計數，從而實(shí)現A/D轉換。

積分型ADC兩次積分的時(shí)間都是利用同一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和計數器來(lái)確定，因此所得到的D表達式與時(shí)鐘頻率無(wú)關(guān)，其轉換精度只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾(如50Hz或60Hz)，適合在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中使用。這類(lèi)ADC主要應用于低速、精密測量等領(lǐng)域，如數字電壓表。

優(yōu)點(diǎn)：分辨率高，可達22位;功耗低、成本低。

缺點(diǎn)：轉換速率低，轉換速率在12位時(shí)為100～300SPS。

3.并行比較A/D轉換器

并行比較ADC主要特點(diǎn)是速度快，它是所有的A/D轉換器中速度最快的，現代發(fā)展的高速ADC大多采用這種結構，采樣速率能達到1GSPS以上。但受到功率和體積的限制，并行比較ADC的分辨率難以做的很高。

這種結構的ADC所有位的轉換同時(shí)完成，其轉換時(shí)間主取決于比較器的開(kāi)關(guān)速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。增加輸出代碼對轉換時(shí)間的影響較小，但隨著(zhù)分辨率的提高，需要高密度的模擬設計以實(shí)現轉換所必需的數量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數字增加一位，精密電阻數量就要增加一倍，比較器也近似增加一倍。

并行比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結果重復的并聯(lián)比較器如果精度不匹配，還會(huì )造成靜態(tài)誤差，如會(huì )使輸入失調電壓增大。同時(shí)，這一類(lèi)型的ADC由于比較器的亞穩壓、編碼氣泡，還會(huì )產(chǎn)生離散的、不精確的輸出，即所謂的“火花碼”。

優(yōu)點(diǎn)：模/數轉換速度最高。

缺點(diǎn)：分辨率不高，功耗大，成本高。

4.壓頻變換型ADC

壓頻變換型ADC是間接型ADC，它先將輸入模擬信號的電壓轉換成頻率與其成正比的脈沖信號，然后在固定的時(shí)間間隔內對此脈沖信號進(jìn)行計數，計數結果即為正比于輸入模擬電壓信號的數字量。從理論上講，這種ADC的分辨率可以無(wú)限增加，只要采用時(shí)間長(cháng)到滿(mǎn)足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數的寬度即可。

優(yōu)點(diǎn)：精度高、價(jià)格較低、功耗較低。

缺點(diǎn)：類(lèi)似于積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位時(shí)為100～300SPS。

5.∑-Δ型ADC

∑-Δ轉換器又稱(chēng)為過(guò)采樣轉換器，它采用增量編碼方式即根據前一量值與后一量值的差值的大小來(lái)進(jìn)行量化編碼。∑-Δ型ADC包括模擬∑-Δ調制器和數字抽取濾波器。∑-Δ調制器主要完成信號抽樣及增量編碼，它給數字抽取濾波器提供增量編碼即∑-Δ碼;數字抽取濾波器完成對∑-Δ碼的抽取濾波，把增量編碼轉換成高分辨率的線(xiàn)性脈沖編碼調制的數字信號。因此抽取濾波器實(shí)際上相當于一個(gè)碼型變換器。

優(yōu)點(diǎn)：分辨率較高，高達24位;轉換速率高，高于積分型和壓頻變換型ADC;價(jià)格低;內部利用高倍頻過(guò)采樣技術(shù)，實(shí)現了數字濾波，降低了對傳感器信號進(jìn)行濾波的要求。

缺點(diǎn)：高速∑-△型ADC的價(jià)格較高;在轉換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。

6.流水線(xiàn)型ADC

流水線(xiàn)結構ADC，又稱(chēng)為子區式ADC，它是一種高效和強大的模數轉換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數轉換，并且具有令人滿(mǎn)意的低功率消耗和很小的芯片尺寸;經(jīng)過(guò)合理的設計，還可以提供優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。

流水線(xiàn)型ADC由若干級級聯(lián)電路組成，每一級包括一個(gè)采樣/保持放大器、一個(gè)低分辨率的ADC和DAC以及一個(gè)求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器?？焖倬_的n位轉換器分成兩段以上的子區(流水線(xiàn))來(lái)完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后先由一個(gè)m位分辨率粗A/D轉換器對輸入進(jìn)行量化，接著(zhù)用一個(gè)至少n位精度的乘積型數模轉換器(MDAC)產(chǎn)生一個(gè)對應于量化結果的模/擬電平并送至求和電路，求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平。并將差值精確放大某一固定增益后關(guān)交下一級電路處理。經(jīng)過(guò)各級這樣的處理后，最后由一個(gè)較高精度的K位細A/D轉換器對殘余信號進(jìn)行轉換。將上述各級粗、細A/D的輸出組合起來(lái)即構成高精度的n位輸出。

優(yōu)點(diǎn)：有良好的線(xiàn)性和低失調;可以同時(shí)對多個(gè)采樣進(jìn)行處理，有較高的信號處理速度，典型的為T(mén)conv100ns;低功率;高精度;高分辨率;可以簡(jiǎn)化電路。

缺點(diǎn)：基準電路和偏置結構過(guò)于復雜;輸入信號需要經(jīng)過(guò)特殊處理，以便穿過(guò)數級電路造成流水延遲;對鎖存定時(shí)的要求嚴格;對電路工藝要求很高，電路板上設計得不合理會(huì )影響增益的線(xiàn)性、失調及其它參數。

目前，這種新型的ADC結構主要應用于對THD和SFDR及其它頻域特性要求較高的通訊系統，對噪聲、帶寬和瞬態(tài)相應速度等時(shí)域特性要求較高的CCD成像系統，對時(shí)域和頻域參數都要求較高的數據采集系統。

確定A/D轉換器件在確定設計方案后，首先需要明確A/D轉換的需要的指標要求，包括數據精度、采樣速率、信號范圍等等。

1.確定A/D轉換器的位數在選擇A/D器件之前，需要明確設計所要達到的精度。精度是反映轉換器的實(shí)際輸出接近理想輸出的精確程度的物理量。在轉化過(guò)程中，由于存在量化誤差和系統誤差，精度會(huì )有所損失。其中量化誤差對于精度的影響是可計算的，它主要決定于A(yíng)/D轉換器件的位數。A/D轉換器件的位數可以用分辨率來(lái)表示。一般把8位以下的A/D轉換器稱(chēng)為低分辨率ADC，9~12位稱(chēng)為中分辨率ADC，13位以上為高分辨率。A/D器件的位數越高，分辨率越高，量化誤差越小，能達到的精度越高。理論上可以通過(guò)增加A/D器件的位數，無(wú)止境提高系統的精度。但事實(shí)并非如此，由于A(yíng)/D前端的電路也會(huì )有誤差，它也同樣制約著(zhù)系統的精度。

比如，用A/D采集傳感器提供的信號，傳感器的精度會(huì )制約A/D采樣的精度，經(jīng)A/D采集后信號的精度不可能超過(guò)傳感器輸出信號的精度。設計時(shí)應當綜合考慮系統需要的精度以及前端信號的精度。

2.選擇A/D轉換器的轉換速率在不同的應用場(chǎng)合，對轉換速率的要求是不同的，在相同的場(chǎng)合，精度要求不同，采樣速率也會(huì )不同。采樣速率主要由采樣定理決定。確定了應用場(chǎng)合，就可以根據采集信號對象的特性，利用采樣定理計算采樣速率。如果采用數字濾波技術(shù)，還必須進(jìn)行過(guò)采樣，提高采樣速率。

3.判斷是否需要采樣/保持器采樣/保持器主要用于穩定信號量，實(shí)現平頂抽樣。對于高頻信號的采集，采樣/保持器是非常必要的。如果采集直流或者低頻信號，可以不需要采樣保持器。

4.選擇合適的量程模擬信號的動(dòng)態(tài)范圍較大，有時(shí)還有可能出現負電壓。在選擇時(shí)，待測信號的動(dòng)態(tài)范圍最好在A(yíng)/D器件的量程范圍內。以減少額外的硬件付出。

5.選擇合適的線(xiàn)形度在A(yíng)/D采集過(guò)程中，線(xiàn)形度越高越好。但是線(xiàn)形度越高，器件的價(jià)格也越高。當然，也可以通過(guò)軟件補償來(lái)減少非線(xiàn)性的影響。所以在設計時(shí)要綜合考慮精度、價(jià)格、軟件實(shí)現難度等因素。