今天想給大家分析一下ADC的工作原理。

1. 模數(shù)轉(zhuǎn)換

模數(shù)轉(zhuǎn)換充當(dāng)了模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換站，模擬信號(hào)因?yàn)槿菀资艿礁蓴_，信號(hào)處理時(shí)容易受到其他條件的限制，且不易存儲(chǔ)的特點(diǎn)。在實(shí)際處理經(jīng)常換成數(shù)字信號(hào)。在輸出時(shí)，再又轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，典型的應(yīng)用就是D類(lèi)功放。

在ADC信號(hào)鏈中至少包括5個(gè)部分：前端傳感器，信號(hào)調(diào)理，抗混疊濾波，輸入防護(hù)，ADC。在模擬部分ADC是終端，在數(shù)字部分ADC是輸入端，因此ADC是鏈接模擬和數(shù)字信號(hào)的核心模塊。

2. ADC的工作原理

ADC完成了模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換的器件主要包括下面4個(gè)過(guò)程：采樣——保持——量化——編碼。

對(duì)應(yīng)的電路如下所示：

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多類(lèi)型的ADC，如果深入到ADC內(nèi)部的細(xì)節(jié)看，采樣和保持電路基本一樣，但是在量化和編碼方面卻存在非常大的區(qū)別。正式這種區(qū)別 ，才產(chǎn)生了類(lèi)似SAR，pipeline等之類(lèi)不同的ADC架構(gòu)。

2.1采樣定理

模擬信號(hào)隨時(shí)間連續(xù)變化，而數(shù)字信號(hào)是離散的，要得到轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)第一步就是獲取到模擬信號(hào)，即對(duì)模擬信號(hào)采樣。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)無(wú)法做到隨時(shí)間連續(xù)，所以只能間隔一定的時(shí)間對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行取樣。在單位時(shí)間對(duì)模擬信號(hào)采樣次數(shù)，被稱(chēng)為采樣率，單位是Kmps。

根據(jù)香濃定理，為了能將取樣信號(hào)還原成輸入的信號(hào)則必須滿(mǎn)足

其中fs是取樣頻率，fimax是輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，通常采樣頻率3~5倍的。

在采樣的過(guò)程中，通常會(huì)涉及到兩個(gè)定理容易被搞混淆，一個(gè)是香濃采樣定理，另外一個(gè)是奈奎斯特采樣定理。通常也成為奈奎斯特——香濃取樣定理?？梢圆殚喯嚓P(guān)的資料學(xué)習(xí)。

2.2 S/H保持電路

保持電路的核心就是將采樣后的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)信號(hào)要保持不變，能讓后級(jí)的數(shù)字電路完成量化和編碼。通常采用電容作為取樣后的保持器件。原理如下所示：

圖中的電容C即為保持電容。采樣開(kāi)關(guān)和保持電容通常作為一個(gè)整體，成為S/H電路。A1和A2是兩個(gè)運(yùn)放，接成跟隨的形式。這兩個(gè)運(yùn)放在IC里面是真實(shí)存在的，A1是用來(lái)隔離前面的信號(hào)，同時(shí)利用正向輸入電阻無(wú)窮大的特性。A2是用來(lái)隔離后面的信號(hào)，利用輸出阻抗在20~50Ω的特性。兩邊都是運(yùn)放，把S/H電路夾在中間，可以降低噪聲。

根據(jù)前面采樣和保持電路的原理，可以對(duì)前兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真。

假設(shè)現(xiàn)在采樣的速率比較低，手動(dòng)就可以滿(mǎn)足條件，從下面的波形可以看出，紅色是原始波形，藍(lán)色是采樣到的信號(hào)，存在較大的失真，也就是無(wú)法正常還原采樣的信號(hào)。

使用MOS管代替開(kāi)關(guān)后，加入采樣的驅(qū)動(dòng)頻率，仿真的結(jié)果可以看出，紅色波形是輸入信號(hào)，藍(lán)色是采樣后的信號(hào)，基本上能將輸入信號(hào)進(jìn)行還原。

2.3?量化

量化是指將連續(xù)的模擬信號(hào)用有限個(gè)離散的數(shù)字信號(hào)近似化，量化后的模擬信號(hào)被劃分為有限個(gè)且具有相同幅度的階距的集合，如下圖所示。? ? ? ??? ? ?? ? ? ? ??

原始的模擬信號(hào)是連續(xù)無(wú)限的，用來(lái)量化的數(shù)字信號(hào)是離散有限的，那么在量化的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)殡A距的數(shù)量有限，部分模擬信號(hào)會(huì)被同一個(gè)量化后的值代替。從上圖也可以看出，當(dāng)離散后的數(shù)字信號(hào)為某一定值是，此時(shí)的模擬信號(hào)是在連續(xù)變化，因此，被量化的原始信號(hào)和量化后的信號(hào)之間存在差值，這種差值就是量化誤差。

根據(jù)量化誤差的定義可知，假如我們用無(wú)窮多個(gè)離散值來(lái)量化模擬信號(hào)，則每個(gè)階距就是一個(gè)點(diǎn)，那么和原始信號(hào)幾乎就是一樣，沒(méi)有量化誤差，但實(shí)際并不可能存在，所以量化誤差存在的根本原因是量化時(shí)的所使用的分辨率是有限的。

分辯率（Resolution）和精度經(jīng)常被混淆。在初中物理我們學(xué)過(guò)，分辨率是用來(lái)描述刻度劃分，精度是用來(lái)描述準(zhǔn)確度。比如我們有兩個(gè)把直尺，都是10cm，一把直尺上面有100個(gè)小刻度，另外一把直尺上有10個(gè)刻度，那么前者的分辨率是1mm，后者的分辨率是1cm。顯然前者的分辨率要比后者高。在ADC中刻度的劃分使用數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來(lái)表示，比如理想的8位ADC分辨率就不如18位的ADC。

精度表示測(cè)量值和真實(shí)值之間的誤差，或者說(shuō)測(cè)量值偏離真值的幅度。使用兩個(gè)相同分辨率的ADC來(lái)測(cè)量同一個(gè)模擬量，測(cè)出的結(jié)果也不可能完全相同，在不考慮量化誤差的前提下，ADC本身會(huì)由于器件材料和工藝制程的影響，導(dǎo)致測(cè)量值偏離真實(shí)值。為了描述這種精度的大小，較長(zhǎng)使用的是絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度：用電壓分辨率(LSB)的倍數(shù)表示，如 ± 1/1LSB 、± 1LSB 等。相對(duì)精度 ：用絕對(duì)精度除以滿(mǎn)量程值的百分?jǐn)?shù)表示 。

量化編碼的不同導(dǎo)致不同ADC的類(lèi)型。

2.4 編碼

編碼是ADC內(nèi)部轉(zhuǎn)換的最后一個(gè)過(guò)程，將量化后的結(jié)果，用二進(jìn)制或者其他進(jìn)制的形式表示出來(lái)，就是編碼的過(guò)程。經(jīng)過(guò)編碼后，原始的模擬信號(hào)成為了數(shù)字信號(hào)。編碼的本質(zhì)是輸出一串?dāng)?shù)字代碼，這個(gè)代碼會(huì)盡可能的接近當(dāng)前采樣到的模擬值。因此，使用哪種方式進(jìn)行量化，將決定編碼的規(guī)則。

現(xiàn)在有一個(gè)3位的ADC，對(duì)輸入0~1V的電壓進(jìn)行量化編碼，其過(guò)程如下。

3位ADC則可以將輸入信號(hào)進(jìn)行8等階距的量化。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

從量化的過(guò)程可以看出，當(dāng)輸入的電壓在0~1/8V之間的任意一個(gè)模擬值時(shí)，此時(shí)輸出的編碼均是000，在1/8~2/8V之間的任意電壓時(shí)，此時(shí)輸出編碼值均為001。那么這個(gè)量化過(guò)程引入最大的量化誤差為1/8V，也就是量化時(shí)等階距的值，一個(gè)1LSB。隨著分辨率的增加，可以將模擬量量化為多位，因此分辨率增加，量化誤差可以減少。

隨著數(shù)字電路的發(fā)展，ADC其實(shí)大多數(shù)人用的越來(lái)越少，并不是因?yàn)锳DC不用了，而是上游的芯片公司把ADC做到了芯片里面，直接以數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出。但是無(wú)論是分離式的信號(hào)鏈，還是集成在芯片內(nèi)部，ADC的整體框架沒(méi)有變。

審核編輯：湯梓紅