【導(dǎo)讀】ADC 是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)稱，諸多廠家都在積極制造更高性能的 ADC。在前文中，小編對(duì)如何提高 ADC 性能給出了部分建議。為增進(jìn)大家對(duì) ADC 的認(rèn)識(shí)，本文將從兩方面介紹 ADC：1.ADC 輸入噪聲有何利弊?2. 什么是高精度 ADC。
ADC 是數(shù)模轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)稱，諸多廠家都在積極制造更高性能的 ADC。在前文中，小編對(duì)如何提高 ADC 性能給出了部分建議。為增進(jìn)大家對(duì) ADC 的認(rèn)識(shí)，本文將從兩方面介紹 ADC：1.ADC 輸入噪聲有何利弊?2. 什么是高精度 ADC。
一、ADC 輸入噪聲利弊分析
多數(shù)情況下，輸入噪聲越低越好，但在某些情況下，輸入噪聲實(shí)際上有助于實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。這似乎毫無(wú)道理，不過(guò)繼續(xù)閱讀本指南，就會(huì)明白為什么有些噪聲是好的噪聲。
折合到輸入端噪聲(代碼躍遷噪聲)
實(shí)際的 ADC 在許多方面與理想的 ADC 有偏差。折合到輸入端的噪聲肯定不是理想情況下會(huì)出現(xiàn)的，它對(duì) ADC 整體傳遞函數(shù)的影響如圖 1 所示。隨著模擬輸入電壓提高，"理想"ADC(如圖 1A 所示)保持恒定的輸出代碼，直至達(dá)到躍遷區(qū)，此時(shí)輸出代碼即刻跳變?yōu)橄乱粋€(gè)值，并且保持該值，直至達(dá)到下一個(gè)躍遷區(qū)。理論上，理想 ADC 的"代碼躍遷"噪聲為 0,躍遷區(qū)寬度也等于 0. 實(shí)際的 ADC 具有一定量的代碼躍遷噪聲，因此躍遷區(qū)寬度取決于折合到輸入端噪聲的量(如圖 1B 所示)。圖 1B 顯示的情況是代碼躍遷噪聲的寬度約為 1 個(gè) LSB(最低有效位)峰峰值。
圖 1:代碼躍遷噪聲(折合到輸入端噪聲)及其對(duì) ADC 傳遞函數(shù)的影響
由于電阻噪聲和"kT/C"噪聲，所有 ADC 內(nèi)部電路都會(huì)產(chǎn)生一定量的均方根(RMS)噪聲。即使是直流輸入信號(hào)，此噪聲也存在，它是代碼躍遷噪聲存在的原因。如今通常把代碼躍遷噪聲稱為"折合到輸入端噪聲",而不是直接使用"代碼躍遷噪聲"這一說(shuō)法。折合到輸入端噪聲通常用 ADC 輸入為直流值時(shí)的若干輸出樣本的直方圖來(lái)表征。大多數(shù)高速或高分辨率 ADC 的輸出為一系列以直流輸入標(biāo)稱值為中心的代碼(見(jiàn)圖 2)。為了測(cè)量其值，ADC 的輸入端接地或連接到一個(gè)深度去耦的電壓源，然后采集大量輸出樣本并將其表示為直方圖(有時(shí)也稱為"接地輸入"直方圖)。由于噪聲大致呈高斯分布，因此可以計(jì)算直方圖的標(biāo)準(zhǔn)差σ,它對(duì)應(yīng)于有效輸入均方根噪聲。參考文獻(xiàn) 1 詳細(xì)說(shuō)明了如何根據(jù)直方圖數(shù)據(jù)計(jì)算σ值。該均方根噪聲雖然可以表示為以 ADC 滿量程輸入范圍為基準(zhǔn)的均方根電壓，但慣例是用 LSB rms 來(lái)表示。
圖 2:折合到輸入端噪聲對(duì) ADC"接地輸入端"直方圖的影響(ADC 具有少量 DNL)
雖然 ADC 固有的微分非線性(DNL)可能會(huì)導(dǎo)致其噪聲分布與理想的高斯分布有細(xì)微的偏差(圖 2 示例中顯示了部分 DNL)，但它至少大致呈高斯分布。如果 DNL 比較大，則應(yīng)計(jì)算多個(gè)不同直流輸入電壓的值，然后求平均值。例如，如果代碼分布具有較大且獨(dú)特的峰值和谷值，則表明 ADC 設(shè)計(jì)不佳，或者更有可能的是 PCB 布局布線錯(cuò)誤、接地不良、電源去耦不當(dāng)(見(jiàn)圖 3)。當(dāng)直流輸入掃過(guò) ADC 輸入電壓范圍時(shí)，如果分布寬度急劇變化，這也表明存在問(wèn)題。
圖 3:設(shè)計(jì)不佳的 ADC 和 / 或布局布線、接地、去耦不當(dāng)?shù)慕拥剌斎攵酥狈綀D
二、高精度 ADC
目前，世界上有多種類型的 ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次通近型、積分型、壓頻變換型等，也有近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的∑-△型和流水線型 ADC，多種類型的 ADC 各有其優(yōu)缺點(diǎn)并能滿足不同的具體應(yīng)用要求。精度的要求是 ADC 的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
基本原理：
A/D 轉(zhuǎn)換器作為聯(lián)系模擬領(lǐng)域到數(shù)字領(lǐng)域的紐帶是十分重要的器件，己發(fā)展成多種系列，每一種均有其適用范圍。總之 A/D 轉(zhuǎn)換器是用途很廣，發(fā)展十分迅速的器件，它在工業(yè)、國(guó)防、通訊、高科技等領(lǐng)域起著重要的作用。傳統(tǒng)方式的 ADC，例如逐次通近型、積分型、壓頻變換型等，主要應(yīng)用于中速或較低速、中等精度的數(shù)據(jù)采集和智能儀器中。在全并行基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的分級(jí)型和流水線型人 D(主要應(yīng)用于高速情況下的瞬態(tài)信號(hào)處理、快速波形存儲(chǔ)與記錄、高速數(shù)據(jù)采集、視頻信號(hào)量化及高速數(shù)字通訊技術(shù)等領(lǐng)域。此外，采用脈動(dòng)型和折疊型等結(jié)構(gòu)的高速 ADC，可應(yīng)用于廣播衛(wèi)星中的基帶解調(diào)等方面。這些高速 ADC 今后的發(fā)展方向是在現(xiàn)有高速基礎(chǔ)上盡可能提高其分辨率，以滿足兼顧高速、高精度的發(fā)展方向。20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)獲得很大發(fā)展的∑-△型 ADC 利用高抽樣率和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，將抽樣，量化、數(shù)字信號(hào)處理融為了一體，從而獲得了高精度的 ADC，目前可達(dá) 24 位，主要應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集特別是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地簇勘探儀器、聲納等電子測(cè)量領(lǐng)域。
下表是對(duì)現(xiàn)有的幾種主要 ADC 類型作一簡(jiǎn)要總結(jié)。無(wú)論采用何種電路結(jié)構(gòu)，若要提高轉(zhuǎn)換速度。就要以較低的分辨宰和較大的功耗來(lái)作為代價(jià):而要獲得較高的分辨率，則要犧牲轉(zhuǎn)換速度和功耗;為了降低功耗，卻又得不到較高的速度和分辨率。因此在系統(tǒng)應(yīng)用中，必須根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇適當(dāng)電路結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)的 ADC。
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