作者：Art Pini，Digi-Key 北美編輯

我們處在一個(gè)由數(shù)字計(jì)算機(jī)控制的模擬世界里。因此，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備的設(shè)計(jì)人員需要將模擬值高效地轉(zhuǎn)換為采樣數(shù)字表示。答案看似簡(jiǎn)單，使用一個(gè)前置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 便能解決問(wèn)題，然后 ADC 并非千篇一律。因此，設(shè)計(jì)人員需要了解各種拓?fù)洌约八鼈兣c應(yīng)用的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

例如，ADC 可能設(shè)計(jì)用來(lái)優(yōu)化采樣率、功耗和精度等不同特征。本文將會(huì)討論一些常見(jiàn) ADC 架構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，然后介紹采用這些架構(gòu)的應(yīng)用，并展示其實(shí)現(xiàn)方法。

ADC 的作用
ADC 是一種常用的電子集成電路或模塊化器件，用于將模擬信號(hào)（通常為電壓）轉(zhuǎn)換為一系列經(jīng)采樣的離散數(shù)字表示（即數(shù)字）。ADC 執(zhí)行三種不同操作：采樣、量化和編碼。它們構(gòu)成了電壓計(jì)、示波器和頻譜分析儀等許多常見(jiàn)數(shù)字儀器的核心。它們還應(yīng)用于數(shù)字電路的前端，用于處理麥克風(fēng)、加速計(jì)、光學(xué)傳感器和其他需要將輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字域的變送器所提供的模擬信號(hào)，從而讓微處理器能夠處理這些數(shù)據(jù)。

目前人們已開(kāi)發(fā)出多種 ADC 架構(gòu)或拓?fù)鋪?lái)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化。每種形式的 ADC 都有自己的特性、優(yōu)勢(shì)和不足之處。針對(duì)具體應(yīng)用選擇特定類型的 ADC，往往取決于速度、分辨率、精度、功耗和物理尺寸等測(cè)量要求。

ADC 的關(guān)鍵特征
ADC 必須執(zhí)行的第一項(xiàng)操作是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。采樣操作由采樣和保持電路或跟蹤和保持電路執(zhí)行。采樣操作或奈奎斯特定理要求，采樣率必須高于信號(hào)帶寬的兩倍，才能從數(shù)字化樣本重建模擬信號(hào)。因此，ADC 的第一個(gè)重要特征就是采樣率，它決定了可以進(jìn)行數(shù)字化的最大信號(hào)頻率分量。

ADC 必須對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行量化，將采樣的電壓分解為有限數(shù)量的離散幅度電平。此特征通常描述為分辨率位數(shù)。例如，如果將信號(hào)分解為 8 位，則意味著存在 2⁸ 即 256 個(gè)離散電平。16 位 ADC 會(huì)將電壓范圍劃分為 65,536 個(gè)量化電平。

分辨率和最大采樣率均取決于 ADC 硬件。一般而言，ADC 的分辨率越高，最大采樣率越受限制。

ADC 的精度同時(shí)取決于分辨率和采樣率。分辨率會(huì)影響幅值精度和準(zhǔn)確性。其他影響幅值精度的因素還包括量化過(guò)程的線性度和垂直噪聲的影響。采樣率決定了定時(shí)精度和準(zhǔn)確性。

物理尺寸和功耗是另外兩個(gè)依賴電路拓?fù)涞膶傩浴Ｋ鼈儗?duì)于一些具有尺寸或可用功率限制的應(yīng)用，例如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或電池供電的便攜式儀器而言，是非常重要的考慮因素。物理尺寸和功耗高度依賴 ADC 拓?fù)洹?/p>

閃速、直接或并行？
在概念上，最簡(jiǎn)單的數(shù)字化儀莫過(guò)于閃速 ADC。閃速 ADC 也稱為直接或并行 ADC（圖 1）。

閃速 ADC 的輸入通常源自采樣和保持或跟蹤和保持電路，模擬輸入在此電路中采樣并在轉(zhuǎn)換期內(nèi)保持恒定。經(jīng)采樣的信號(hào)被應(yīng)用于一系列模擬比較器，這些比較器的閾值電壓在 ADC 輸入電壓范圍內(nèi)均勻間隔，間隔值等于一個(gè)最低有效位 (LSB)。每個(gè)比較器的輸出會(huì)在輸入電壓超過(guò)分壓器為該比較器設(shè)定的閾值時(shí)改變狀態(tài)。圖中的示例顯示了一個(gè) 3 位 ADC，它需要 7 個(gè)比較器來(lái)生成 8 個(gè)可能的狀態(tài)。

一般情況下，一個(gè) N 位閃速轉(zhuǎn)換器需要 (2N-1) 個(gè)比較器。比較器所產(chǎn)生的就是所謂的“溫度計(jì)碼”。輸入電壓越高，自底而上達(dá)到“1”狀態(tài)的比較器數(shù)量就越多。此代碼將應(yīng)用于一個(gè)優(yōu)先編碼器，并由該編碼器將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼。

閃速轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)勢(shì)是速度。轉(zhuǎn)換時(shí)間僅包括比較器和解碼器的延遲。商用閃速轉(zhuǎn)換器的最大采樣率可達(dá)每秒 5 千兆次采樣 (GS/s)。閃速轉(zhuǎn)換器分辨率的限制因素就是所需要的比較器數(shù)量。8 位閃速 ADC 需要 255 個(gè)比較器。

分辨率每增加一位，該數(shù)量就會(huì)增加一倍。這意味著 ADC 的物理尺寸會(huì)隨分辨率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。此外還會(huì)造成另一項(xiàng)限制，即閃速轉(zhuǎn)換器所需的功率。這會(huì)限制它在線路供電型應(yīng)用中的使用。閃速分辨率的實(shí)際限制約為 8 位。

二進(jìn)制編碼
ADC 的二進(jìn)制輸出可采用多種方式進(jìn)行編碼。如果所轉(zhuǎn)換的信號(hào)為單極信號(hào)，則通常將其編碼為單極標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼。此代碼將零值表示為全零 (0000…)，將最大輸入值表示為全一 (1111…)。

如果信號(hào)為雙極信號(hào)，則通常表示為偏移二進(jìn)制或二的補(bǔ)碼二進(jìn)制。表 1 詳細(xì)說(shuō)明了一個(gè) 4 位示例。

二的補(bǔ)碼二進(jìn)制編碼是大多數(shù)基于微處理器或數(shù)學(xué)處理器的系統(tǒng)所用的編碼類型，因?yàn)榇司幋a有利于數(shù)學(xué)運(yùn)算。

流水線、分段式和兩步式 ADC
可通過(guò)將轉(zhuǎn)換操作分解為兩步或更多步并在每一級(jí)轉(zhuǎn)換較少的位數(shù)，來(lái)減少閃速轉(zhuǎn)換器中的比較器數(shù)量。如果將閃速 ADC 拆分為兩個(gè)部分，則稱其為兩步式或分段式 ADC。如果將其拆分為兩個(gè)以上的部分，則稱其為流水線 ADC。兩步式 ADC 仍能以每秒幾百兆次采樣 (MS/s) 的速率進(jìn)行采樣（圖 2）。

此兩步式轉(zhuǎn)換器將需要 15 個(gè)比較器的 4 位轉(zhuǎn)換器分解為兩個(gè) 2 位的分段。每個(gè)分段使用三個(gè)比較器，共計(jì)六個(gè)比較器。該轉(zhuǎn)換器的工作原理是先轉(zhuǎn)換兩個(gè)最高有效位 (MSB)。第一個(gè)分段的數(shù)字輸出包含一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，用于將信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬值，并從輸入信號(hào)中將其扣除。

所得的差值會(huì)被放大，并用于轉(zhuǎn)換兩個(gè) LSB。然后在輸出鎖存器中捕獲組合結(jié)果。該轉(zhuǎn)換過(guò)程將會(huì)重復(fù)兩次，因此最大采樣率將會(huì)低于閃速轉(zhuǎn)換器的采樣率。例如，Analog Devices AD9203ARUZRL7 便是一個(gè) 10 位、40 MS/s 流水線 ADC，可用于解決高速模數(shù)轉(zhuǎn)換存在的問(wèn)題。

逐次逼近寄存器 (SAR) ADC
當(dāng)應(yīng)用需要更高的分辨率，同時(shí)不需要閃速或流水線 ADC 那么快的速度時(shí)，逐次逼近寄存器 (SAR) 轉(zhuǎn)換器不失為一種不錯(cuò)的選擇（圖 3）。SAR ADC 的分辨率為 12 到 16 位，采樣率高達(dá) 1 到 2 MS/s。

與閃速 ADC 一樣，SAR ADC 使用前置采樣和保持或跟蹤和保持電路，在轉(zhuǎn)換過(guò)程期間維持樣本值。源自采樣和保持電路的信號(hào)將施加到比較器上。逐次逼近寄存器從量程中段開(kāi)始，使用 DAC 將該值轉(zhuǎn)換為模擬電壓。

此“猜測(cè)”電壓將與比較器的信號(hào)輸入進(jìn)行比較。如果比較器輸出保持低電平，則將寄存器值遞增四分之一量程。基本上，寄存器值按照兩個(gè)步長(zhǎng)因子降低或升高，直至比較器指示 DAC 轉(zhuǎn)換的寄存器內(nèi)容等于輸入信號(hào)電壓。這時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)發(fā)出“轉(zhuǎn)換完成”的信號(hào)，并將數(shù)字值鎖存到輸出鎖存器中。

此轉(zhuǎn)換時(shí)間與 ADC 分辨率成正比，而分辨率取決于寄存器的長(zhǎng)度。SAR ADC 以中低功率要求實(shí)現(xiàn)了良好的分辨率。例如，Maxim Integrated 的 MAX11665AUT-T 便是一款低成本、低功耗的 SAR ADC。作為一款每秒 500 千次采樣 (kS/s) 的 12 位 SAR ADC，它非常適合對(duì)傳感器輸出進(jìn)行數(shù)字化。

雙斜率積分 ADC
積分 ADC 具有高分辨率，同時(shí)可最大限度降低噪聲影響。雙斜率 ADC 是最常見(jiàn)的積分 ADC（圖 4）。

一開(kāi)始，輸入連接到積分器。輸入信號(hào)對(duì)電容器 C 進(jìn)行固定時(shí)間充電。充電時(shí)間結(jié)束后，積分器被連接到基準(zhǔn)電壓。這會(huì)將電容器放電到比較器所確定的零值。同時(shí)有一個(gè)計(jì)數(shù)器會(huì)測(cè)量電容器放電所用的時(shí)間。該時(shí)間與充電周期內(nèi)施加于電容器的輸入電壓成正比。借助已知的充電時(shí)間與測(cè)量的放電時(shí)間之間的簡(jiǎn)單關(guān)系，即可計(jì)算出輸入電壓。

由于信號(hào)輸入被應(yīng)用于積分器，因此積分器的均化效應(yīng)會(huì)將任何噪聲信號(hào)的影響降至最低。雙斜率轉(zhuǎn)換器是需要高精度的高分辨率應(yīng)用的理想選擇。常見(jiàn)的分辨率為 12 到 16 位，最大采樣率可達(dá) 100 KS/s。

雙斜率 ADC 最廣為人知的應(yīng)用是數(shù)字電壓計(jì)（DVM 或 DMM）。Maxim Integrated 的 ICL7109CPL+ 型 12 位三態(tài)輸出 ADC 便是一種雙斜率轉(zhuǎn)換器，適用于以高達(dá)每秒 30 次的速率測(cè)量壓力、速度或流量等模擬信號(hào)。

三角積分 ADC：低頻率、高分辨率
三角積分 ADC 可針對(duì)低頻信號(hào)提供最高的分辨率（16 到 24 位）。與雙斜率 ADC 一樣，它是另一種類型的積分?jǐn)?shù)字化儀（圖 5）。輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)加法器施加到積分器。積分器的輸出隨即施加于一個(gè)閂鎖比較器，并在其中與零電壓（接地）信號(hào)進(jìn)行比較。如果積分輸出不為零，則會(huì)反饋比較器輸出，從而使積分器輸出更接近零。以轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘速率重復(fù)此過(guò)程，直至積分器輸出達(dá)到零。比較器輸出構(gòu)成一個(gè)串行數(shù)據(jù)流，即轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出。

三角積分 ADC 的采樣速率遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)采樣率要求的速率。

請(qǐng)注意，圖中的轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘速率快于輸出樣本的時(shí)鐘速率（比例因子為 K）。此“過(guò)采樣”提供的額外樣本將被用于對(duì)轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行數(shù)字濾波。使用抽取器將輸出采樣率恢復(fù)至指定的樣本時(shí)鐘速率。

Analog Devices 的 AD7734BRUZ 型 ADC 是一款 24 位、4 通道三角積分?jǐn)?shù)字化儀，適用于各種工藝和工業(yè)控制應(yīng)用。

表 2 概括了所討論的五種 ADC 類型的分辨率和最大采樣率。

拓?fù)溥x擇示例
以一個(gè)應(yīng)用為例：該應(yīng)用對(duì)一個(gè)使用 40 kHz 變送器的便攜式超聲測(cè)距儀的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。目標(biāo)反射為發(fā)射脈沖幅度的 -40 dB (1/100)。

必須以至少兩倍于 40 kHz 信號(hào)頻率的速率進(jìn)行信號(hào)采樣。最好以 40 kHz 的四倍或更高倍數(shù)進(jìn)行采樣，因此目標(biāo)采樣率范圍為 160 kHz 或更高。而且，最好設(shè)置不低于預(yù)期值 40 dBm 10 倍的分辨率，即 60 dB。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，每 6 dB 需要 1 位分辨率，因此需要 10 位以上分辨率的 ADC。 此外，作為便攜式儀器，還需要考慮功耗問(wèn)題。參考表 2，逐次逼近轉(zhuǎn)換器成為最佳選擇。前面提到的 SAR ADC 示例器件 Maxim Integrated MAX11665AUT-T 便非常適合這一應(yīng)用。

總結(jié)
由于無(wú)法同時(shí)兼顧最大采樣率和分辨率，因此 ADC 的選擇主要在于這兩項(xiàng)特征的權(quán)衡。根據(jù)具體應(yīng)用，物理尺寸和功耗等其他考慮因素也可能起著重要作用，在選擇過(guò)程中應(yīng)給予應(yīng)有的重視。

編輯：hfy