1 A/D轉換器概述

模數轉換器（A/D轉換器，ADCs）是數據采集系統 (DAQs) 的組成部分，其功能是捕獲模擬信號并將其轉換為離散數字信號。ADC可將模擬電壓轉換為數字，以供處理器根據需要對這些值執行以下操作：存儲、顯示或進一步分析捕獲的數字信號。

1.3 ADC的類型

有多種硬件實現能夠將輸入電壓轉換為數字表示。不同的ADC實現具有不同的轉換特性，因此應根據具體應用的需求來挑選最適合特定用例的ADC類型。

目前業界主要有五種類型的A/D轉換器：逐次逼近型、ΔΣ型、雙斜率型、流水線型和全并行型ADC。在數據采集系統中，使用逐次逼近型ADC和ΔΣ型ADC會比較合適。RA6T2 A/D轉換器采用混合架構，兼具逐次逼近型和ΔΣ調制型的特性。

以下各節概述了各個ADC類型的主要特性和差異，其中著重介紹了逐次逼近型和ΔΣ調制型ADC。

1.3.1 逐次逼近寄存器 ADC

逐次逼近寄存器 (SAR) 型ADC可在收斂數字輸出之前，對所有可能的量化級別進行二進制搜索，從而將連續的模擬電壓信號轉換為離散的數字表示。首先對輸入模擬信號進行采樣和保持，然后通過將輸入電壓與參考電壓進行比較以逐次逼近數字表示的每個位的值。

基礎SAR型A/D轉換器如下圖所示：

圖1. SAR ADC的電路框圖

1.3.1.1 關鍵特性和局限性

? N位SAR需要N個時鐘周期

? 功耗低，尺寸小

? 采樣率低，分辨率高

? 由于比較器存在限制，分辨率有限

? 電路尺寸會隨著分辨率的增加而增大

1.3.2 ΔΣ調制型ADC

ΔΣ調制 (DSM) 型ADC首先將連續的模擬電壓信號編碼為表示信號變化 (Δ) 的脈沖流。之后，通過將數字輸出傳遞到1位DAC并對產生的模擬信號和輸入信號求和 (Σ)，以提高調制精度。ΔΣ調制型ADC利用濾波技術提高幅值軸分辨率并降低SAR設計中固有的高頻噪聲。

ΔΣ調制型A/D轉換器的設計如下圖所示：

圖2. ΔΣ型ADC的電路框圖

1.3.2.1 關鍵特性和局限性

? 采用過采樣設計，降低了量化噪聲

? 分辨率在所有類型中最高

? 采樣率低于SAR類型

? 對數據進行過采樣需要高時鐘速度

? 每個ADC數據值必須轉換多個樣本（過采樣）才能實現更高的信號質量

? 是高分辨率和低頻應用的理想選擇

1.3.3 其他 ADC

其他類型的常見ADC更適合非DAQ（非數據采集）應用，下面將進行簡要介紹。

(1) 雙斜率型ADC

雙斜率型ADC可提供非常精準的電壓讀數，但由于其采用迭代方法，因此轉換時間較長。通常，這類ADC用于萬用表和其他電壓讀數應用，這些應用需要精確轉換，但不需要及時實現。

(2) 流水線型ADC

顧名思義，流水線型ADC具有采用流水線架構的閃存比較器，可將電壓轉換為數字表示。流水線引入了大約3個時鐘周期的轉換延遲，但這種類型的ADC非常適合具有以下需求的應用：所需的采樣率比SAR和ΔΣ型ADC的采樣率更高，但不需要全并行型ADC所能實現的超高采樣率。典型應用包括數字示波器、頻譜分析器、雷達和軟件無線電等。

(3) 全并行型 ADC

全并行型ADC運行時沒有任何延遲，因此其可以實現的采樣率在所有ADC類型中最高。當將輸入電壓與所有可能的參考電壓進行比較時，即會發生A/D轉換。要獲得N位分辨率，全并行型ADC需要2N個參考電壓，這意味著高分辨率需要功耗更高、尺寸更大的電路。因此，分辨率通常不超過8位。

全并行型ADC適用于需要極快的轉換速度但不需要高分辨率的應用，因此它們用于速度最快的數字示波器、微波測量和光纖等。

1.3.4 噪聲整形逐次逼近寄存器ADC

RA6T2包含兩個噪聲整形SAR (NS-SAR) 型A/D轉換器單元。NS-SAR ADC 是一種新興的混合式A/D架構，兼具SAR型ADC和ΔΣ調制型ADC的特性。

NS-SAR的混合式架構結合了SAR ADC和DSM ADC架構的優點，可同時實現高分辨率和高電源效率，這兩種特性在其他架構中往往需要權衡取舍才能共存。NS-SAR型A/D轉換器同時具備SAR ADC和DSM ADC的特性所帶來的優勢，前者可降低成本、提高能效，后者可提供高信噪比。

RA6T2中A/D轉換器模塊的混合式架構允許外設采用全新轉換方法，從而利用過采樣和噪聲整形技術將分辨率從12位提高到16位。