那么Analog如何才能走到Digital？

一、ADC幾個步驟

1、采樣和保持

如果把模擬信號比作無限采樣點的數字信號，那么我們就需要采取其中一些有限點才能進行真正的數字化傳輸。采多少點？怎么采？

奈奎斯特(Nyquist)采樣定理：

簡單來說就是采樣頻率必須大于信號頻率的2倍，fs≥2fn。這樣才能重新恢復信號。如果不，會因為頻譜混疊而無法復原，具體原因自行查找公式推導及分析。如下圖頻譜

保持的意思簡單理解就是讓采樣后的數值保存到下一步轉換。

2、量化和編碼

所謂的量化是把采樣后的N多個點數值按照一定標準和步驟轉化為數字式的0和1，這個過程根據方式的不同可以分為很多種ADC類型，因此具有不同的性能特性，見下文。

二、ADC的幾種架構

1、積分型ADC

顧名思義，積分ADC的基本原理就是利用運放對輸入信號和參考信號進行積分輸出，這里參考信號一般與輸入信號極性相反，這樣輸出電壓就會有上升時間和下降時間，根據計數器來統計時間，最后按照函數關系得到采樣信號的值。

特征簡介：

A：積分時間決定轉換精度，因此犧牲轉換速度可以提升精度，在早期的一些儀表轉換精度要求不高的場合應用，后來的ADC很少采用這種架構了。

B：抗噪聲能力強。對于零點正負的白噪聲，積分時可以消除。

2、逐次比較型SAR

顧名思義是利用比較的方式來轉換輸出數字量，這個用來比較的值由DAC產生，如下圖：初始化DAC的輸出由寄存器設置為1/2Vref，然后由比較器判斷大小來決定輸出1或0，進而進行下一步再次設置寄存器輸出DAC，如此循環到最后一次LSB。依次輸出的0和1即為轉換后的數字量。算法核心就是二分法搜索，類似于猜數字值的游戲。

特征簡介：

A：100K到1M的中等速度，12到16位的中等精度，綜合性能較好，因此是目前應用最多的ADC架構之一。

B：精度主要決定于DAC的轉換精度，因此DAC需要校準，比較器也需要滿足高速和能夠匹配系統的較高精度。

C：功耗可調，由轉換速度決定，因此也限制了高速應用。

D：總之SAR型ADC的內部各組成模塊需要組合設計性能匹配最優。

3、Pipeline流水線型ADC

基本原理如圖，利用多個比較器進行并行處理，很明顯，高速!

特征簡介：

A：很明顯夠快，比較器并行處理。

B：功耗大，面積大，自然是因為比較器多。

C：分辨率不夠，也是因為功耗大，多數小于16位。

D：轉換周期需要不斷校準以保證一定精度。

兩種ADC架構的比較：

4、Σ-Δ型ADC

Sigma-Delta 型ADC也是目前應用相當多的一種ADC架構，尤其是在高位數分辨率的ADC設計上，這種調制型的ADC轉換設計盡可能采用數字電路來處理并結合算法實現更好的性能。核心技術點：過采樣和噪聲整形。

Sigma-Delta調制過采樣：

如圖，sigma-delta的意思是差分求和，我們來顧名思義一下這個過程：

假設第一個積分運放輸出1，則到后面Q輸出也為1，第二個運放輸出則為+V。

+V反饋到第一個運放輸入，驅動積分器向反方向輸出，待采集信號Vi也會驅動積分器輸出，綜合而言如果積分器輸出為0，第二個比較器反饋回來的就是-V，以驅動積分器向輸出。這個環路最后的目的是實現運放的基本特性：反相端應該為0！

這樣整個輸出的1的個數比例對應的電壓值其實就是待測信號的電壓值！能否理解？就是通過對誤差的不斷累積求和得到對應值！Q會輸出一串01值即完成。

過采樣：

上述過程中的觸發器時鐘非常快，遠大于奈奎斯特采樣要求，這樣可以將量化噪聲推到更高頻段內。量化噪聲：數字量化的最小單位存在的誤差被稱為量化噪聲，即1LSB和2LSB之間的誤差值。

噪聲整形：

前一步得到的高速01數字流可以通過數字方式進行處理得到最后的輸出結果。因為在過采樣過程中是以速度換取精度的方式來操作的，高速但是噪聲大，在噪聲整形過程中通過數字濾波器和抽取電路把噪聲消除并降低最終的信號輸出速率，實現高精度的數據轉換結果！

如下圖總結：

幾種ADC架構的簡單比較：

三、ADC的參數

1、分辨率

就是最小能夠分辨的模擬電壓值，例如12位ADC，Vref為3.3V最小分辨率即：Vref/2的12次方=0.8mv。

2、轉換速度

即每秒轉換的數字量，例如100kSPS，也常表示為每個數字量的轉換時間如15us

3、輸出接口

有串行或者并行接口

4、工作電壓，基準電壓（內部或者外部基準），封裝。

、 5、DNL 微分非線性誤差

6、INL積分非線性誤差

這兩種誤差具有一定隨機性，因此ADC會出現誤碼。

7、幾種重要的交流參數

四、ADC的應用

本來想以我非常粗淺的經驗簡單說說ADC應用設計要點，可是還是無法寫出，也許你不喜歡工程師給別人說看情況，但是工作后我越來越發現確實如此，你無法詳盡某一項應用設計的所有點，不同特性配合不同應用的組合在不同運行環境下也是千差萬別。你最好的方式就是掌握一定的基礎再加以充分的思考驗證。

就ADC而言，設計自然從選型開始，什么樣的待測信號，什么樣的速率要求，精度要求等，這些就可以依據前面的知識予以選型指導。這個過程可以避免盲目設計，浪費性能和成本。ADC的精度自然是相對參考電壓而言的，那么基準電壓就要穩，電源要穩，作為時鐘的晶振要穩，PCB設計中地要處理好，高速信號要匹配好，干擾要隔離開，還有軟件上的N多配置選擇要恰當，等等等，見識淺薄，尚不能略窺一二。

五、小結

ADC作為信號處理過程中最重要的環節之一，是模擬和數字之間的橋梁，目前的信號處理朝著更高檢測精度，更快轉換速率發展，在音視頻接口，微弱信號檢測等領域應用深入，而此類芯片的國產化還遠遠滯后，不過前途可期。而對于硬件開發中的應用而言，知其然并知其所以然對于應用的把握水平會有更好的提升，假以時日或許最后可達到武學中的手中無劍，心中無劍，俯拾殘枝即為利刃的境界吧。