ADC轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)

下面簡(jiǎn)要介紹常用的幾種基本原理及特點(diǎn)：積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、Σ-Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。

 

（1）積分型

積分型AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度信號(hào)）或頻率（脈沖頻率），然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡(jiǎn)單電路就能獲得高分辨率，抗干擾能力強(qiáng)（為何抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閷?duì)于零點(diǎn)正負(fù)的白噪聲，可以通過(guò)積分將其濾掉。），但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴(lài)于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。

 

（2）逐次比較型SAR

 

逐次比較型AD由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過(guò)逐次比較邏輯構(gòu)成。從MSB開(kāi)始，按順序?qū)γ恳晃粚⑤斎腚妷号c內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等，其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辯率（12位）時(shí)價(jià)格很高。

 

（3）并行比較型/串并行比較型

并行比較型AD采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱(chēng)快速型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。

 

串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個(gè)n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱(chēng)為半快速型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級(jí)（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱(chēng)為流水線（Pipelined）型AD，現(xiàn)代的分級(jí)型AD中還加入了對(duì)多次轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類(lèi)AD的速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。

 

（4）Σ-Δ調(diào)制型（如AD7705）

Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度）信號(hào)，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測(cè)量。

 

（5）電容陣列逐次比較型

電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱(chēng)為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，但在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，就可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。

 

（6）壓頻變換型（如AD650）

壓頻變換型轉(zhuǎn)換器（Voltage-Frequency Converter）是通過(guò)間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無(wú)限增加，只要采樣的時(shí)間能夠滿(mǎn)足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。

 

AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

 

（1）分辯率（Resolution）

指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量，定義為滿(mǎn)刻度與2^n的比值。通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來(lái)表示。

 

（2）轉(zhuǎn)換速率（Conversion Rate）

是指完成一次從模擬到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí)，屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級(jí)，屬中速AD，而全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級(jí)。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率（Sample Rate）必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣于讓轉(zhuǎn)換速率的數(shù)值等同于采樣速率，這也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬(wàn)次（kilo/Million Samples per Second）。

 

（3）量化誤差（Quantizing Error）

由于AD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無(wú)限分辯率AD（理想AD）的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個(gè)或半個(gè)最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。

 

（4）偏移誤差（Offset Error）

輸入信號(hào)為零時(shí)輸出信號(hào)不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。

 

（5）滿(mǎn)刻度誤差（Full Scale Error）

滿(mǎn)刻度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差。

 

（6）線性度（Linearity）

實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。在說(shuō)精度之前，首先要說(shuō)分辨率。最近已經(jīng)有貼子專(zhuān)門(mén)討論了這個(gè)問(wèn)題，結(jié)論是分辨率決不等同于精度。比如一塊精度0.2%（或常說(shuō)的準(zhǔn)確度0.2級(jí)）的四位半萬(wàn)用表，測(cè)得A點(diǎn)電壓1.0000V，B點(diǎn)電壓1.0005V，可以分辨出B比A高0.0005V，但A點(diǎn)電壓的真實(shí)值可能在0.9980~1.0020之間不確定。