那么Analog如何才能走到Digital？

一、ADC幾個(gè)步驟

1、采樣和保持

如果把模擬信號(hào)比作無(wú)限采樣點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)，那么我們就需要采取其中一些有限點(diǎn)才能進(jìn)行真正的數(shù)字化傳輸。采多少點(diǎn)？怎么采？

奈奎斯特(Nyquist)采樣定理：

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是采樣頻率必須大于信號(hào)頻率的2倍，fs≥2fn。這樣才能重新恢復(fù)信號(hào)。如果不，會(huì)因?yàn)轭l譜混疊而無(wú)法復(fù)原，具體原因自行查找公式推導(dǎo)及分析。如下圖頻譜

保持的意思簡(jiǎn)單理解就是讓采樣后的數(shù)值保存到下一步轉(zhuǎn)換。

2、量化和編碼

所謂的量化是把采樣后的N多個(gè)點(diǎn)數(shù)值按照一定標(biāo)準(zhǔn)和步驟轉(zhuǎn)化為數(shù)字式的0和1，這個(gè)過(guò)程根據(jù)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(jiàn)下文。

二、ADC的幾種架構(gòu)

1、積分型ADC

顧名思義，積分ADC的基本原理就是利用運(yùn)放對(duì)輸入信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行積分輸出，這里參考信號(hào)一般與輸入信號(hào)極性相反，這樣輸出電壓就會(huì)有上升時(shí)間和下降時(shí)間，根據(jù)計(jì)數(shù)器來(lái)統(tǒng)計(jì)時(shí)間，最后按照函數(shù)關(guān)系得到采樣信號(hào)的值。

特征簡(jiǎn)介：

A：積分時(shí)間決定轉(zhuǎn)換精度，因此犧牲轉(zhuǎn)換速度可以提升精度，在早期的一些儀表轉(zhuǎn)換精度要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用，后來(lái)的ADC很少采用這種架構(gòu)了。

B：抗噪聲能力強(qiáng)。對(duì)于零點(diǎn)正負(fù)的白噪聲，積分時(shí)可以消除。

2、逐次比較型SAR

顧名思義是利用比較的方式來(lái)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字量，這個(gè)用來(lái)比較的值由DAC產(chǎn)生，如下圖：初始化DAC的輸出由寄存器設(shè)置為1/2Vref，然后由比較器判斷大小來(lái)決定輸出1或0，進(jìn)而進(jìn)行下一步再次設(shè)置寄存器輸出DAC，如此循環(huán)到最后一次LSB。依次輸出的0和1即為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。算法核心就是二分法搜索，類似于猜數(shù)字值的游戲。

特征簡(jiǎn)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(yīng)用最多的ADC架構(gòu)之一。

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

C：功耗可調(diào)，由轉(zhuǎn)換速度決定，因此也限制了高速應(yīng)用。

D：總之SAR型ADC的內(nèi)部各組成模塊需要組合設(shè)計(jì)性能匹配最優(yōu)。

3、Pipeline流水線型ADC

基本原理如圖，利用多個(gè)比較器進(jìn)行并行處理，很明顯，高速!

特征簡(jiǎn)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?yàn)楸容^器多。

C：分辨率不夠，也是因?yàn)楣拇螅鄶?shù)小于16位。

D：轉(zhuǎn)換周期需要不斷校準(zhǔn)以保證一定精度。

兩種ADC架構(gòu)的比較：

4、Σ-Δ型ADC

Sigma-Delta 型ADC也是目前應(yīng)用相當(dāng)多的一種ADC架構(gòu)，尤其是在高位數(shù)分辨率的ADC設(shè)計(jì)上，這種調(diào)制型的ADC轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)盡可能采用數(shù)字電路來(lái)處理并結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)更好的性能。核心技術(shù)點(diǎn)：過(guò)采樣和噪聲整形。

Sigma-Delta調(diào)制過(guò)采樣：

如圖，sigma-delta的意思是差分求和，我們來(lái)顧名思義一下這個(gè)過(guò)程：

假設(shè)第一個(gè)積分運(yùn)放輸出1，則到后面Q輸出也為1，第二個(gè)運(yùn)放輸出則為+V。

+V反饋到第一個(gè)運(yùn)放輸入，驅(qū)動(dòng)積分器向反方向輸出，待采集信號(hào)Vi也會(huì)驅(qū)動(dòng)積分器輸出，綜合而言如果積分器輸出為0，第二個(gè)比較器反饋回來(lái)的就是-V，以驅(qū)動(dòng)積分器向輸出。這個(gè)環(huán)路最后的目的是實(shí)現(xiàn)運(yùn)放的基本特性：反相端應(yīng)該為0！

這樣整個(gè)輸出的1的個(gè)數(shù)比例對(duì)應(yīng)的電壓值其實(shí)就是待測(cè)信號(hào)的電壓值！能否理解？就是通過(guò)對(duì)誤差的不斷累積求和得到對(duì)應(yīng)值！Q會(huì)輸出一串01值即完成。

過(guò)采樣：

上述過(guò)程中的觸發(fā)器時(shí)鐘非?？?，遠(yuǎn)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(nèi)。量化噪聲：數(shù)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(shù)字流可以通過(guò)數(shù)字方式進(jìn)行處理得到最后的輸出結(jié)果。因?yàn)樵谶^(guò)采樣過(guò)程中是以速度換取精度的方式來(lái)操作的，高速但是噪聲大，在噪聲整形過(guò)程中通過(guò)數(shù)字濾波器和抽取電路把噪聲消除并降低最終的信號(hào)輸出速率，實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果！

如下圖總結(jié)：

幾種ADC架構(gòu)的簡(jiǎn)單比較：

三、ADC的參數(shù)

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(zhuǎn)換速度

即每秒轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，例如100kSPS，也常表示為每個(gè)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換時(shí)間如15us

3、輸出接口

有串行或者并行接口

4、工作電壓，基準(zhǔn)電壓（內(nèi)部或者外部基準(zhǔn)），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(jī)性，因此ADC會(huì)出現(xiàn)誤碼。

7、幾種重要的交流參數(shù)

四、ADC的應(yīng)用

本來(lái)想以我非常粗淺的經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)ADC應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，可是還是無(wú)法寫出，也許你不喜歡工程師給別人說(shuō)看情況，但是工作后我越來(lái)越發(fā)現(xiàn)確實(shí)如此，你無(wú)法詳盡某一項(xiàng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的所有點(diǎn)，不同特性配合不同應(yīng)用的組合在不同運(yùn)行環(huán)境下也是千差萬(wàn)別。你最好的方式就是掌握一定的基礎(chǔ)再加以充分的思考驗(yàn)證。

就ADC而言，設(shè)計(jì)自然從選型開(kāi)始，什么樣的待測(cè)信號(hào)，什么樣的速率要求，精度要求等，這些就可以依據(jù)前面的知識(shí)予以選型指導(dǎo)。這個(gè)過(guò)程可以避免盲目設(shè)計(jì)，浪費(fèi)性能和成本。ADC的精度自然是相對(duì)參考電壓而言的，那么基準(zhǔn)電壓就要穩(wěn)，電源要穩(wěn)，作為時(shí)鐘的晶振要穩(wěn)，PCB設(shè)計(jì)中地要處理好，高速信號(hào)要匹配好，干擾要隔離開(kāi)，還有軟件上的N多配置選擇要恰當(dāng)，等等等，見(jiàn)識(shí)淺薄，尚不能略窺一二。

五、小結(jié)

ADC作為信號(hào)處理過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)之一，是模擬和數(shù)字之間的橋梁，目前的信號(hào)處理朝著更高檢測(cè)精度，更快轉(zhuǎn)換速率發(fā)展，在音視頻接口，微弱信號(hào)檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用深入，而此類芯片的國(guó)產(chǎn)化還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，不過(guò)前途可期。而對(duì)于硬件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用而言，知其然并知其所以然對(duì)于應(yīng)用的把握水平會(huì)有更好的提升，假以時(shí)日或許最后可達(dá)到武學(xué)中的手中無(wú)劍，心中無(wú)劍，俯拾殘枝即為利刃的境界吧。