ADC选型经典指南.docx
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ADC选型经典指南
ADC选型经典指南
ADC选型手册
一ADC的定义
模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，（简称a/d转换器或adc,analogtodigitalconverter）通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
二ADC的基本原理
在A/D转换中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散量，所以进行转换时只能按一定的时间间隔对输入的模拟信号进行采样，然后再把采样值转换为输出的数字量。
通常A/D转换需要经过采样、保持量化、编码四个步骤。
也可将采样、保持合为一步，量化、编码合为一步，共两大步来完成。
（1）采样和保持：
采样，就是对连续变化的模拟信号进行定时测量，抽取其样值。
采样结束后，再将此取样信号保持一段时间，使A/D转换器有充分的时间进行A/D转换。
采样－保持电路就是完成该任务的。
其中，采样脉冲的频率越高，采样越密，采样值就越多，其采样－保持电路的输出信号就越接近于输入信号的波形。
因此，对采样频率就有一定的要求，必须满足采样定理即：
fs≥2fImax其中fImax是输入模拟信号频谱中的最高频率
（2）量化和编码：
所谓量化，就是把采样电压转换为以某个最小单位电压△的整数倍的过程。
分成的等级称为量化级,A称为量化单位。
所谓编码,就是用二进制代码来表示量化后的量化电平。
采样后得到的采样值不可能刚好是某个量化基准值,总会有一定的误差,这个误差称为量化误差。
显然,量化级越细,量化误差就越小,但是,所用的二进制代码的位数就越多,电路也将越复杂。
量化方法除了上面所述方法外,还有舍尾取整法,这里不再赘述。
采样的话时间非常短,起动AD转换后，就把模拟值读进去了。
AD转换需要时间，转换完成后有标志位变了，表示转换完成，可不断查询标志位状态，标志位变了转换完成后，就可读取数据。
如果CPU忙，可用中断方式，开AD转换中断，得有线路硬件，AD转换完成后自动申请中断，中断读取数据很快。
（3）ADC的基本结构及相关解释
1）其中滤波器决定ADC的采样频率（能够采样多大频率的模拟信号），主要是涉及带宽，根据香浓采样定理和输入信号的频率范围，确定相应的滤波带宽。
在Nyquist采样定理中已经提过，要满足采样定理必须要求信号带宽有限，使用大于2倍的最高信号频率采样才能保证信号的不混叠。
低通滤波器的一个考虑就是使信号带宽有限，以便于后期的信号采样，这个低通滤波器是硬件实现的。
另一方面，实际情况中我们也只会对某个频频段的信号感兴趣，低通滤波器的另一个考虑就是滤波得到感兴趣的信号。
比如，测量汽车声音信号，其频率大部分在5KHz以下，我们则可以设置低通滤波器的截止频率在7KHz左右。
程控的实现方法就是使用模拟通道选择芯片（如74VHC4051等）。
2）多路开关主要用于选择是单端输入和差分输入。
对多个变化较为缓慢的模拟信号进行A/D转换时，利用多路模拟开关将各路模拟信号轮流与A/D转换器接通，使一个A/D转换器能完成多个模拟信号的转换。
3）采样保持电路：
A/D转换器完成一次转换需要时间，在这段时间内模拟输入信号应保持不变,否则将影响AD转换的精度。
更为详细的描述如下：
将采样频率提高到kfs（k>>2）称为过采样。
（4）量化和编码
三ADC的分类
1）积分型
积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。
其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。
初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。
2）逐次比较型
逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。
其电路规模属于中等。
其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。
具体工作过程如下，举例说明：
设逐次逼近寄存器SAR是8位，基准电压，模拟输入电压，转换成二进制数码。
工作过程如下：
转换开始之前，先将SAR清零；
3）并行比较型/串并行比较型
并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash（快速）型。
由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。
串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Halfflash（半快速）型。
还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。
这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。
应用场合：
这种ADC的最大优点是具有较快的转换速度，但是，所用的比较器和其他硬件较多，输出数字量位数越多，转换电路将越复杂。
因此，这种类型的转换器适用于高速度、低精度要求的场合。
优点：
模数转换的速度高
缺点：
分辨率不高，功耗大、成本高
4）Σ-Δ（Sigma-delta）调制型（如AD7705）
Σ-Δ型AD又称为过采样转换器，由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。
原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。
电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。
主要用于音频和测量。
Σ-Δ型ADC基本原理：
Σ-Δ型ADC包含了1个差分放大器、1个积分器、1个比较器、以及由1位DA（一个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入端接到正或者负参考电压）的构成的反馈环。
反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。
Σ-Δ型ADC原理框图
从Σ-Δ型ADC的原理框图可以看出，Σ-Δ型结合了逐次比较型和积分型ADC。
5）压频变换型ADC
6）流水线型ADC
四名词解释:
（1）ADC采样速率SPS简介
SPS（samplepersencond，每秒采样次数），是衡量数模转换（ADC）时采样速率的单位。
注意采样速率和转换速率的区别，数模转换是先采样再转换，采样速率小于等于转换速率的采样才是有意义的。
即采样时间大于转换时间才是有意义的。
类似的单位有KSPS（每秒采样多少千次）、MSPS（每秒采样多少兆次）等。
ksps表示每秒采样千次，是转化速率的单位。
（2）ADC的转换速率和转换时间（ConversiontimeandConversionrate）
所谓的转换速率（ConversionRate）是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。
积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。
采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。
为了保证转换的正确完成，采样速率（SampleRate）必须小于或等于转换速率。
因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。
常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/MillionSamplesperSecond）。
ThroughPutRate称为输出速率，或者吞吐速率、转换速率。
“转换速率”这个名词有些资料用Conversionrate表示，有些资料用ThroughPutRate或者T-PutRate表示。
在选择一个AD转换芯片的时候要考虑到位数、转换速度、输出方式等。
位数很容易理解，由分辨率决定。
一次完整的转换过程要经过模数转换时间、休止时间、下次转换的准备时间等，这些时间构成一个完整的转换周期。
比如ADI生产的AD7610，转换周期为4us，也就是第i次转换开始经过4us以后可以进行下一次转换。
转换速率是转换周期的倒数，表征每秒最多多少次完整的采样，因此决定了采样频率的上限。
转换速率等于采样保持时间和量化时间（从模拟到二级制的转换时间）的倒数。
ADC的转换速度主要取决于转换电路的类型。
并联比较型ADC的转换速度最快，如一个8位二进制集成ADC的转换时间可在50ns之内；逐次比较型ADC的转换时间都在10~100us之间，较快的也不会小于1us；双积分型ADC的转换时间多在数十到数百ms之间。
引申：
转换时间与转换精度、信号频率的关系
1瞬时值响应的A/D转换器
转换时间取决于所要求的转换精度和被转换信号的频率。
以图所示的正弦信号为例，讨论它们之间的关系。
2平均值响应的A/D转换器
（2）ADC的参考电压
参考电压也叫做基准电压，如果没有基准电压，就无法确定被测信号的准确幅值。
例如基准电压为，则当被测信号达到时ADC输出满量程读数，使用者就会知道ADC输出的满量程等于。
不同的ADC，有的是外接基准，也有的是内置基准无需外接，还有的ADC外接基准和内置基准都可以用，但外接基准优先于内置基准。
就实际的工程应用而言，大多数情况下真正关心的是参考电压的稳定性而不是绝对值。
对于10bits的ADC，如果参考电压设计值是1V，而实际是不一定有问题，但是在~1V之间抖动可能就有问题。
对于ADC的来说，为了最大话还原输入的模拟信号，输入信号的最大值应是ADC的参考电压，输入信号最大值如果超过ADC的参考电压，会造成输出值得不准确，严重的会导致ADC损坏。
输入信号最大值如果小于ADC的参考电压，由于不能满量程输出，会引入误差还会导致精度的下降。
（3）ADC的分辨率
ADC的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效位所对应的输入模拟电压的变化量。
如ADC输入模拟电压范围为0到10V，输出为10位二进制数，则分辨率为
，此处得出的还有另外一个概念，最低有效位，也即1LSB
分辨率有时也用最低有效位LSB的量化步长表示。
10V也称为满量程电压，即FSR。
注：
满量程电压其实就是ADC的参考电压，参考电压后面会有描述，因为ADC所能测量最大电压实际为ADC的参考电压。
因此分辨率（分辨率量化单位1LSB）也可如下表示
。
此外ADC的分辨率还有另外的几种描述，每种描述不尽相同但所要表达的意思一致。
ADC的分辨率指的是A／D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。
设A／D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则分辨率定义为：
A／D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。
以上所说的ADC分辨率为理想情况下分辨率，分辨率通常随着噪声和非线性的增加而下降,因此,描述ADC真正的分辨率还应包括静态和动态误差。
（4）ADC转换误差
有时也称转换精度、绝对精度、量化误差。
通常以绝对误差形式给出，它表示实际输出的数字量和理论输出的数字量之间的误差，一般多以最低有效位的倍数给出。
此外还有相对精度的概念：
转换误差是从时序变化信号中可分离出的最小信息量信息，以我们讨论ADC来说，量化误差就是最小步距代表的电压，在A／D转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码。
举例说明：
例如：
一个12位A／D转换器，理论模拟输入电压为5V时，对应的输出数码为。
实际模拟输入电压在～范围内的都产生这一输出数码，则
。
绝对误差一般都在1LSB、
范围内。
注：
转换精度和分辨率是两个不同的概念
3分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值
4精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度；
相关引申：
简单点说，“精度”是用来描述物理量的准确程度的，而“分辨率”是用来描述刻度划分的。
可以举一个通俗的例子：
有这么一把常见的塑料尺，它的量程是10厘米，上面有100个刻度，最小能读出1毫米的有效值。
那么我们就说这把尺子的分辨率是1毫米，或者量程的1%；而它的实际精度就不得而知了（算是0.1毫米吧）。
当我们用火来烤一下它，并且把它拉长一段，然后再考察一下它。
我们不难发现，它还有有100个刻度，它的“分辨率”还是1毫米，跟原来一样！
然而，您还会认为它的精度还是原来的0.1毫米么？
假定我们需要%或者说10位的精度（1/210），只有选择一个具有更高分辨率的转换器才有意义。
如果是一个12位（分辨率）的转换器，我们可能会想当然地以为精度已足够高；但是在没有仔细检查其规格书之前，我们并没有把握得到12位的性能（实际情况可能更好或更糟）。
举例来说，一个具有4LSBINL（INL下面会讲到）的12位ADC，最多只能提供10位的精度。
一个具有INL的12位ADC器件则可提供%的误差或13位的精度。
要计算最佳精度，可用最大INL误差除以2N，其中N是转换器位数。
（4）影响ADC精度的静态指标
1满刻度误差（FullScaleError）
满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差，也叫增益误差。
该误差使传输特性曲线绕坐标原点偏离理想特性曲线一定的角度，如下图所示：
在一定温度下，可通过外部电路的调整使K=1，从而消除增益误差。
2偏移误差（OffsetError）
偏移误差的定义是指当输入信号为零时，输出信号不为零的值。
这个误差可用外接电位器将其调至最小。
但当温度变化时，偏移电压又将出现。
以上两种误差都可以通过微控制器进行校准修正。
3DNL（DifferentialNonlinearity）差分非线性
理论上说，模数器件相邻两个数据之间，模拟量的差值都是一样的。
就好比疏密均匀的尺子。
但实际上，相邻两刻度之间的间距不可能都是相等的。
所以，ADC相邻两刻度之间最大的差异就叫微分非线性DNL，也称为差分非线性。
同样举例来说明，如果对于12bit的ADC，其INL＝8LSB，DNL＝3LSB，在基准电压为时，测得A电压对应读数为1000b，测得B电压对应读数为1200b。
那么就可以判断出，B点电压值比A点高出197mV到203mV，而不是准确的200mV
图中，001b到010b码制过渡过程的DNL为0LSB，因为刚好为1LSB。
但是000b到001b过渡就有个的DNL，因为此时有的代码宽度。
应当注意：
如果在ADC或者DAC的datasheet中没有清楚说明DNL参数的话，可视该转换器没有漏码，即暗示它有优于正负1LSB的DNL。
4INL（Integralnonlinearity）积分非线性
积分非线性表示了ADC器件在所有的数值点上对应的模拟值和真实值之间误差最大的那一点的误差值，也就是输出数值偏离线性最大的距离。
单位是LSB。
例如，一个12bit的ADC，INL值为1LSB，那么，对应基准，测某电压得到的转换结果是1000b，那么，真实电压值可能分布在到之间。
总之，非线性微分和积分是指代码转换与理想状态之间的差异。
非线性微分（DNL）主要是代码步距与理论步距之差，而非线性积分（INL）则关注所有代码非线性误差的累计效应。
对一个ADC来说，一段范围的输入电压产生一个给定输出代码，非线性微分误差为正时输入电压范围比理想的大，非线性微分误差为负时输入电压范围比理想的要小。
从整个输出代码来看，每个输入电压代码步距差异累积起来以后和理想值相比会产生一个总差异，这个差异就是非线性积分误差。
线性误差是由A／D转换器特性随模拟输入信号幅值变化而引起的，因此，线性误差是不能进行补偿的。
（5）影响ADC精度的动态指标
1SNR信噪比
XX百科解释：
信噪比，又称为讯噪比，即放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示。
设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。
一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高，否则相反。
信噪比指ＡＤＣ输出信号功耗和噪声功耗间的比值，用ｄＢ表示。
其中，信号是指频谱图中基波分量的有效值，噪声＝总能量－信号能量和谐波的能量。
理想的ＡＤＣ噪声主要来自量化噪声。
对于正弦输入信号，信噪比的理论最大值为：
2总谐波失真（THD
总谐波失真：
整个频带中各次谐波的功率之和。
3信号与噪声+失真比（SINAD）
信噪失真比：
基本的信号功耗与所有谐波失真，混叠谐波以及所有的噪声功耗之和的比值。
它是衡量模数转换器最重要的指标。
与输入信号频率、幅度等因素有关。
另外的描述：
4有效位数（ENOB）
5无杂散信号动态范围（SFDR）
6输入动态范围
必须注意，ADC动态范围应当匹配将要转换的信号的最大振幅，这样才能使ADC转换精度最大化。
7互调失真（IMD）
五、噪音和失真的来源
（1）电源旁路不足
（2）
（3）产生噪音的电子元器件和电路
（4）耦合
（5）ADC输出端的大电容
（6）时间常数
（7）量化噪音
（8）时钟噪音
（9）过高的时钟抖动
六PCB注意事项及常见错误
（1）时钟走线
（2）尽量减少噪音
（3）常见问题
七、小结
综上所述，选择一款ADC需要综合考虑各个因素
（1）确定采样的路数，单端输入还是差分输入。
（2）根据输入信号的频率，结合香农采样定理（采样的频率要大于2倍的输入频率）确定采样频率。
ADC厂家手册一般都会给出一个范围，只要最低采样速率大于输入信号频率的2倍即可。
（3）确定精度要求，精度和采样频率是相对的关系，采样速率越高，精度会越低，在一些对采样速率要求低的情况下，可适当的降低采样速率提高精度。
根据要设计的要求要求，选择一款的合适的分辨率的ADC，ADC的分辨率是理想状态下的，因此要根据厂家手册中INL和有效位数，算出实际的精度。
有一个经验公式：
可用最大INL误差除以2N，其中N是转换器位数。
同时还要参考芯片手册中温漂等参数，以保证在任何极端条件下都能达到你的精度要求。
（4）确定基准，内部基准和外部基准，在成本允许的情况下，优先选择外部基准。
（5）根据采样速率和通讯速率，同时根据和主机的接口类型，选择合适隔离器件，如高速光耦、SPI隔离芯片等。
（6）合理的电路和PCB设计，尽可能的降低噪声的来源，提高ESD的防护性能。
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