A/D轉換技術

　　現在的軟件無線電、數字圖像采集都需要有高速的A/D采樣保證有效性和精度，一般的測控系統也希望在精度上有所突破，人類數字化的浪潮推動了A/D轉換器不斷變革，而A/D轉換器是人類實現數字化的先鋒。

　　逐次逼近型、積分型、壓頻變換型等，主要應用于中速或較低速、中等精度的數據采集和智能儀器中。分級型和流水線型ADC主要應用于高速情況下的瞬態信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數據采集、視頻信號量化及高速數字通訊技術等領域。此外，采用脈動型和折疊型等結構的高速ADC，可應用于廣播衛星中的基帶解調等方面。∑-Δ型ADC主應用于高精度數據采集特別是數字音響系統、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領域。下面對各種類型的ADC作簡要介紹。

　　1.逐次逼近型ADC

　　逐次逼近型ADC應用非常廣泛的模/數轉換方法，它包括1個比較器、1個數模轉換器、1個逐次逼近寄存器(SAR)和1個邏輯控制單元。它是將采樣輸入信號與已知電壓不斷進行比較，1個時鐘周期完成1位轉換，N位轉換需要N個時鐘周期，轉換完成，輸出二進制數。這一類型ADC的分辨率和采樣速率是相互矛盾的，分辨率低時采樣速率較高，要提高分辨率，采樣速率就會受到限制。

　　優點：分辨率低于12位時，價格較低，采樣速率可達1MSPS;與其它ADC相比，功耗相當低。

　　缺點：在高于14位分辨率情況下，價格較高;傳感器產生的信號在進行模/數轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。

　　2.積分型ADC

　　積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，它的應用也比較廣泛。它由1個帶有輸入切換開關的模擬積分器、1個比較器和1個計數單元構成，通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內利用計數器對時鐘脈沖進行計數，從而實現A/D轉換。

　　積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發生器和計數器來確定，因此所得到的D表達式與時鐘頻率無關，其轉換精度只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾(如50Hz或60Hz)，適合在嘈雜的工業環境中使用。這類ADC主要應用于低速、精密測量等領域，如數字電壓表。

　　優點：分辨率高，可達22位;功耗低、成本低。

　　缺點：轉換速率低，轉換速率在12位時為100～300SPS。

　　3.并行比較A/D轉換器

　　并行比較ADC主要特點是速度快，它是所有的A/D轉換器中速度最快的，現代發展的高速ADC大多采用這種結構，采樣速率能達到1GSPS以上。但受到功率和體積的限制，并行比較ADC的分辨率難以做的很高。

　　這種結構的ADC所有位的轉換同時完成，其轉換時間主取決于比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。增加輸出代碼對轉換時間的影響較小，但隨著分辨率的提高，需要高密度的模擬設計以實現轉換所必需的數量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數字增加一位，精密電阻數量就要增加一倍，比較器也近似增加一倍。

　　并行比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結果重復的并聯比較器如果精度不匹配，還會造成靜態誤差，如會使輸入失調電壓增大。同時，這一類型的ADC由于比較器的亞穩壓、編碼氣泡，還會產生離散的、不精確的輸出，即所謂的“火花碼”。

　　優點：模/數轉換速度最高。

　　缺點：分辨率不高，功耗大，成本高。

　　4.壓頻變換型ADC

　　壓頻變換型ADC是間接型ADC，它先將輸入模擬信號的電壓轉換成頻率與其成正比的脈沖信號，然后在固定的時間間隔內對此脈沖信號進行計數，計數結果即為正比于輸入模擬電壓信號的數字量。從理論上講，這種ADC的分辨率可以無限增加，只要采用時間長到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數的寬度即可。

　　優點：精度高、價格較低、功耗較低。

　　缺點：類似于積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位時為100～300SPS。

　　5.∑-Δ型ADC

　　∑-Δ轉換器又稱為過采樣轉換器，它采用增量編碼方式即根據前一量值與后一量值的差值的大小來進行量化編碼。∑-Δ型ADC包括模擬∑-Δ調制器和數字抽取濾波器。∑-Δ調制器主要完成信號抽樣及增量編碼，它給數字抽取濾波器提供增量編碼即∑-Δ碼;數字抽取濾波器完成對∑-Δ碼的抽取濾波，把增量編碼轉換成高分辨率的線性脈沖編碼調制的數字信號。因此抽取濾波器實際上相當于一個碼型變換器。

　　優點：分辨率較高，高達24位;轉換速率高，高于積分型和壓頻變換型ADC;價格低;內部利用高倍頻過采樣技術，實現了數字濾波，降低了對傳感器信號進行濾波的要求。

　　缺點：高速∑-△型ADC的價格較高;在轉換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。

　　6.流水線型ADC

　　流水線結構ADC，又稱為子區式ADC，它是一種高效和強大的模數轉換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數轉換，并且具有令人滿意的低功率消耗和很小的芯片尺寸;經過合理的設計，還可以提供優異的動態特性。

　　流水線型ADC由若干級級聯電路組成，每一級包括一個采樣/保持放大器、一個低分辨率的ADC和DAC以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器。快速精確的n位轉換器分成兩段以上的子區(流水線)來完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后先由一個m位分辨率粗A/D轉換器對輸入進行量化，接著用一個至少n位精度的乘積型數模轉換器(MDAC)產生一個對應于量化結果的模/擬電平并送至求和電路，求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平。并將差值精確放大某一固定增益后關交下一級電路處理。經過各級這樣的處理后，最后由一個較高精度的K位細A/D轉換器對殘余信號進行轉換。將上述各級粗、細A/D的輸出組合起來即構成高精度的n位輸出。

　　優點：有良好的線性和低失調;可以同時對多個采樣進行處理，有較高的信號處理速度，典型的為Tconv<100ns;低功率;高精度;高分辨率;可以簡化電路。

　　缺點：基準電路和偏置結構過于復雜;輸入信號需要經過特殊處理，以便穿過數級電路造成流水延遲;對鎖存定時的要求嚴格;對電路工藝要求很高，電路板上設計得不合理會影響增益的線性、失調及其它參數。

　　目前，這種新型的ADC結構主要應用于對THD和SFDR及其它頻域特性要求較高的通訊系統，對噪聲、帶寬和瞬態相應速度等時域特性要求較高的CCD成像系統，對時域和頻域參數都要求較高的數據采集系統。

　　確定A/D轉換器件在確定設計方案后，首先需要明確A/D轉換的需要的指標要求，包括數據精度、采樣速率、信號范圍等等。

　　1.確定A/D轉換器的位數在選擇A/D器件之前，需要明確設計所要達到的精度。精度是反映轉換器的實際輸出接近理想輸出的精確程度的物理量。在轉化過程中，由于存在量化誤差和系統誤差，精度會有所損失。其中量化誤差對于精度的影響是可計算的，它主要決定于A/D轉換器件的位數。A/D轉換器件的位數可以用分辨率來表示。一般把8位以下的A/D轉換器稱為低分辨率ADC，9~12位稱為中分辨率ADC，13位以上為高分辨率。A/D器件的位數越高，分辨率越高，量化誤差越小，能達到的精度越高。理論上可以通過增加A/D器件的位數，無止境提高系統的精度。但事實并非如此，由于A/D前端的電路也會有誤差，它也同樣制約著系統的精度。

　　比如，用A/D采集傳感器提供的信號，傳感器的精度會制約A/D采樣的精度，經A/D采集后信號的精度不可能超過傳感器輸出信號的精度。設計時應當綜合考慮系統需要的精度以及前端信號的精度。

　　2.選擇A/D轉換器的轉換速率在不同的應用場合，對轉換速率的要求是不同的，在相同的場合，精度要求不同，采樣速率也會不同。采樣速率主要由采樣定理決定。確定了應用場合，就可以根據采集信號對象的特性，利用采樣定理計算采樣速率。如果采用數字濾波技術，還必須進行過采樣，提高采樣速率。

　　3.判斷是否需要采樣/保持器采樣/保持器主要用于穩定信號量，實現平頂抽樣。對于高頻信號的采集，采樣/保持器是非常必要的。如果采集直流或者低頻信號，可以不需要采樣保持器。

　　4.選擇合適的量程模擬信號的動態范圍較大，有時還有可能出現負電壓。在選擇時，待測信號的動態范圍最好在A/D器件的量程范圍內。以減少額外的硬件付出。

　　5.選擇合適的線形度在A/D采集過程中，線形度越高越好。但是線形度越高，器件的價格也越高。當然，也可以通過軟件補償來減少非線性的影響。所以在設計時要綜合考慮精度、價格、軟件實現難度等因素