ADC 知识整理
一、ADC的类型：
二、ADC主要技术指标：
过采样频率：增加分辨率或减少6dB 噪声，需要4 采样频率倍fs 进行过采样.
假设一个系统使用12 位的ADC，每秒输出一个温度值(1)Hz)，将测量分辨率提高到16 采样频率按下式计算： fos=4^4*1(Hz)=256(Hz)。
以下简要介绍了几种常用类型的基本原理和特点：积分型、逐步接近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。 积分型AD工作原理是将输入电压转换为时间(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。其优点是用简单的电路获得高分辨率，抗干扰性强(为什么抗干扰性强？假设一个白噪声干扰零点正负，显然一点，就会过滤掉噪声)，但缺点是转换率很低，因为转换精度取决于积分时间。初期的单片AD大多数转换器采用积分型，现在逐步比较已逐渐成为主流。 逐次比较型AD由比较器和DA从MSB开始，将输入电压和内置顺序对每个人进行DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数字值。其电路规模适中。其优点是速度高，功耗低，分辨率低(<12位)价格便宜，但精度高(>12位)价格很高。 并行比较型AD采用多个比较器，器，仅进行一次比较，也称为FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位置转换需要2n-所以电路规模大，价格高，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结构介于并行型和逐步比较型之间，最典型的是两个n/2位并行型AD转换器配合DA转换器由两次比较组成，因此称为转换器 Half flash(半快速)型。分三步或多步实现AD转换称为分级(Multistep/Subrangling)型AD，从转换时序的角度 又称流水线(Pipelined)型AD，现代分级型AD还增加了修正特性等功能，对多个转换结果进行数字操作。这类AD速度比逐渐较高，电路 比并行型小。 Σ-Δ型AD由积分器、比较器较器、DA转换器和数字滤波器。原则上，它与积分类似，将输入电压转换为时间（脉冲宽度）信号，并通过数字滤波器获得数字值。电路的数字部分基本上很容易单片化，因此很容易实现高分辨率。主要用于音频和测量。 逐步比较电容阵列AD在内置DA转换器采用电容矩阵，也称为电荷再分配型。一般电阻阵列DA转换器中大多数电阻的值必须相同，在单芯片上产生高电阻 精度电阻不容易。如果用电容阵列代替电阻阵列，可以低成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐步比较型AD转换器多为电容阵列式。 压频变换型(Voltage-Frequency Converter)模数转换是通过间接转换实现的。其原理是将输入的模拟信号转换为频率，但 然后用计数器将频率转换为数字量。从理论上讲AD只要采样时间能满足输出频率分辨率要求的累积脉冲数的宽度，分辨率几乎可以无限增加。其优点是 分辨率高，功耗低，价格低，但外部计数电路需要共同完成AD转换。指数字量变化最小时模拟信号的变化量，定义为满刻度和2n比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数表示。指从模拟到数字的完成AD转换所需时间的倒数。积分型AD转换时间为毫秒低速AD，逐次比 较型AD微秒属中速AD，全并行/串并行AD可达到纳秒级。采样时间是另一个概念，是指两次转换的间隔。为保证正确完成转换，采样速率 (Sample Rate)转换速率必须小于或等于。因此，有些人习惯于将转换速率等同于采样速率。常用单位是ksps和Msps，表 每秒采样千/百万次(kilo / Million Samples per Second)。由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD阶梯转移特征曲线和无限分辨率AD(理想AD)的转移特 性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是1 一个或半个最小数字量的模拟变化表示为1LSB、1/2LSB。当输入信号为零时，输出信号不为零，外部电位器可调至最小。输入信号与理想输入信号值之间的差异。实际转换器的转移函数和理想直线的最大偏移不包括上述三个误差。 在谈论精度之前，我们应该先谈谈分辨率。最近，这个问题在帖子中得到了广泛的讨论，结论是分辨率不等于精度。例如，一.2%(或者常说的准确性0.2级)四位半万用表，测量A点电压1.0000V，B电压1.0005V,B比可以区分A高0.0005V，但A点电压的真实值可能是0.9980~1.0020之间的不确定性。 因此，由于数字万用表有两个指标：精度和分辨率，因此，对于ADC和DAC，除分辨率外，还有精度指标。 模数器件的精度指标是用积分非线性度(Interger NonLiner)即INL值来表示。还有一些设备手册 Linearity error 来表示。INL表示了ADC所有值点对应的模拟值和真实值之间误差最大的误差值。也就是说，输出值偏离线性的最大距离。单位是LSB(即最低水平表示的量)。 比如12位ADC：TLC2543，INL值为1LSB。所以，如果基准4.095V，测量电压的转换结果为1000，因此，实际电压值可分布在0.999~1.001V之间。对于DAC也差不多。比如DAC7512,INL值为8LSB，所以，如果基准4.095V，如果给定数量为1000，输出电压可能为0.992~1.008V之间。 下面再说DNL值。理论上，模数器件相邻量数据之间的模拟量差是相同的。一把密度均匀的尺子。但事实并非如此。分辨率1mm的尺子不可能在相邻两刻度之间完成1mm。那么，ADC相邻两刻度之间最大的差异称为差异非线性值(Differencial NonLiner)。DNL如果值大于1，那么这个ADC它甚至不能保证单调，输入电压增加，但在某一点上的值会减小。这种现象在SAR(逐位比较)型ADC中很常见。 例如，12位ADC，INL=8LSB，DNL=3LSB(性能差)，基准4.095V，测A电压读数1000，测B电压度数1200。那么，B点电压比A点高197~203mV。而不是准确的200mV。对于DAC也一样，某DAC的DNL值3LSB。如果数字量增加200，实际电压可能会增加197~203mV之间。 许多分辨率相同的人ADC，但是价格差别很大。除了速度、温度等级等。INL、DNL这两个值的区别。AD574，很贵，但是它的INL值就能做到0.5LSB，这在SAR型ADC已经不容易了。换个便宜的2543吧，速度和分辨率都一样，但是INL值只有1~1.5LSB，精度下降了3倍。 此外，工艺和原理也决定了精度。SAR型ADC，由于采用了R-2R或C-2C类型结构使高权值电阻稍有误差，会导致最后几位误差。SAR型AC的2^n点附近，比如128、1024、2048、切换权值点阻，误差是最大的。1024值对应的电压甚至可能会比1023值对应电压要小。这就是很多SAR型器件DNL值会超过1的原因。但SAR型ADC的INL值都很小，因为权值电阻的误差不会累加。 和SAR型器件完全相反的是阶梯电阻型模数/数模器件。比如TLC5510、DAC7512等低价模数器件。比如7512，它由4095个电阻串联而成。每个点阻都会有误差，一般电阻误差5%左右，当然不会离谱到100%，更不可能出现负数。因此这类器件的DNL值都很小,保证单调。但是，每个电阻的误差，串联后会累加，因此INL值很大，线性度差。 这里要提一下双积分ADC，它的原理就能保证线性。比如ICL7135，它在40000字的量程内，能做到0.5LSB的INL值(线性度达到1/80000 !!)和0.01LSB的DNL值.这两个指标在7135的10倍价钱内，是不容易被其他模数器件超越的。所以7135这一类双积分ADC特别适合用在数字电压表等需要线性误差非常小的场合。 还要特别提一下基准源。基准源是测量精度的重要保证。基准的关键指标是温飘，一般用ppm/K(ppm百万分之一)来表示。假设某基准30ppm/K，系统在20~70度之间工作，温度跨度50度，那么，会引起基准电压30*50=1500ppm的漂移，从而带来0.15%的误差。温漂越小的基准源越贵，比如30ppm/K的431，七毛钱;20ppm/K的385，1块5;10ppm/K的MC1403，4块5;1ppm/K的LM399,14元;0.5ppm/K的LM199，130元。 该死的教科书害了一代学生。说起来好笑的一个现象：我这边新来的学生大多第一次设计ADC电路的时候，基准直接连VCC，还理直气壮的找来N本教科书，书上的基准写了个网标：+5V。天下的书互相抄，也就所有的学校的教科书都是基准接5V。教科书把5V改成5.000V多好?学生就会知道，这个5V不是VCC。或者提一下基准需要高稳定度，也好啊!