深入解讀ADC，一文搞懂∑-Δ型ADC、流水線型ADC

ADC的使用，能夠幫助我們將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。在上篇文章中，小編對4種不同類型的ADC進(jìn)行了詳細(xì)闡述。為增進(jìn)大家對ADC的認(rèn)識，本文將對∑-Δ型ADC和流水線型ADC予以介紹。如果你對ADC具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、∑-Δ型ADC

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

優(yōu)點：分辨率較高，高達(dá)24位;轉(zhuǎn)換速率高，高于積分型和壓頻變換型ADC;價格低;內(nèi)部利用高倍頻過采樣技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)字濾波，降低了對傳感器信號進(jìn)行濾波的要求。

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

二、流水線型ADC

流水線結(jié)構(gòu)ADC，又稱為子區(qū)式ADC，它是一種高效和強大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且具有令人滿意的低功率消耗和很小的芯片尺寸;經(jīng)過合理的設(shè)計，還可以提供優(yōu)異的動態(tài)特性。

流水線型ADC由若干級級聯(lián)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?？焖倬_的n位轉(zhuǎn)換器分成兩段以上的子區(qū)(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(zhuǎn)換器對輸入進(jìn)行量化，接著用一個至少n位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)產(chǎn)生一個對應(yīng)于量化結(jié)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(guān)交下一級電路處理。經(jīng)過各級這樣的處理后，最后由一個較高精度的K位細(xì)A/D轉(zhuǎn)換器對殘余信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將上述各級粗、細(xì)A/D的輸出組合起來即構(gòu)成高精度的n位輸出。

優(yōu)點：有良好的線性和低失調(diào);可以同時對多個采樣進(jìn)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(zhǔn)電路和偏置結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜;輸入信號需要經(jīng)過特殊處理，以便穿過數(shù)級電路造成流水延遲;對鎖存定時的要求嚴(yán)格;對電路工藝要求很高，電路板上設(shè)計得不合理會影響增益的線性、失調(diào)及其它參數(shù)。

目前，這種新型的ADC結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于對THD和SFDR及其它頻域特性要求較高的通訊系統(tǒng)，對噪聲、帶寬和瞬態(tài)相應(yīng)速度等時域特性要求較高的CCD成像系統(tǒng)，對時域和頻域參數(shù)都要求較高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

確定A/D轉(zhuǎn)換器件在確定設(shè)計方案后，首先需要明確A/D轉(zhuǎn)換的需要的指標(biāo)要求，包括數(shù)據(jù)精度、采樣速率、信號范圍等等。

1.確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)在選擇A/D器件之前，需要明確設(shè)計所要達(dá)到的精度。精度是反映轉(zhuǎn)換器的實際輸出接近理想輸出的精確程度的物理量。在轉(zhuǎn)化過程中，由于存在量化誤差和系統(tǒng)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(zhuǎn)換器件的位數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)可以用分辨率來表示。一般把8位以下的A/D轉(zhuǎn)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(shù)越高，分辨率越高，量化誤差越小，能達(dá)到的精度越高。理論上可以通過增加A/D器件的位數(shù)，無止境提高系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)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(shè)計時應(yīng)當(dāng)綜合考慮系統(tǒng)需要的精度以及前端信號的精度。

2.選擇A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率在不同的應(yīng)用場合，對轉(zhuǎn)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(yīng)用場合，就可以根據(jù)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(shù)字濾波技術(shù)，還必須進(jìn)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(wěn)定信號量，實現(xiàn)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(tài)范圍較大，有時還有可能出現(xiàn)負(fù)電壓。在選擇時，待測信號的動態(tài)范圍最好在A/D器件的量程范圍內(nèi)。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(dāng)然，也可以通過軟件補償來減少非線性的影響。所以在設(shè)計時要綜合考慮精度、價格、軟件實現(xiàn)難度等因素

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