工业应用中的 ADC 基础知识

【导读】确定特定高精度工业应用中采用哪种 ADC，这需要一定程度的专业知识，以确保最为相关的因素不被忽视，并实现设计的性能目标。

图1: 模数转换

为高精度工业应用选择 ADC 时需要考虑的因素

分辨率：分辨率是用于将输入模拟信号表示为数字值的比特位数。它很大程度上取决于应用需求和所需的精度水平。具有较高分辨率的 ADC 将生成更精确可靠的测量结果。N 位转换器的分辨率为 100/2N %。例如，一个 12 位转换器具有 2^12 个不同的级别或 0.0244% 的分辨率。然而，现实世界中的 ADC 并非理想，我们还需考虑 ADC 的噪声和线性性能，因为这些因素会导致精度低于 ADC 的分辨率。但选择更高分辨率的数据转换器会导致更高功耗、更低采样率和更高的成本，因此，设计人员需要在所需分辨率和实际考量因素（例如可用电源和转换率要求）之间进行权衡。

采样：采样即 ADC 采样输入信号的频率。必须慎重选择该参数以确保采样能够提供所有的重要信息。根据 Nyquist-Shannon 采样定理，采样率应至少为输入信号中最高频率分量的两倍，以避免混叠。

线性度：线性度表达了 ADC 输出在整个输入值范围内对输入信号的反映情况。选择具有高线性度的 ADC 非常重要，因为非线性会导致测量的不准确。ADC 的线性度具体体现为微分非线性 (DNL) 和积分非线性 (INL)。DNL 是相邻数字代码间宽度与理想模拟步长之间的最大偏差；INL 则是由于DNL累计而偏离理想值的最坏情况。在频域中，非线性会导致失真，而失真则会影响转换精度（请参阅下面关于 ENOB 的讨论），因此，线性度是高频应用中的重要考量因素。

噪声性能：ADC 测量是否精确还取决于其噪声性能。ADC 的本底噪声必须低于所需的信号电平，而且信噪比 (SNR) 应较高，以最大限度地减少附加噪声。有效位数 (ENOB) 是一项很有用的指标，它结合了 SNR 和失真的影响来测量 ADC 的精度。例如，ENOB 为 15.3 位的 16 位 ADC 比 ENOB 为 14.4 位的 16 位 ADC 更精确。

采样率：采样率即 ADC 采样输入信号的频率。必须慎重选择该参数以确保采样能够提供所有的重要信息。根据 Nyquist-Shannon 采样定理，采样率应至少为输入信号中最高频率分量的两倍，以避免混叠。较高的采样率可简化滤波要求，但代价是更高的功耗和可能更高的数据处理要求。

功耗：系统的运行成本和散热特性受 ADC 功耗的影响。在关注能效或电池寿命的应用中，应首选低功耗 ADC ，以最大限度地减少功耗。功耗还与热耗散密切相关，温度的变化会影响模拟和混合信号电路的精度，因此需要额外的散热设计工作以确保电路可靠的运行。

温度范围：应用将随其所在的温度条件而产生变化。周围环境的温度范围和电子设备的自热情况都对确定 ADC 所需的温度规格起着重要作用。工业应用一般要求 ADC 能够在 -40C 至 +85C 或 +125C 的温度范围内有效运行。

架构：工业应用中最常见的 ADC 架构包括 delta-sigma（ΔΣ，有时也称为 sigma-delta，ΣΔ）和逐次逼近寄存器 (SAR)。两种架构各有其特点与利弊。

Delta-sigma ADC 和 SAR ADC

在精密工业应用中，delta-sigma ADC 在什么情况下优于 SAR ADC？

在工业应用中，选择 delta-sigma 还是 SAR 可能会很棘手。但根据以下特性，将很容易得出 delta-sigma 优于 SAR 的结论：

● 分辨率：Delta-sigma ADC 可以实现比 SAR ADC 更高的分辨率，因为 Delta-sigma ADC 对输入信号进行过采样（oversample），同时利用数字滤波来最小化噪声并提高 ADC 的有效分辨率。Delta-sigma ADC 通常用于需要高精度且精密的应用场合。

● 低频输入信号：Delta-Sigma ADC 因其过采样架构而成为低频输入信号的绝佳选择。它能够有效降低 ADC 产生的量化噪声，从而实现更精确可靠的测量。

● 线性度：使用 1 位量化器的 Delta-sigma ADC 具备固有高线性度，因此可以产生精确的测量结果。

● 滤波要求：Delta-Sigma ADC 可以通过对输入信号进行过采样来有效执行抗混叠滤波，从而最大限度地减少对外部滤波电路的需求。这简化了设计并降低了整个系统的成本与尺寸。

● 噪声性能：Delta-sigma ADC 通过对输入信号进行过采样并利用噪声整形技术来降低输入信号中噪声的影响。它将量化噪声推入更高的频率，从而更轻松地将其滤除。

尽管 delta-sigma 具有多项优势，但在以下情况下，SAR ADC 可能是首选 ADC：

● 速度：SAR ADC 非常适合需要高速采样和转换的应用，例如数据采集系统。此外，由于 SAR ADC 在一个输出中进行采样和转换，因此还非常适合快速响应控制环路应用。

● 多路复用应用：在转换多个信号方面，SAR ADC 优于 Delta-Sigma ADC。因为 SAR ADC 更适合处理多路复用输入；而 Delta-Sigma ADC 依赖过采样，当从一个通道切换到另一个通道时，过采样可能会受到输入电压阶跃变化的影响。

总之，Delta-sigma ADC 因其出色的分辨率、线性度和噪声性能，在精密工业应用中通常比 SAR ADC 更受青睐。但是，当速度或复用多个输入是更重要的考量因素时，SAR ADC 则为首选。因此选择 delta-sigma 或 SAR ADC 时，需根据应用对速度、精度、功耗和温度额定值的要求来考量转换器的性能。

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