模数转换器ADC选型参考指南

  • 第一章 模数转换器简介
  • 第二章 典型ADC参数
    • 2.1 ADC选型需要注意的基础参数
    • 2.2 ADC选型需要注意的进阶参数
      • 2.2.1 ADC架构
      • 2.2.2 ADC通讯协议
      • 2.2.3 信噪比SNR
      • 2.2.4 电源抑制PSR
      • 2.2.5 共模抑制CMR
      • 2.2.6 串扰Crosstalk
      • 2.2.7 微分非线性误差DNL
      • 2.2.8 积分非线性误差INL
      • 2.2.9 ADC输入阻抗
  • 参考文献

第一章 模数转换器简介

模拟-数字转换器（ADC）是一种将模拟信号转换成对应数字信号的系统/设备，在人机交互领域有着极其广泛的应用。ADC可以提供隔离的测量，例如将输入的模拟电压或电流转换为与电压或电流幅度成正比的数字。在实际应用中，ADC的选型也是一个相当重要的环节，为此，我写了这篇文章，以供大家参考。

第二章 典型ADC参数

从大的方面来讲，ADC的性能主要由带宽和信噪比(SNR)来表征。ADC的带宽主要由其采样率表征。ADC的SNR受许多因素影响，包括分辨率(Resolution)，线性度(Linearity)和精度(Accuracy)（量化级别与真实模拟信号的匹配程度），混叠(Aliasing)和抖动(Jitter)。ADC的SNR通常通过有效位数(ENOB)来表示，理想的ADC的ENOB等于其分辨率。

选择ADC需要匹配输入信号的带宽和SNR。如果ADC的采样率大于信号带宽的两倍(工程上一般要求5-10倍)，则根据奈奎斯特采样定理，可以实现无失真的信号重构。量化误差的存在限制了理想ADC的SNR。一般认为，若ADC的SNR超过输入信号的SNR，则可认为输出的数字信号是对模拟输入信号的无失真数字表示。

2.1 ADC选型需要注意的基础参数

参数 定义
量程(full-scale range, FSR) ADC允许输入的模拟信号范围
分辨率(Resolution, n) ADC输出数字数据的位数，例如，12位ADC，分辨率即为n=12
最低有效位(One least significant bit, LSB) ADC的最小分辨率，例如，12位ADC，LSB=FSR/2^n
采样率(Sampling rate) ADC的最大采样率，最好比信号带宽大5-10倍以获得最佳的重构效果
参考电平(Vref) ADC的的参考电平，有集成于内部与外部加入的两种，需要根据精度、温飘等需求来选择
通道数(Channel number) ADC的模拟输入通道数

根据上述参数，能够完成大部分的ADC基础选型工作。

2.2 ADC选型需要注意的进阶参数

  1. ADC架构
  2. ADC通信协议
  3. 信噪比SNR
  4. 电源抑制PSR
  5. 共模抑制CMR
  6. 串扰Crosstalk
  7. 微分非线性DNL
  8. 积分非线性INL
  9. ADC输入阻抗

2.2.1 ADC架构

以最常用的SAR-ADC与Σ-Δ ADC为例说明。

  • SAR-ADC

    上图显示了基于电荷再分配电容数模转换器(DAC)阵列的逐次逼近型寄存器(SAR)的基本转换器架构。它在每一个转换开始的边沿上对输入信号进行一次采样，在每一个时钟边沿上进行位对比，并通过控制逻辑调节数模转换器的输出，直到该输出极为接近地匹配模拟输入(类似砝码称重的原理，从最高位到最低位依次比较)。因此，它需要来自独立外部时钟的N个时钟周期，以便以迭代方式实现N位的转换。
  • Σ-Δ ADC

    上图显示了基本的Σ-Δ型ADC架构，它以调制器的过采样频率(KfS)对模拟输入信号连续采样，其转换输出为KfS处系列采样的加权均值。分辨率较高的Σ-Δ型ADC转换时间较长，因为需要2^N次采样才能完成单次转换。过采样、量化噪声整形、数字和抽样滤波器三种技术保证了Σ-Δ型ADC的高分辨率。

内部比较器噪声和DAC线性度决定SAR ADC转换的精度，而调制器中积分器的建立时间(开关)则决定Σ-Δ型ADC转换的精度。SAR ADC的输入带宽(数十MHz)比采样频率高(输入带宽意味着采样/保持电路的工作时间，不工作时通道电压被固定，因此会比实际采样率高)。所需输入信号带宽一般在数十到数百kHz内，因此，需要用抗混叠滤波器过滤掉折回目标带宽的无用混叠信号。在Σ-Δ型ADC的情况下，所需输入信号带宽通常在DC至几kHz之间，数字滤波器的输入带宽低于调制器的采样频率，因此，放宽了抗混叠要求。数字滤波器滤除目标带宽以外的噪声，抽取器则降低输出数据速率，使其回到奈奎斯特速率。
SAR ADC因为易用性、低功耗、小封装和低延迟等特点而在很多应用中广受青眯。 Σ-Δ型ADC具有卓越的带外抑制性能，而且在实现斩波功能的情况下，能抑制接近直流(50 Hz/60 Hz)的1/f噪声成分，因而广泛运用于工业应用和音频应用中。

2.2.2 ADC通讯协议

常见的有如SPI、IIC、多路输出等，具体参见数据手册。

2.2.3 信噪比SNR

信噪比用于描述ADC输出数据中，信号与噪声的幅值之比。常常有如下的定义方式：

  1. 有效分辨率：虽然12位ADC的分辨率在数据手册上声明的可以达到12位，但受限于噪声，其有效位数可能只有11位；
  2. 信噪比：满量程信号输入的方根有效值(RMS)与噪声的均方根有效值(RMS)之比：
    SNR=20log(MaxRMSSignal/RMSNoise)SNR = 20 log(MaxRMSSignal/RMSNoise) SNR=20log(MaxRMSSignal/RMSNoise)

2.2.4 电源抑制PSR

PSR代表着电源纹波与ADC输入耦合，并呈现在其数字输出上的比例。若电源上的噪声是20mV均方根，而转换器输入范围是0.7 V均方根，并且转换器PSR为30dB，则电源噪声会在数字输出中呈现一条-61dBFS的谱线。该参数在医疗应用、工业应用等高噪声场合需要特别考虑。

2.2.5 共模抑制CMR

共模抑制(CMRR)测量存在共模信号时引起的差模信号，主要由ADC输入结构不可能做的完全一致而引起。许多ADC采用差分输入来实现对共模信号的高抗扰度，因为差分输入结构本身抑制偶数阶失真积。 与PSR一样，电源纹波、接地层上产生的高功率信号、混频器和RF滤波器的RF泄漏以及能够产生高电场和磁场的应用会引起共模信号。虽然许多转换器不标明CMRR，但一般具有50 dB至80 dB的CMRR。

2.2.6 串扰Crosstalk

串扰表示每路模拟输入与其它模拟输入的隔离程度。对于具有多路输入通道的ADC，串扰指从一路模拟输入信号耦合到另一路模拟输入的信号总量，该值通常以分贝(dB)为单位表示。

2.2.7 微分非线性误差DNL

对于ADC，触发任意两个连续输出编码的模拟输入电平之差应为1 LSB (DNL = 0)，实际电平差相对于1 LSB的偏差被定义为DNL。

2.2.8 积分非线性误差INL

对于ADC，积分非线性(INL)是实际传递函数与传递函数直线的偏差。

2.2.9 ADC输入阻抗

ADC的阻抗匹配问题在特定架构的ADC中显得尤为重要，其会影响数据转换的精度。当往特定接口串入ADC时候，其相当于并联一个阻抗为ADC输入阻抗的元件，故会对电路的分压产生一定的影响。当信号源内阻与ADC输入阻抗相近时，会对ADC精度产生较大的影响。常见的解决方案是保证源端相比于ADC输入阻抗低阻，或者采用输入缓冲器(一般Σ-Δ型ADC内会内置)来提高输入阻抗。

参考文献

  1. ADI. 在多路复用数据采集系统中使用精密SAR转换器和Σ-Δ型转换器的设计权衡
  2. ADI. 九项常被忽略的ADC技术规格
  3. ADI. 模数转换器与驱动器IC

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