ADC芯片参数定义及选型指南

I.参数定义

1. 分辩率(Resolution)
指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与 2n 的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

2. 转换速率(Conversion Rate)
指完成一次从模拟转换到数字的 AD 转换所需的时间的倒数。积分型 AD 的转换时间是毫秒级属低速 AD，逐次比较型 AD 是微秒级属中速 AD，全并行/ 串并行型 AD 可达到纳秒级。

3. 采样时间(Conversion Time)
则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是 ksps 和 Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。

4. 量化误差(Quantizing Error)
由于 AD 的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率 AD 的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率 AD（理想 AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是 1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为 1LSB、1/2LSB。

5. 偏移误差(Offset Error)
输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

6. 满刻度误差(Full Scale Error)
满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

7. 微分非线性（Differential nonlinearity，DNL）
ADC 相邻两刻度之间最大的差异。

8. 积分非线性（Integral nonlinearity，INL）
表示了 ADC 器件在所有的数值点上对应的模拟值和真实值之间误差最大的那一点的误差值，也就是输出数值偏离线性最大的距离。

9.总谐波失真（Total Harmonic Distotortion 缩写 THD）
指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。总谐波失真与频率有关。一般说来，1000Hz频率处的总谐波失真最小。ADC输出中的谐波失真是由ADC特性中存在的任何非线性引起的。每个实用的ADC都具有非线性特性。结果，每个实际ADC的输出中都存在谐波。DNL和INL是ADC特性非线性的量度，而THD是ADC输出中产生的谐波失真的量度。

10.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：是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。
信噪比的计量单位是dB，其计算方法是10lg(Ps/Pn)，其中Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换算成电压幅值的比率关系：20Lg(Vs/Vn)，Vs和Vn分别代表信号和噪声电压的“有效值”。
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。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。

11.电源抑制PSR
如果X V的电源电压变化产生Y V的输出电压变化，则该电源的PSRR(折合到输出端)为X/Y。无量纲比通常称为电源电压抑制比(PSRR)，以dB表示时则称为电源电压抑制(PSR)。把电源的输入与输出看作独立的信号源，输入与输出的纹波比值即是PSRR，通常用对数形式表示，单位是dB。
PSRR=20log{[ripple(in)/ripple(out)]}
电源抑制比可分为交流电源抑制比和直流电源抑制比
交流电源抑制比(ACPSR)
先在供电电源端(比如标称电压为5V),在读取一个测量值Vi1，与之对应，在输出端测得电压值为Vo1;然后在电源电压上叠加一个频率为100HZ,有效值为200mV的信号,并读取第二个测量值Vi2,与之对应在输出端测得电压值Vo2, 按测量误差公式
输出端百分误差=(Vo2 -Vo1) /Vo1
电源端百分误差=(Vi2 -Vi1) /Vi1
电源抑制比=输出端电压变化的百分数 / 电源电压变化的百分数
注意:电源电压变化不是输入信号电压变化，PSRR表征的是电源电压不稳定对输出的影响。
直流电源抑制比(DCPSR)
先在标称电源电压(5V)的情况下,读一个输出测量值,然后使电源电压变化 5%,在相同的输入信号电平下读取第二个输出测量值,按测量误差公式(同上题公式)计算得到的百分误差即为直流电源抑制比.

11.共模抑制比(CMRR)
共模抑制比CMRR是差模电压放大倍数Aud与共模放大倍数Auc的绝对值之比.
CMRR=│Aud/Auc│ 或者CMR=20lg│Aud/Auc│(dB)

12.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；

13.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

II. ADC类型

A/D转换器发展了30多年，经历了多次的技术革新，从并行、逐次逼近型、积分型ADC，到近年来新发展起来的∑-Δ型（Sigma-Delta）和流水线型ADC，它们各有其优缺点，能满足不同的应用场合的使用。
逐次逼近型、积分型、压频变换型等，主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。
分级型和流水线型ADC主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域。
此外，采用脉动型和折叠型等结构的高速ADC，可应用于广播卫星中的基带解调等方面

III.ADC 的选择

首先看精度和速度，然后看输入通道数，输出的接口如 SPI 或者并行的，差分还是单端输入的，输入范围是多少。如何选择你所需要的器件呢？要综合设计的诸项因素，系统技术指标、成本、功耗、安装等，最主要的依据还是速度和精度。

精度与所测量的信号范围有关，但估算时要考虑到其他因素，转换器位数应该比总精度要求的最低分辩率高一位。常见的 AD/DA 器件有 8 位，10 位，12 位，14 位，16 位等。
速度根据输入信号的最高频率来确定，保证 ADC 的转换速率高于系统要求的采样频率。
通道有的单芯片内部含有多个 AD/DA 模块，可同时实现多路信号的转换；常见的多路 AD 器件只有一个公共的 AD 模块，由一个多路转换开关实现分时转换。
数字接口方式接口有并行/串行之分，串行又有 SPI、I2C、SM 等多种不同标准。数值编码通常是二进制，也有 BCD（二~十进制）、双极性的补码、偏移码等。
模拟信号类型通常 AD 器件的模拟输入信号都是电压信号，而 DA 器件输出的模拟信号有电压和电流两种。
同时根据信号是否过零，还分成单极性（Unipolar）和双极性（Bipolar）。
电源电压有单电源，双电源和不同电压范围之分，早期的 AD/DA 器件要有+15V/-15V，如果选用单+5V 电源的芯片则可以使用单片机系统电源。
基准电压有内、外基准和单、双基准之分。 9. 功耗一般 CMOS 工艺的芯片功耗较低，对于电池供电的手持系统对功耗要求比较高的场合一定要注意功耗指标。
封装形式：常见的封装是 DIP，现在表贴型 SO 封装的应用越来越多
跟踪/保持（Track/Hold 缩写 T/H）原则上直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持，其他情况都应加采样保持。
满幅度输出(Rail-to Rail) 新近业界出现的新概念，最先应用于运算放大器领域，指输出电压的幅度可达输入电压范围。在 DA 中一般是指输出信号范围可达到电源电压范围。（国内的翻译并不统一，如“轨-轨”、“满摆幅”）主要针对高精度测量类的 AD. • 参考电压需要足够精确,推荐使用外部高精准参考电压。 • 如果 PGA 可调,增益系数一般是越小噪声越低。 • 一般最好用到满量程,此时 AD 精度不浪费。 • 如果有偏置,需要进行自校

参考文献：
1、模数转换器(ADC)选型参考指南https://blog.csdn.net/qq_43657314/article/details/107719809
2、https://bbs.elecfans.com/jishu_1380156_1_1.html
3、http://blog.sina.com.cn/s/blog_482dc6170102z9o4.html
4、ADC的参数和选择http://blog.sina.com.cn/s/blog_482dc6170102z9o4.html
5、电源抑制比（PSRR ）https://blog.csdn.net/tianpu2320959696/article/details/102989901
6、ADC的几种常见类型http://blog.sina.com.cn/s/blog_789b21400102z4y8.htm