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什么是A/D變換器

解釋一下，順便介紹下原理: 問(wèn) 提問(wèn)者：網(wǎng)友 | 2017-09-17

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將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱a/d轉(zhuǎn)換器或adc,analog to digital converter）.模數(shù)轉(zhuǎn)換器是連接模擬和數(shù)字世界的一個(gè)重要接口。A/D轉(zhuǎn)換器將現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)變換成數(shù)字位流以進(jìn)行處理、傳輸及其他操作。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇是至關(guān)重要的。所選擇的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能確保模擬信號(hào)在數(shù)字位流中被準(zhǔn)確地表示，并提供一個(gè)具有任何必需的數(shù)字信號(hào)處理功能的平滑接口，這一點(diǎn)很重要。目前的高速A/D轉(zhuǎn)換器已被應(yīng)用于各種儀表、成像以及通信領(lǐng)域中。對(duì)用戶而言，所有這些應(yīng)用都有著相似的要求，即以較低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)更高的性能。在選擇高速A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，設(shè)計(jì)師必須考慮下面幾個(gè)因素： ● 終端系統(tǒng)的要求 ● 成本 ● 分辨率或精度 ● 速度 ● 性能對(duì)終端系統(tǒng)要求的清晰了解將簡(jiǎn)化A/D轉(zhuǎn)換器的選擇過(guò)程。在某些場(chǎng)合，它可以把所需考慮的選擇參數(shù)限制為屈指可數(shù)的幾個(gè)。例如，很多超聲波應(yīng)用采用的是每個(gè)通道需要一個(gè)A/D的數(shù)字光束成形系統(tǒng)。對(duì)于一個(gè)具有多達(dá)256個(gè)通道的系統(tǒng)而言，具有多通道和低功耗的A/D轉(zhuǎn)換器是一個(gè)合適的選擇。對(duì)于8進(jìn)制A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，超聲波應(yīng)用是主要的終端應(yīng)用。位于A/D之后的DSP或ASIC所使用的電源電壓也是必需加以考慮的。越來(lái)越多的高速A/D將采用3V、2.5V和1.8V的工作電源。價(jià)格是始終需要考慮的因素。如今的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)師正在制作性價(jià)比更為優(yōu)越的A/D。速度與分辨率的關(guān)系目前的高速A/D最初是按速度和分辨率進(jìn)行分類的。轉(zhuǎn)換器的速度是指A/D能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)換的取樣速率或每秒的取樣數(shù)量。對(duì)于高速A/D來(lái)說(shuō)，速度以百萬(wàn)取樣每秒(Msps)為計(jì)量單位。分辨率是指轉(zhuǎn)換器能夠復(fù)制的位數(shù)精度：分辨率越高，則結(jié)果越精確。分辨率以位來(lái)計(jì)量。目前市場(chǎng)上的高速A/D的分辨率為8～16位，速度為2～4Gsps。速度和分辨率始終是一對(duì)矛盾。分辨率的增加通常會(huì)導(dǎo)致可實(shí)現(xiàn)速度的降低。如今的A/D設(shè)計(jì)師擁有更快的處理方法和更多的架構(gòu)以便從中選擇有助于解決速度和分辨率這一對(duì)矛盾的轉(zhuǎn)換器：目前已有16位 20 Msps、10位 300 Msps和8位 1Gsps的A/D。高速A/D的常用架構(gòu)有閃存型（flash）、半閃存型（semi-flash）、SAR型和流水線型四種。 SAR型 A/D通常具有10～16位的分辨率。SAR的架構(gòu)基于一個(gè)比較器。若要獲得n位的分辨率，逐次逼近轉(zhuǎn)換器就必須執(zhí)行n次比較器操作，并把每一次的結(jié)果都存儲(chǔ)在寄存器中。一個(gè)12位轉(zhuǎn)換器需要12個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成一次轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是硅片尺寸小、功耗低且精度高。缺點(diǎn)是取樣速度慢，輸入帶寬低。閃存型A/D的分辨率被限制為8位。閃存型A/D的架構(gòu)基于比較器組，總共有2n-1個(gè)比較器。一個(gè)8位A/D需要256個(gè)比較器。閃存型A/D可并行執(zhí)行多個(gè)轉(zhuǎn)換，因此能達(dá)到非常高的速度。閃存型A/D的優(yōu)點(diǎn)是高輸入帶寬和非常高的速度（達(dá)到1～4Gsps）。缺點(diǎn)是功耗大、輸入電容大且分辨率低。流水線型A/D可提供12～16位分辨率。流水線型A/D由無(wú)數(shù)個(gè)連續(xù)的級(jí)組成，每一級(jí)都包括一個(gè)跟蹤/保持（T/H）電路、一個(gè)低分辨率A/D和D/A以及一個(gè)包含用于提供增益的級(jí)間放大器的加法電路。流水線型A/D的優(yōu)點(diǎn)在于功耗低，取樣速率能達(dá)到100～300Msps。缺點(diǎn)是這種A/D要求50%的占空因數(shù)以及最小的時(shí)鐘頻率。一旦確定了合適的速度/分辨率組合，設(shè)計(jì)師仍然能夠從市場(chǎng)上的幾百種A/D中選出最合適的一個(gè)。對(duì)終端應(yīng)用更為深入的了解將揭示對(duì)附加性能的要求。用于評(píng)定A/D的最常用性能參數(shù)如下： ● 信噪比（SNR） ● 信號(hào)與噪聲加失真之和之比（SINAD） ● 無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍（SFDR） ● 差分線性誤差（DNL或DLE） ● 積分線性誤差（INL或ILE） ● 有效位數(shù)（ENOB） ● 增益誤差 ● 功耗成像應(yīng)用醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用通常要求取樣速率高于40Msps的10～12位A/D。高端應(yīng)用可能要求更高的分辨率：14～16位。A/D的性能對(duì)于圖像質(zhì)量是至關(guān)重要的。對(duì)于DBF超聲波應(yīng)用而言，其目標(biāo)是以最小的功耗和最低的成本提供最佳的圖像質(zhì)量。 ENOB是用于評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于一個(gè)10位轉(zhuǎn)換器而言，ENOB越接近10，圖像的再現(xiàn)質(zhì)量越好。關(guān)注的頻率通常在10～20MHz之間。觀察A/D的ENOB與頻率的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖1），理想的情況是曲線在所關(guān)注的帶寬內(nèi)保持平坦。如果未提供曲線，則可根據(jù)SINAD與頻率的關(guān)系曲線以及下面的公式推導(dǎo)出ENOB與頻率的關(guān)系：6.02n + 1.76 = SINAD，這里，n代表ENOB。例如：圖1中的曲線示出了一個(gè)10位A/D（SPT7883）的SINAD性能。在10和20MHz條件下計(jì)算出的SINAD值分別為60dB和59dB。解出方程中的n值，即可得出10MHz和20MHz時(shí)的ENOB分別為9.67和9.5。儀表應(yīng)用數(shù)據(jù)采集應(yīng)用需要取樣速率高于20Msps的14～16位A/D。一般而言，儀表應(yīng)用采用了品種更加繁多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的選擇對(duì)終端應(yīng)用的依存程度很高。例如，取樣示波器對(duì)電壓輸入進(jìn)行取樣并繪出一幅輸出波形。在這種情況下，8～10位的分辨率便足夠了，但是需要更高的速度（＞20Msps），以便能以更快的速度進(jìn)行取樣。為精確地顯示電壓，精度、偏移增益和線性度也是關(guān)鍵因素。通信應(yīng)用通信應(yīng)用需要取樣速率高于80Msps的12～14位A/D。A/D對(duì)復(fù)雜的波形進(jìn)行數(shù)字化，這樣，利用一個(gè)DSP或ADIC就能執(zhí)行解調(diào)操作。通常采用兩個(gè)A/D對(duì)正交信號(hào)進(jìn)行取樣，以抽取用于處理的I和Q信號(hào)分量。在基帶取樣應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能并不重要，這是因?yàn)楸怀闃拥氖堑皖l和帶限信號(hào)。由于信號(hào)分量是直流，因此諸如增益和偏移等技術(shù)參數(shù)是重要的。例如，如果基帶轉(zhuǎn)換器具有較大的直流偏差，這將表現(xiàn)為直接疊加在有用信號(hào)上的未調(diào)制載波。如果信號(hào)足夠大，它將完全阻斷所需的載波。 A/D的INL和DNL性能也會(huì)限制接收機(jī)的性能。通常情況下，DNL被認(rèn)為是產(chǎn)生A/D量化噪聲的根源之一。但是，在很小的信號(hào)電平（位于或接近接收機(jī)的基準(zhǔn)信號(hào)靈敏度）下，DNL誤差會(huì)在A/D中導(dǎo)致視在增益誤差，從而引發(fā)高達(dá)6dB的誤差?；鶐/D可以是低成本、低功耗和低取樣速率的器件。在IF取樣應(yīng)用中，所有的RF信號(hào)都被轉(zhuǎn)換成較低的頻率以便于檢波。大多數(shù)2G、2.5G和3G應(yīng)用的IF頻率均介于150～250MHz之間。A/D必須具有較快的時(shí)鐘速率和非常寬的輸入帶寬。 SNR和SFDR也是至關(guān)重要的規(guī)格。WCDMA應(yīng)用采用一個(gè)多載波平臺(tái)以同時(shí)對(duì)幾百個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。重要的是轉(zhuǎn)換器不能產(chǎn)生干擾有用信號(hào)的寄生信號(hào)。這些寄生信號(hào)可能表現(xiàn)為諧波或交調(diào)分量，它們將導(dǎo)致接收機(jī)性能的劣化。: 回答者：網(wǎng)友

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