为什么我们需要模数转换器？哪个ADC转换器更好？

模数转换器定义

ADC转换器是将模拟信号转换为数字信号的系统。这是一个过滤、采样并保持、量化和编码的过程。模拟信号通过带限滤波、采样保持电路，成为梯形信号，再通过编码器，使梯形信号中的每一电平成为二进制代码。最后，将模拟量转换为数字量，然后传输到CPU。也就是说，几乎所有的通电数据都需要ADC转换。例如，电能表的电能计量、电子秤的重量测量、电子温度计的温度测量以及通信领域。

模数转换步骤

将模拟量转换为数字量的过程称为模数转换，缩写为A/D，完成此功能的电路称为模数转换器，简称ADC。

1）采样是指以固定的间隔用一系列信号样本替换原来的连续信号，即在时间上离散模拟信号。

2）量化使用有限数量的幅度值来近似原始连续变化的幅度值，即将模拟信号的连续幅度以一定的间隔变化为有限数量的离散值。

3）编码是基于一定的规则，量化的值用二进制数表示，然后转换成二进制或多值数字信号流。以这种方式获得的数字信号可以通过电缆、微波干线和卫星频道等数字线路传输。

信号频率越高，A/D电路的工作频率越高。数字越多，信号的恢复精度越准确。MCU的I/O口需要程序配合才能完成A/D转换。更重要的是，A/D芯片也可以单独使用来完成模数转换。

为什么我们需要模数转换器？

计算机软件、无线电和数字图像采集都需要ADC转换器的辅助，即人类数字化的浪潮推动了ADC转换器的发明、发展和不断变化。简而言之，ADC转换器在人类数字化中起着重要作用。

1） 许多录音棚使用 24 位/96 kHz（或更高）脉冲编码调制 （PCM） 或直接流数字 （DSD） 录制格式，然后使用 ADC
采样或抽取信号进行光盘上的数字音频制作。

2） 使用 ADC
以数字形式存储或传输几乎任何模拟信号。例如，电视调谐器卡使用快速视频模数转换器。数字存储示波器需要非常快速的模数转换器，而ADC对于软件定义无线电及其新应用也至关重要。

3）数字成像系统通常使用模数转换器来数字化像素。一些雷达系统通常使用ADC将信号强度转换为数字值，以便进行后续的信号处理。

4）某些非电子或仅部分电子设备（如旋转编码器）也可以视为模数转换器。

图1.模数转换示例（光信号到数字信号）

哪个A/D转换器更好？

经过多年的发展和不断的技术创新，ADC转换器已经从闪存ADC、逐次逼近型ADC、计数/斜率积分ADC发展到Σ-Δ型ADC和流水线型ADC。它们各有优缺点，也可以满足不同的要求。

逐次逼近型ADC、计数/斜率积分ADC和压缩型ADC等主要用于低速或中速、中精度数据采集和智能仪器仪表。分层和流水线ADC主要用于高速信号处理、快速波形存储和数据记录等，如视频信号量化和高速数字通信技术。∑-△
ADC主要用于高精度数据采集，尤其应用于数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。下面简要介绍主要ADC类型。

逐次逼近型 ADC

逐次逼近型ADC被广泛使用。它包括一个比较器、一个数模转换器、一个逐次逼近寄存器 （SAR）
和一个控制逻辑单元。它是连续地将采样输入信号与已知电压进行比较。一个时钟周期完成 1 位转换，N 位转换需要 N
个时钟周期。转换完成，输出二进制数。这类ADC的分辨率和采样率是矛盾的：当ADC分辨率低时，采样率高，如果要提高分辨率，采样率就会受到限制。

优点：当分辨率低于12位时，价格便宜，采样率可以达到1MSPS。与其他类型的类型相比，功耗相当低。

缺点：在高于14位分辨率的情况下，价格更高。传感器产生的信号需要在模数转换之前进行调理，包括增益级和滤波，因此成本将显着增加。

计数/斜率积分ADC

计数/斜率积分ADC也称为双斜率或多斜率ADC，其应用也非常广泛。它由一个带有输入开关的模拟积分器、一个比较器和一个计数单元组成。输入模拟电压通过两次积分转换为与其平均值成比例的时间间隔。同时，使用计数器对该时间间隔内的时钟脉冲进行计数，从而实现模数转换。由于输入端采用积分器，因此具有很强的抑制交流噪声干扰的能力。例如，对于高频噪声和固定低频（50Hz或60Hz）干扰抑制，它适用于嘈杂的工业环境。该型ADC主要用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。

优点：分辨率高，高达22位;低功耗，低成本。

缺点：转换率低，12位时为100~300SPS。

并联模数转换器

Inter
ADC的主要特点是速度快，这是所有类型中最快的。采样率可以达到1GSPS以上。但是，由于功率和音量的限制，很难提高分辨率。采用这种结构的ADC所有位的转换是同时完成的，转换时间主要取决于比较器的开关速度和编码器的传输时间延迟。此外，增加输出代码对转换时间影响不大，但随着分辨率的提高，高密度模拟设计需要大量精密分压电阻和比较器电路进行转换。也就是说，输出数量增加一位，精密电阻数量增加。它即将翻倍，比较器也大约翻倍。

并行比较ADC的分辨率受芯片尺寸、输入电容、功率等的限制。如果并联比较器的精度不匹配，也会引起静态误差，增加输入失调电压。

Σ-Δ型模数转换器

Σ-Δ型ADC由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器组成。原则上，它类似于积分类型。输入电压被转换成时间（脉冲宽度）信号，并由数字滤波器处理以获得数字值。

图2.模数转换器应用示例