模数转换器

模数转换器，也称为ADC，是一种用于将模拟信号转换为数字格式的数字电路。

将模拟信号转换为数字格式对于借助微处理器、微控制器、数字信号处理器 (DSP) 等数字系统进行处理至关重要。因此，ADC 是计算机和其他数字设备等多种数字系统中的重要组成部分。

在本章中，我们将详细解释模数转换器的概念、组件、类型和应用。

什么是模数转换器?

模数转换器是一种用于将模拟信号转换为数字数据格式的数字电路。它也被称为 ADC。模拟数字转换器是计算机、数据处理器、数字通信系统等数字系统中必不可少的组件。

下图描绘了模拟数字转换器的框图 −

从该图中可以清楚地看出，模拟数字转换器的输入是模拟或自然信号，输出是数字或离散时间信号。

在实际系统中，模拟数字转换器充当外部环境和数字系统之间的接口。

模拟数字转换器的工作原理

模拟数字转换器的工作原理涉及以下解释的过程 −

输入模拟信号

模拟数字转换器以模拟信号作为输入。模拟信号可以是电压、电流、温度、压力或任何其他随时间连续变化的物理量。

采样

在此阶段，模数转换器以固定的时间间隔对输入的模拟信号进行采样。这些时间间隔以采样率来定义。

在采样过程中，在离散的时间瞬间测量随时间连续变化的模拟信号，以收集信号的离散值。

量化

量化是将数字或离散值分配给模拟信号的每个采样值的过程。在量化过程中，所有可能的模拟值的范围被划分为有限数量的离散数字值。

编码

编码是将量化的数字值转换为其等效二进制数的过程。这些编码的二进制数以数字格式表示采样的模拟值。

模数转换器的分辨率、准确度和精度由用于编码的位数决定。

输出数字信号

最后，模数转换器产生数字信号作为输出。该输出数字信号可以由数字系统处理、存储或传输。

模数转换器的性能因素

可以使用几个不同的因素来评估模数转换器的性能。以下两个是最重要的 −

ADC 的信噪比 (SNR)

模拟数字转换器的信噪比 (SNR) 定义为转换器区分所需信号和不需要的噪声信号的能力的量度。

从数学上讲，模拟数字转换器的 SNR 表示为电信号功率(表示有用信息)与噪声信号功率(表示不需要的干扰)之比。

实际上，SNR 以分贝 (dB) 表示，ADC 的 SNR 计算公式如下，

$$\mathrm{SNR \: of \: ADC \: = \: 10 \: \times \: log ( \frac{Electrical \: Signal \: 功率}{噪声 \: 信号 \: 功率})}$$

从这个表达式中可以清楚地看出，更高的信噪比代表模数转换器的性能更好。换句话说，具有高信噪比的模数转换器可以更清楚地区分电信号和噪声信号。因此，模数转换器最好具有高信噪比，以便即使在存在噪声信号的情况下也能准确地捕获和数字化较小的模拟信号。

模数转换器的带宽

模数转换器的带宽不过是它可以采样和准确数字化的频率范围。模数转换器的采样率决定了其带宽。其中，采样率定义为每秒对模拟信号进行的采样数。

根据奈奎斯特-香农采样定理，模数转换器的最大采样率应至少为输入模拟信号中最大频率分量的两倍。这是避免信号误识别的重要因素，误识别会导致采样失真或错误。

让我们举一个例子来理解这一点，考虑一个最大采样率为 150 kHz 的模数转换器，那么它的带宽应该限制在 75 kHz 以下的频率以防止失真。

因此，模数转换器必须具有足够的带宽才能准确捕获高频模拟信号。

模数转换器的类型

在数字电子技术中，不同类型的模数转换器 (ADC) 旨在满足不同应用的需求。一些常见的模数转换器类型包括以下 −

• 闪存 ADC
• 半闪存 ADC
• 逐次逼近寄存器ADC
• Sigma-Delta ADC
• 流水线 ADC

闪存 ADC

闪存 ADC，也称为直接 ADC，是目前最快的 ADC。这种类型的 ADC 的采样率约为千兆赫。闪存 ADC 之所以能提供如此高的速度，是因为它们使用了一组可以并行运行的比较器，每个比较器都针对特定的电压范围。

但是，与其他类型的 ADC 相比，闪存 ADC 的尺寸相对较大，成本也更高。此外，它们消耗的电量也相对较多。对于闪存 ADC，如果 ADC 的分辨率为"n 位"，则其组中需要 (2ⁿ – 1) 个比较器。例如，具有 8 位分辨率的闪存 ADC 需要 (2⁸ – 1 = 255) 个比较器。

闪存模数转换器主要用于视频信号或光学存储中的快速信号的数字化。

半闪存 ADC

半闪存 ADC 是一种模拟数字转换器，它结合了闪存 ADC 的快速性和较少的比较器数量。这两个特点使半闪存 ADC 比闪存 ADC 体积更小，成本更低。

在半闪存模拟数字转换器中，使用两个并行运行的独立闪存转换器。每个转换器的分辨率是整个半闪存 ADC 位数的一半。一个转换器处理信号的最高有效位 (MSB)，另一个转换器处理信号的最低有效位 (LSB)。

经过处理后，两个转换器产生的输出被组合起来，以生成半闪存 ADC 的最终数字输出。

半闪存模拟数字转换器的最显著优势是，它需要的比较器数量比普通闪存 ADC 少，同时保持高速运行。这导致尺寸更小、复杂性和成本降低。但是，完成转换过程需要更多时间，因为它需要一些额外的时间来组合两个独立转换器的部分结果。

半闪存模拟数字转换器广泛用于需要在速度、分辨率和成本之间取得平衡的应用中。

逐次逼近寄存器 ADC

逐次逼近寄存器模拟数字转换器，简称 SAR ADC，是一种使用一系列比较来确定数字输出的每个位的模拟数字转换器。

SAR ADC 通过初始化其内部逼近寄存器开始工作。然后，它对输入模拟信号进行采样并将其稳定存储，直到转换过程完成。

之后，使用二进制搜索算法对输入信号进行逼近。此过程首先将输出数字信号的最高有效位 (MSB) 设置为最高值，然后将该值与采样的输入模拟信号进行比较。

下一步，SAR ADC 将采样的输入模拟信号与内部数模转换器的输出进行比较，该转换器产生与输入信号的当前近似值成比例的信号。

根据比较结果，SAR ADC 依次改变数字输出中每个位的值，直到获得所需的输出。一旦确定了数字输出的所有位，SAR 转换器就完成转换过程。获得的数字输出表示采样输入模拟信号的数字近似值。

SAR 模数转换器通常用于各种应用，例如消费电子产品、医疗仪器、数据采集系统等。

Sigma-Delta ADC

Sigma-Delta 模数转换器，也表示为 ΣΔ ADC，是一种提供高分辨率的模数转换器，用于需要精确测量和信号处理的应用，如录音、高质量音频系统、基于传感器的系统、精密仪器等。

Sigma-Delta ADC 的工作原理涉及以下过程 −

首先，它以明显高于奈奎斯特速率的频率对模拟输入信号进行采样，以捕获有关输入信号的更多信息。此过程称为过采样。

然后，使用增量调制将过采样的模拟信号转换为一系列数字脉冲。在增量调制过程中，模拟输入信号的连续样本之间的差异或增量被量化并转换为数字形式。

现在，执行 sigma-delta 调制，其中使用 sigma-delta 调制器来调制实际模拟信号与其数字形式之间的差异。在此调制中，量化噪声被推离所需频带并朝向更高的频率。

在 sigma-delta 调制之后，数字信号通过低通滤波器，该滤波器可消除过采样和 sigma-delta 调制期间可能引入的高频噪声。该低通滤波器通过提取低频分量产生高分辨率数字输出。

在转换过程结束时，数字信号被下采样(即抽取)以将其采样率降低到所需的输出率。

流水​​线 ADC

流水线模拟数字转换器是一种类似于 SAR ADC 的 ADC，但它执行粗略和精细的转换。它在分辨率和速度之间取得平衡，使其适合用于通信系统、医疗测试设备、多媒体、工业控制系统等。

流水线 ADC 分为多个阶段，每个阶段完成模拟数字转换的特定部分。之所以称为流水线 ADC，是因为所有阶段都以流水线方式进行，其中一个阶段的输出进入下一个阶段。

在流水线 ADC 中，模拟输入信号被分成多个子范围，流水线的每个阶段都执行子范围的量化，以将模拟输入信号转换为数字形式。值得注意的是，流水线 ADC 的所有阶段都并行运行，以提供更快的转换速率。

流水线 ADC 使用各种数字校正技术，如数字校准、误差校正算法和数字滤波，以消除在模数转换过程中可能引入的误差。这提高了数字输出的准确性和可靠性。

以上就是数字电子器件中一些常用的模数转换器 (ADC) 类型。

模数转换器的应用

模数转换器 (ADC) 用于各种行业和领域，这些行业和领域必须使用计算机等数字系统处理、分析或传输模拟信号。下面列出了一些常见的模数转换器应用 −

• 在数字信号处理领域，ADC 用于将从传感器、麦克风或其他模拟设备获得的模拟信号转换为数字格式，以便使用数字处理器进行处理。
• 在音频处理应用中，ADC 用于将模拟音频信号转换为数字格式，以便在数字系统中进行存储、操作和传输。
• ADC 是科学研究、工业自动化和仪器仪表领域中使用的各种数据采集系统中必不可少的组件。
• 在通信系统中，ADC 用于将模拟音频或视频信号转换为数字格式，以便通过通信信道传输。
• ADC 用于无线电接收器，用于数字化接收到的射频 (RF) 信号。
• ADC 在多种医疗设备和医疗保健系统中发挥着重要作用，用于转换各种模拟生物信号和生理参数如心率、血压、血氧饱和度、EEG 信号等转换为数字格式，以便使用数字系统进行处理。
• 在汽车电子中，ADC 用于将从测量温度、扭矩、速度等参数的传感器接收到的模拟信号转换为数字格式，用于驾驶辅助和车辆诊断。
• ADC 还用于各种消费电子设备，如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、娱乐设备等。

这些是模数转换器 (ADC) 在各个领域和行业中应用的一些示例。

结论

在本章中，我们详细解释了模数转换器、它们的类型和应用。总之，模数转​​换器是一种可以将模拟输入信号转换为数字输出信号的电子电路。

ADC 是各个行业使用的多种设备和系统中的重要组成部分。这是因为，实时接收的信号(如语音信号、传感器信号等)本质上是模拟信号，无法使用计算机等数字系统进行处理。ADC 有助于克服这一接口问题。基本上，ADC 充当模拟输入设备和数字处理元件之间的接口。