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ADC是模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital?Converter）的縮寫(xiě)。它是一種電子設(shè)備或模塊，用于將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，以便數(shù)字系統(tǒng)（如微處理器、微控制器等）能夠?qū)ζ溥M(jìn)行處理和分析。
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），A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。
ADC建立了模擬世界的傳感器和數(shù)字世界的信號(hào)處理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的聯(lián)系。當(dāng)然，數(shù)字信號(hào)通過(guò)處理器處理后，也可以通過(guò)DAC還原回去。
采樣
采樣是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。這里采樣需遵循奈奎斯特采樣定理，即當(dāng)采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率成分的兩倍時(shí)，采樣值才能不失真的反映原來(lái)的模擬信號(hào)。FS≧2F
保持
模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在采樣電路之后須加保持電路。
輸入的模擬信號(hào)電壓經(jīng)過(guò)采樣保持后，得到的是階梯波。
采樣 - 保持電路的基本形式如下：
采樣 - 保持的基本步驟：
當(dāng)采樣控制信號(hào) vL 為高電平時(shí)，使 MOS 管 T 導(dǎo)通，v1 經(jīng)過(guò)電阻 1 和 MOS 管 T，給電容 CH 充電。
若取 R1=RF，則充電結(jié)束后 v0=vc=?v1。
當(dāng)采樣控制信號(hào) vL 為低電平，MOS 管 T 截止，電容 CH 上的電壓不會(huì)突變，所以 v0 也能保持一段時(shí)間，采樣結(jié)果得以被記錄下來(lái)。
量化
采樣得到的數(shù)字量，必須為某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)值單位的整數(shù)倍，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程稱為量化，所取的最小數(shù)量單位稱為量化單位 Δ。數(shù)字信號(hào)最低有效位 LSB（last significant bit） 的 1 所代表的數(shù)量大小就等于 Δ。
LSB=Vref/2N
因?yàn)槟M電壓是連續(xù)的，不一定能被?Δ 整除，因此會(huì)出現(xiàn)量化誤差。
量化級(jí)越細(xì)，量化誤差就越小，所用二進(jìn)制代碼的位數(shù)就越多，電路也越復(fù)雜。
編碼
將量化的結(jié)果用二進(jìn)制(或其他進(jìn)制)表示出來(lái)，稱為編碼。
ADC的指標(biāo)參數(shù)
一、基本參數(shù)
分辨率
ADC分辨率為用于表示模擬輸入信號(hào)的位數(shù)。為了更準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)模擬信號(hào)，就必須提高分辨率。使用較高分辨率的ADC也降低量化誤差。對(duì)于DAC，分辨率與此類似：DAC的分辨率越高，增大編碼時(shí)在模擬輸出端產(chǎn)生的步進(jìn)越小。
采集時(shí)間
采集時(shí)間是從釋放保持狀態(tài)(由采樣-保持輸入電路執(zhí)行)到采樣電容電壓穩(wěn)定至新輸入值的1 LSB范圍之內(nèi)所需要的時(shí)間。采集時(shí)間(Tacq)的公式如下：
式中，RSOURCE為源阻抗，CSAMPLE為采樣電容，N為分辨率位數(shù)。
建立時(shí)間
對(duì)于DAC，建立時(shí)間是從更新(改變)其輸出值的命令到輸出達(dá)到最終值(在規(guī)定百分比之內(nèi))之間的時(shí)間間隔。建立時(shí)間受輸出放大器的擺率和放大器振鈴及信號(hào)過(guò)沖總量的影響。對(duì)于ADC，采樣電容電壓穩(wěn)定至1 LSB所需的時(shí)間小于轉(zhuǎn)換器的捕獲時(shí)間至關(guān)重要。
最低有效位(LSB)
最低有效位又稱最小分辨率，滿量程值除以ADC的分辨率就是LSB。在二進(jìn)制數(shù)中，LSB為最低加權(quán)位。通常，LSB為最右側(cè)的位。對(duì)于ADC，LSB的權(quán)重等于轉(zhuǎn)換器的滿幅電壓范圍除以2N，其中N為轉(zhuǎn)換器的分辨率。對(duì)于12位ADC，如果滿幅電壓為2.5V，則1LSB = (2.5V/212) = 610μV
量程（full-scale range, FSR）
對(duì)ADC芯片，量程指芯片允許輸入模擬信號(hào)范圍，與dBm有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，單位一般用dBFS。在滿量程之前，dBFS與dBm呈線性關(guān)系，即XdBm減小1dB，則XdBFS對(duì)應(yīng)減小1dBFS。
????? dBFS是數(shù)字信號(hào)電平單位，簡(jiǎn)稱滿度相對(duì)電平。Full Scale 指0 dBFS 的位置, 0 dBFS就是最大編碼電平，不同ADC的0 dBFS 實(shí)際對(duì)應(yīng)值不同，它也是數(shù)字峰值表滿度的參考電平。數(shù)字信號(hào)以ADC能處理的最大模擬信號(hào)的編碼為最大值，即0 dBFS, 實(shí)際數(shù)字信號(hào)的幅度的編碼相對(duì)于這個(gè)最大值的信號(hào)編碼所代表的幅度之比，即為滿度相對(duì)電平（dBFS）。因?yàn)橐?guī)定最大值為0 的位置，所以，一片ADC實(shí)際處理的信號(hào)的滿度相對(duì)電平都是負(fù)值。
二、靜態(tài)參數(shù)
微分非線性(DNL)誤差
對(duì)于ADC，觸發(fā)任意兩個(gè)連續(xù)輸出編碼的模擬輸入電平之差應(yīng)為1 LSB (DNL = 0)，實(shí)際電平差相對(duì)于1 LSB的偏差被定義為DNL。對(duì)于DAC，DNL誤差為連續(xù)DAC編碼的理想與實(shí)測(cè)輸出響應(yīng)之差。理想DAC響應(yīng)的模擬輸出值應(yīng)嚴(yán)格相差一個(gè)編碼(LSB)(DNL = 0)。
積分非線性(INL)誤差
對(duì)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，積分非線性(INL)是實(shí)際傳遞函數(shù)與傳遞函數(shù)直線的偏差。消除失調(diào)誤差和增益誤差后，該直線為最佳擬合直線或傳遞函數(shù)端點(diǎn)之間的直線。INL往往被稱為“相對(duì)精度”。
三、動(dòng)態(tài)參數(shù)
動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍定義為器件本底噪聲至其規(guī)定最大輸出電平之間的范圍，通常以dB表示。ADC的動(dòng)態(tài)范圍為ADC能夠分辨的信號(hào)幅值范圍；如果ADC的動(dòng)態(tài)范圍為60dB，則其可分辨的信號(hào)幅值為x至1000x。對(duì)于通信應(yīng)用，信號(hào)強(qiáng)度變化范圍非常大，動(dòng)態(tài)范圍非常重要。如果信號(hào)太大，則會(huì)造成ADC輸入過(guò)量程；如果信號(hào)太小，則會(huì)被淹沒(méi)在轉(zhuǎn)換器的量化噪聲中。
互調(diào)失真(IMD)
IMD是指由于電路或器件的非線性產(chǎn)生的原始信號(hào)中并不存在的新頻率分量的現(xiàn)象。IMD包括諧波失真和雙音失真。測(cè)量時(shí)，將其作為將所選交調(diào)產(chǎn)物(即IM2至IM5)的總功率與兩個(gè)輸入信號(hào)(f1和f2)的總功率之比。2階至5階交調(diào)產(chǎn)物如下：
2階交調(diào)產(chǎn)物(IM2)：f1 + f2、f2 - f1
3階交調(diào)產(chǎn)物(IM3)：2 x f1 - f2、2 x f2 - f1、2 x f1 + f2、2 x f2 + f1
4階交調(diào)產(chǎn)物(IM4)：3 x f1 - f2、3 x f2 - f1、3 x f1 + f2、3 x f2 + f1
5階交調(diào)產(chǎn)物(IM5)：3 x f1 - 2 x f2、3 x f2 - 2 x f1、3 x f1 + 2 x f2、3 x f2 + 2 x f1
信噪比(SNR)
信噪比(SNR)是給定時(shí)間點(diǎn)有用信號(hào)幅度與噪聲幅度之比，該值越大越好。對(duì)于由數(shù)字采樣完美重構(gòu)的波形，理論上的最大SNR為滿幅模擬輸入(RMS值)與RMS量化誤差(剩余誤差)之比。理想情況下，理論上的最小ADC噪聲僅包含量化誤差，并直接由ADC的分辨率(N位)確定：
(除量化噪聲外，實(shí)際ADC也產(chǎn)生熱噪聲、基準(zhǔn)噪聲、時(shí)鐘抖動(dòng)等。)
總諧波失真(THD)
實(shí)際器件的轉(zhuǎn)換過(guò)程中電路的非線性會(huì)引入諧波失真信納比（SINAD）表示信號(hào)與噪聲和諧波失真總能量的比值SINAD=SNR+THD
THD測(cè)量信號(hào)的失真成分，用相對(duì)于基波的分貝(dB)表示。測(cè)量時(shí)，只有在奈奎斯特限值之內(nèi)的諧波被包含在內(nèi)。
信納比(SINAD)
SINAD是正弦波(ADC的輸入，或DAC恢復(fù)的輸出)的RMS值與轉(zhuǎn)換器噪聲加失真(無(wú)正弦波)的RMS值之比。RMS噪聲加失真包括奈奎斯特頻率以下除基波和直流失調(diào)以外的所有頻譜成分。SINAD通常表示為dB。
有效位數(shù)(ENOB)
ENOB表示一個(gè)ADC在特定輸入頻率和采樣率下的動(dòng)態(tài)性能。理想ADC的誤差僅包含量化噪聲。當(dāng)輸入頻率升高時(shí)，總體噪聲(尤其是失真分量)也增大，因此降低ENOB和SINAD(參見(jiàn)“信號(hào)與噪聲+失真比(SINAD)”)。滿幅、正弦輸入波形的ENOB由下式計(jì)算：
過(guò)采樣
對(duì)于ADC，如果采樣模擬輸入的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特頻率，則稱為過(guò)采樣。過(guò)采樣有效降低了噪底，所以提高ADC的動(dòng)態(tài)范圍。提高動(dòng)態(tài)范圍又進(jìn)而提高了分辨率。過(guò)采樣是Σ-Δ ADC的基礎(chǔ)。
對(duì)于理想ADC而言，SQNR代表信噪比SNR。對(duì)于奈奎斯特速率的ADC，可通過(guò)增加采樣位數(shù)，改善SNQR。對(duì)于Sigma-Delta ADC，通過(guò)K倍過(guò)采樣，將量化噪聲擴(kuò)展至KFs/2，降低Fs/2內(nèi)的噪聲功率，同樣改善了SNQR。
6.02N+1.76dB+10Log（K/2）
下載ECAD模型
