硬件设计：ADC芯片的分类

最新推荐文章于 2025-04-12 17:28:12 发布

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分类专栏： FPGA 数字信号处理嵌入式文章标签：嵌入式硬件 fpga开发

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按照基本的架构来分，ADC（模数转换器）芯片有以下几个类别：

逐次逼近型（SAR）ADC
- 工作原理：
  - 它有一个比较器、一个数模转换器（DAC）和一个逐次逼近寄存器（SAR）。转换开始时，SAR先将最高位（MSB）设为1，其余位设为0，这个数字信号通过DAC转换为模拟电压，与输入的模拟电压进行比较。如果DAC输出的模拟电压大于输入模拟电压，比较器输出为低电平，SAR就将最高位清零；如果DAC输出的模拟电压小于输入模拟电压，比较器输出为高电平，SAR保留最高位的1。然后SAR对次高位进行同样的操作，如此逐位比较，直到确定所有位的值。
- 特点：
  - 中等速度：转换速度一般在每秒几十万次到几百万次采样（kSPS - MSPS）之间。例如，一些常见的SAR ADC转换速度可以达到1MSPS左右，能够满足许多中速数据采集的需求，如工业控制中的温度、压力等传感器数据采集。
  - 中等分辨率：分辨率通常可以达到12 - 16位。这意味着它能够将模拟信号量化为具有较高精度的数字信号，适用于需要一定精度测量的应用。
  - 低功耗：由于其架构相对简单，没有复杂的多级流水线或大量并行比较器，功耗较低。在电池供电的设备中，如便携式仪器仪表，这种低功耗特性非常重要。
  - 易于实现和集成：电路结构相对简单，成本也较低，在微控制器（MCU）和小型嵌入式系统中易于集成，方便实现简单的模拟 - 数字转换功能。
- 应用场景：
  - 工业控制：用于采集温度、压力、流量等传感器信号。例如，在自动化生产线上，通过温度传感器监测设备的温度，SAR ADC将温度传感器输出的模拟信号转换为数字信号，以便微控制器进行处理和控制。
  - 仪器仪表：如数字万用表，用于测量电压、电流等物理量。它将被测的模拟电压或电流信号转换为数字信号，然后通过显示屏显示测量结果。
  - 消费电子：在一些简单的音频设备中，用于音量控制等功能。例如，将电位器输出的模拟音量信号转换为数字信号，以便微控制器根据用户的操作进行音量调节。
闪速型（Flash）ADC
- 工作原理：
  - 也称为并行比较型ADC。它由多个比较器组成，这些比较器同时将输入模拟电压与一系列不同的参考电压进行比较。参考电压是通过电阻分压器网络产生的，有 $2^{n}-1$ 个比较器用于n位分辨率的ADC。例如，对于一个3位的Flash ADC，需要 $2^{3}-1 = 7$ 个比较器。当输入模拟电压处于两个相邻参考电压之间时，相应的比较器输出状态组合通过编码器转换为数字输出代码。
- 特点：
  - 极高的转换速度：是所有ADC类型中速度最快的，转换速率可以达到每秒数十亿次采样（GSPS）级别。这使得它能够快速地捕获高速变化的模拟信号，例如在示波器中用于捕捉高频信号的波形。
  - 低分辨率：通常分辨率较低，一般在8位以下。这是因为随着分辨率的提高，比较器的数量会呈指数级增加。例如，一个8位的Flash ADC需要 $2^{8}-1 = 255$ 个比较器，这会导致芯片面积增大、成本提高和功耗增加。
  - 高成本和高功耗：由于需要大量的比较器和复杂的编码电路，Flash ADC的成本较高，并且功耗较大。大量的比较器同时工作会消耗较多的电能。
- 应用场景：
  - 示波器：用于快速捕获高频信号的波形，如射频信号、高速数字信号的脉冲等。在高速通信测试、电子设备故障诊断等领域发挥重要作用。
  - 高速数据采集系统：对于需要对高速变化的模拟信号进行实时数字化的应用，如高速图像采集（例如某些高速摄像机），可以将光信号转换后的模拟电信号快速转换为数字信号进行存储和处理。
流水线型（Pipeline）ADC
- 工作原理：
  - 它将转换过程分成多个阶段（级），就像流水线一样。每一级都包含一个采样/保持电路、一个低分辨率的ADC（通常是一个简单的Flash ADC或SAR ADC）和一个数模转换器（DAC）。在第一级，输入模拟信号被采样并转换为一个低分辨率的数字信号和一个残差模拟信号。这个残差模拟信号被放大后传递到下一级，下一级再进行类似的操作，各级的数字输出经过组合和校正后得到最终的高分辨率数字输出。
- 特点：
  - 高速度和高分辨率的结合：能够实现较高的采样率，一般可以达到每秒数百兆次采样（MSPS），同时分辨率也可以达到14位以上。这种高速高分辨率的特点使其适用于对信号质量和速度都有要求的应用。
  - 复杂的电路结构：由于采用了多级流水线结构，电路相对复杂，设计和制造难度较大。同时，每一级之间的信号传递和校准需要精确的控制，以确保整个转换过程的准确性。
  - 较高的功耗：因为有多个级联的电路在工作，并且需要对信号进行放大、处理和传递，所以功耗比SAR ADC等要高。
- 应用场景：
  - 通信系统：在基站收发器中，用于将接收到的射频信号进行高速数字化，以便进行数字信号处理，如调制解调、信道编码等。
  - 视频处理：用于视频信号的量化，将模拟视频信号转换为数字视频信号，以便进行视频压缩、存储和播放等操作。例如，在高清视频监控系统中，将摄像头输出的模拟视频信号快速转换为数字信号进行后续处理。
Σ - Δ（Sigma - Delta）型ADC
- 工作原理：
  - 主要由积分器、比较器、1位DAC和数字滤波器组成。它对输入模拟信号进行过采样，即采样频率远高于奈奎斯特频率。在每个采样周期，输入模拟信号与DAC输出的反馈模拟信号在积分器中求和，然后将积分结果与零电平进行比较，比较器输出一位数字信号（通常是0或1）。这个1位数字信号通过DAC转换为模拟信号反馈回积分器，形成一个负反馈环路。经过大量的过采样周期后，通过数字滤波器对这些1位数字信号进行滤波和抽取，得到高分辨率的数字输出。
- 特点：
  - 高分辨率：可以达到24位甚至更高的分辨率，能够对微弱信号进行高精度的量化。这使得它在需要高精度测量的应用中表现出色。
  - 低速度：由于采用了过采样和数字滤波等复杂过程，转换速度相对较慢，一般在每秒几十万次采样（kSPS）以下。
  - 抗干扰能力强：过采样和数字滤波过程可以有效地抑制量化噪声和外部干扰噪声，特别是对高频噪声有很好的抑制作用。
- 应用场景：
  - 音频领域：广泛应用于高品质音频设备，如专业录音设备、高端音频播放器等。可以将模拟音频信号高精度地转换为数字音频信号，以实现高质量的音频录制和播放。
  - 高精度传感器测量：在一些需要高精度测量物理量的传感器系统中，如高精度压力传感器、称重传感器等，用于将传感器输出的微弱模拟信号转换为数字信号，以便进行精确的测量和计算。