工業應用中的 ADC 基礎知識

確定特定高精度工業應用中采用哪種 ADC，這需要一定程度的專業知識，以確保最為相關的因素不被忽視，并實現設計的性能目標。 

圖1: 模數轉換

為高精度工業應用選擇 ADC 時需要考慮的因素

分辨率：分辨率是用于將輸入模擬信號表示為數字值的比特位數。它很大程度上取決于應用需求和所需的精度水平。具有較高分辨率的 ADC 將生成更精確可靠的測量結果。N 位轉換器的分辨率為 100/2N %。例如，一個 12 位轉換器具有 2^12 個不同的級別或 0.0244% 的分辨率。然而，現實世界中的 ADC 并非理想，我們還需考慮 ADC 的噪聲和線性性能，因為這些因素會導致精度低于 ADC 的分辨率。但選擇更高分辨率的數據轉換器會導致更高功耗、更低采樣率和更高的成本，因此，設計人員需要在所需分辨率和實際考量因素（例如可用電源和轉換率要求）之間進行權衡。

采樣：采樣即 ADC 采樣輸入信號的頻率。必須慎重選擇該參數以確保采樣能夠提供所有的重要信息。根據 Nyquist-Shannon 采樣定理，采樣率應至少為輸入信號中最高頻率分量的兩倍，以避免混疊。

線性度：線性度表達了 ADC 輸出在整個輸入值范圍內對輸入信號的反映情況。選擇具有高線性度的 ADC 非常重要，因為非線性會導致測量的不準確。ADC 的線性度具體體現為微分非線性 (DNL) 和積分非線性 (INL)。DNL 是相鄰數字代碼間寬度與理想模擬步長之間的最大偏差；INL 則是由于DNL累計而偏離理想值的最壞情況。在頻域中，非線性會導致失真，而失真則會影響轉換精度（請參閱下面關于 ENOB 的討論），因此，線性度是高頻應用中的重要考量因素。

噪聲性能：ADC 測量是否精確還取決于其噪聲性能。ADC 的本底噪聲必須低于所需的信號電平，而且信噪比 (SNR) 應較高，以最大限度地減少附加噪聲。有效位數 (ENOB) 是一項很有用的指標，它結合了 SNR 和失真的影響來測量 ADC 的精度。例如，ENOB 為 15.3 位的 16 位 ADC 比 ENOB 為 14.4 位的 16 位 ADC 更精確。

采樣率：采樣率即 ADC 采樣輸入信號的頻率。必須慎重選擇該參數以確保采樣能夠提供所有的重要信息。根據 Nyquist-Shannon 采樣定理，采樣率應至少為輸入信號中最高頻率分量的兩倍，以避免混疊。較高的采樣率可簡化濾波要求，但代價是更高的功耗和可能更高的數據處理要求。

功耗：系統的運行成本和散熱特性受 ADC 功耗的影響。在關注能效或電池壽命的應用中，應首選低功耗 ADC ，以最大限度地減少功耗。功耗還與熱耗散密切相關，溫度的變化會影響模擬和混合信號電路的精度，因此需要額外的散熱設計工作以確保電路可靠的運行。

溫度范圍：應用將隨其所在的溫度條件而產生變化。周圍環境的溫度范圍和電子設備的自熱情況都對確定 ADC 所需的溫度規格起著重要作用。工業應用一般要求 ADC 能夠在 -40C 至 +85C 或 +125C 的溫度范圍內有效運行。

架構：工業應用中最常見的 ADC 架構包括 delta-sigma（ΔΣ，有時也稱為 sigma-delta，ΣΔ）和逐次逼近寄存器 (SAR)。兩種架構各有其特點與利弊。

Delta-sigma ADC 和 SAR ADC

在精密工業應用中，delta-sigma ADC 在什么情況下優于 SAR ADC？

在工業應用中，選擇 delta-sigma 還是 SAR 可能會很棘手。但根據以下特性，將很容易得出 delta-sigma 優于 SAR 的結論：

●   分辨率：Delta-sigma ADC 可以實現比 SAR ADC 更高的分辨率，因為 Delta-sigma ADC 對輸入信號進行過采樣（oversample），同時利用數字濾波來最小化噪聲并提高 ADC 的有效分辨率。Delta-sigma ADC 通常用于需要高精度且精密的應用場合。

●   低頻輸入信號：Delta-Sigma ADC 因其過采樣架構而成為低頻輸入信號的絕佳選擇。它能夠有效降低 ADC 產生的量化噪聲，從而實現更精確可靠的測量。

●   線性度：使用 1 位量化器的 Delta-sigma ADC 具備固有高線性度，因此可以產生精確的測量結果。

●   濾波要求：Delta-Sigma ADC 可以通過對輸入信號進行過采樣來有效執行抗混疊濾波，從而最大限度地減少對外部濾波電路的需求。這簡化了設計并降低了整個系統的成本與尺寸。

●   噪聲性能：Delta-sigma ADC 通過對輸入信號進行過采樣并利用噪聲整形技術來降低輸入信號中噪聲的影響。它將量化噪聲推入更高的頻率，從而更輕松地將其濾除。

盡管 delta-sigma 具有多項優勢，但在以下情況下，SAR ADC 可能是首選 ADC： 

●   速度：SAR ADC 非常適合需要高速采樣和轉換的應用，例如數據采集系統。此外，由于 SAR ADC 在一個輸出中進行采樣和轉換，因此還非常適合快速響應控制環路應用。

●   多路復用應用：在轉換多個信號方面，SAR ADC 優于 Delta-Sigma ADC。因為 SAR ADC 更適合處理多路復用輸入；而 Delta-Sigma ADC 依賴過采樣，當從一個通道切換到另一個通道時，過采樣可能會受到輸入電壓階躍變化的影響。

總之，Delta-sigma ADC 因其出色的分辨率、線性度和噪聲性能，在精密工業應用中通常比 SAR ADC 更受青睞。但是，當速度或復用多個輸入是更重要的考量因素時，SAR ADC 則為首選。因此選擇 delta-sigma 或 SAR ADC 時，需根據應用對速度、精度、功耗和溫度額定值的要求來考量轉換器的性能。