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使用数字系统（如微处理器、微控制器、数字信号处理器 (DSP) 等）处理它们至关重要。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件。

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？

模数转换器是一种旨在执行模拟信号到数字数据格式转换的数字电路。它也称为ADC。模数转换器是计算机、数据处理器、数字通信系统等数字系统中的重要组件。

下图显示了模数转换器的框图 -

从该图可以清楚地看出，模数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，模数转换器充当外部环境和数字系统之间的接口。

模数转换器的原理

模数转换器的原理涉及以下解释的过程 -

输入模拟信号

模数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，模数转换器以规则的时间间隔对输入模拟信号进行采样。这些时间间隔以采样率来定义。

在采样过程中，随时间连续变化的模拟信号在离散的时间点进行测量，以收集信号的离散值。

量化

量化是为模拟信号的每个采样值分配数字或离散值的过程。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、精度和准确度由用于编码的位数决定。

输出数字信号

最后，模数转换器输出数字信号。此输出数字信号可以由数字系统进行处理、存储或传输。

模数转换器的性能因素

可以使用多种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)

模数转换器的信噪比 (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度量。

在数学上，模数转换器的SNR表示为表示有用信息的电信号的功率与表示不需要的干扰的噪声信号的功率之比。

在实践中，SNR以分贝 (dB) 表示，计算ADC的SNR的公式如下所示，

$$\mathrm{SNR \: of \: ADC \: = \: 10 \: \times \: log ( \frac{Electrical \: Signal \: Power}{Noise \: Signal \: Power})}$$

从该表达式可以清楚地看出，更高的SNR表示模数转换器具有更好的性能。换句话说，具有高SNR的模数转换器可以更清晰地区分电信号和噪声信号。因此，期望模数转换器具有高SNR，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

模数转换器的带宽只不过是它可以准确采样和数字化的频率范围。模数转换器的采样率决定了其带宽。其中，采样率定义为每秒采集的模拟信号样本数。

根据奈奎斯特-香农采样定理，模数转换器的最大采样率至少应为输入模拟信号中最大频率分量的两倍。这是一个重要的因素，可以避免信号的错误识别，这可能在采样中引入失真或错误。

让我们举一个例子来理解这一点，假设一个模数转换器的最大采样率为150 kHz，那么其带宽应限制在低于75 kHz的频率，以防止失真。

因此，模数转换器应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

在数字电子学中，设计了不同类型的模数转换器 (ADC) 以满足不同应用的要求。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
Σ-Δ ADC
流水线ADC

闪存ADC

闪速ADC，也称为直接ADC，是速度最快的ADC。这种类型的ADC具有千兆赫兹量级的采样率。闪速ADC之所以能够提供如此高的速度，是因为它们使用了一组比较器，这些比较器可以并行工作，每个比较器负责一定的电压范围。

然而，闪速ADC的尺寸相对较大，成本也比其他类型的ADC高。此外，它们消耗的功率也相对较高。对于闪速ADC，如果“n位”是ADC的分辨率，则它需要(2ⁿ – 1)个比较器。例如，一个具有8位分辨率的闪速ADC需要(2⁸ – 1 = 255)个比较器。

闪速模数转换器主要用于视频信号或光存储中的快速信号的数字化。

半闪存ADC

半闪速ADC是一种模数转换器，它结合了闪速ADC的高速度和减少的比较器数量。这两项特性使半闪速ADC的尺寸更小，成本更低，与闪速ADC相比更具成本效益。

在半闪速模数转换器中，使用了两个独立的闪速转换器，它们并行工作。每个转换器具有分辨率，其位数是整个半闪速ADC位数的一半。一个转换器处理最高有效位（MSB），另一个转换器处理信号的最低有效位（LSB）。

处理后，两个转换器产生的输出组合在一起，生成半闪速ADC的最终数字输出。

半闪速模数转换器最显著的优势在于，它在保持高速操作的同时，需要的比较器数量少于普通闪速ADC。这使得它尺寸更小，复杂度和成本更低。然而，它需要更长的时间来完成转换过程，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。

半闪速模数转换器广泛应用于需要在速度、分辨率和成本之间取得平衡的应用中。

逐次逼近寄存器ADC

逐次逼近寄存器模数转换器，缩写为SAR ADC，是一种模数转换器，它使用一系列比较来确定数字输出的每一位。

SAR ADC的工作原理是初始化其内部逼近寄存器。然后，它采集输入模拟信号的样本，并将其稳定存储，直到转换过程完成。

之后，利用二分查找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，并将此值与采样的输入模拟信号进行比较。

在下一步中，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，该转换器产生一个与输入信号当前逼近值成比例的信号。

根据比较结果，SAR ADC依次更改数字输出中每一位的值，直到获得所需的输出。一旦确定了数字输出的所有位，SAR转换器就完成了转换过程。获得的数字输出表示采样输入模拟信号的数字逼近值。

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

Σ-Δ ADC

ΣΔ模数转换器，也表示为ΣΔ ADC，是一种模数转换器，它提供高分辨率，并用于需要精确测量和信号处理的应用中，例如音频录制、高品质音频系统、基于传感器的系统、精密仪器等。

ΣΔ ADC的工作原理包括以下过程：

首先，它以远高于奈奎斯特频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ΣΔ调制，其中使用ΣΔ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的频带，并向更高的频率移动。

ΣΔ调制后，数字信号通过一个低通滤波器，该滤波器去除过采样和ΣΔ调制过程中可能引入的高频噪声。此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，数字信号进行下采样（即抽取），以将其采样率降低到所需的输出率。

流水线ADC

流水线模数转换器是一种ADC，类似于SAR 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分多个阶段工作，每个阶段完成模数转换的特定部分。它被称为流水线ADC，因为所有阶段都以流水线的方式进行，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，流水线的每个阶段对子范围进行量化，以将模拟输入信号转换为数字形式。需要注意的是，流水线ADC的所有阶段都并行工作，以提供更快的转换速度。

流水线ADC使用各种数字校正技术，例如数字校准、纠错算法和数字滤波，以消除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。

这都是关于数字电子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，在这些行业和领域中，模拟信号必须使用数字系统（如计算机）进行处理、分析或传输。下面列出了模数转换器的一些常见应用：

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对其进行处理。
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的重要组成部分。
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用于无线电接收机中，用于对接收到的射频（RF）信号进行数字化。
ADC在多种医疗设备和医疗保健系统中发挥着重要作用，用于将各种模拟生物信号和生理参数（如心率、血压、血氧饱和度、脑电图信号等）转换为数字格式，以便使用数字系统对其进行处理。
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，以用于驾驶员辅助和车辆诊断。
ADC还广泛应用于各种消费电子设备，例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、娱乐设备等。

这些只是模数转换器（ADC）在各个领域和行业中的应用的一些例子。

结论

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

ADC是各种行业中使用的多种设备和系统的重要组成部分。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，无法使用数字系统（如计算机）进行处理。ADC有助于克服此接口问题。基本上，ADC充当模拟输入设备和数字处理单元之间的接口。

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