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adc [2022/11/08 11:24] gongyu [1. ADC的基本概念] |
adc [2022/12/02 10:33] (当前版本) zili |
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[[acdlearning|模拟电路工程化设计大师课]] | [[acdlearning|模拟电路工程化设计大师课]] | ||
- | ## 第三节:讲讲模数转换器 - ADC | + | ## 第二节:高速ADC的关键技术指标 |
ADC是Analog-to-Digital Converter的缩写,即模拟/数字转换器,我们简称为模数转换器。用于将模拟信号,比如温度、压力、电压、电流、距离或光强度等实际电信号转换成数字信号,然后,系统可以处理、控制、计算、传输或存储此数字表示,ADC多应用于传感器信号采集,是涉及到模拟信号的数字电路中不可或缺的器件。目前许多[[MCU]]与几款高端[[FPGA]]已经将ADC集成在了芯片内部。 | ADC是Analog-to-Digital Converter的缩写,即模拟/数字转换器,我们简称为模数转换器。用于将模拟信号,比如温度、压力、电压、电流、距离或光强度等实际电信号转换成数字信号,然后,系统可以处理、控制、计算、传输或存储此数字表示,ADC多应用于传感器信号采集,是涉及到模拟信号的数字电路中不可或缺的器件。目前许多[[MCU]]与几款高端[[FPGA]]已经将ADC集成在了芯片内部。 | ||
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### 1. ADC的基本概念 | ### 1. ADC的基本概念 | ||
ADC以均匀的时间间隔对模拟波形进行采样,并将数字值分配给每个样本。数字值以二进制编码格式在转换器的输出端显示。通过将采样模拟输入电压除以基准电压,再乘以数字码数得到此值。转换器的分辨率由输出码中的二进制位数来设定。 | ADC以均匀的时间间隔对模拟波形进行采样,并将数字值分配给每个样本。数字值以二进制编码格式在转换器的输出端显示。通过将采样模拟输入电压除以基准电压,再乘以数字码数得到此值。转换器的分辨率由输出码中的二进制位数来设定。 | ||
- | {{ :digioutcode.png |}}<WRAP centeralign>数字输出码</WRAP> | + | |
+ | {{drawio>adccoding.png}}<WRAP centeralign>数字输出码</WRAP> | ||
ADC执行两个过程:采样和量化。ADC将无限分辨率的模拟信号表示为有限分辨率的数字码。ADC会产生2的N次方个数字值,其中N表示二进制输出位数。由于转换器的分辨率有限,模拟输入信号将落在量化电平之间,从而导致固有的不确定性或量化误差。该误差可确定转换器的最大动态范围。 | ADC执行两个过程:采样和量化。ADC将无限分辨率的模拟信号表示为有限分辨率的数字码。ADC会产生2的N次方个数字值,其中N表示二进制输出位数。由于转换器的分辨率有限,模拟输入信号将落在量化电平之间,从而导致固有的不确定性或量化误差。该误差可确定转换器的最大动态范围。 | ||
- | {{ :quantizationprocess.png |}}<WRAP centeralign>量化过程</WRAP> | + | {{drawio>adc3bits.png}}<WRAP centeralign>量化过程</WRAP> |
采样过程提供连续时域信号,信号值以离散、均匀的时间间隔测量。 | 采样过程提供连续时域信号,信号值以离散、均匀的时间间隔测量。 | ||
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基于输入模拟信号的满量程最大值、ADC的基准电压,以及ADC的位数,就可以计算出ADC量化后1个LSB能够分辨的模拟信号的最小值。比如我们采用1.024V作为ADC的基准电压,12位的ADC,一个最低有效位能够分辨的模拟信号的幅度为1.024V ÷ 4096 = 250μV。 | 基于输入模拟信号的满量程最大值、ADC的基准电压,以及ADC的位数,就可以计算出ADC量化后1个LSB能够分辨的模拟信号的最小值。比如我们采用1.024V作为ADC的基准电压,12位的ADC,一个最低有效位能够分辨的模拟信号的幅度为1.024V ÷ 4096 = 250μV。 | ||
{{ :adcterm3.png |}}<WRAP centeralign>ADC单极输入时的满量程范围</WRAP> | {{ :adcterm3.png |}}<WRAP centeralign>ADC单极输入时的满量程范围</WRAP> | ||
- | {{ :adcterm5.png |}}<WRAP centeralign>LSB电压vs分辨率和参考电压1</WRAP> | + | |
- | {{ :adcterm6.png |}}<WRAP centeralign>LSB电压vs分辨率和参考电压2</WRAP> | + | <WRAP centeralign>表 LSB电压和分辨率及参考电压的关系</WRAP> |
+ | ^ |1.024V|1.25V|2.048V|2.5V|3.0V|3.3V|5V| | ||
+ | |8bits|4mV|4.88mV|8mV|9.76mV|11.7mV|12.9mV|19.5mV| | ||
+ | |10bits|1mV|1.22mV|2mV|2.44mV|2.93mV|3.22mV|4.88mV| | ||
+ | |12bits|250µV|305µV|500µV|610µV|732µV|806µV|1.22mV| | ||
+ | |14bits|52.5µV|76.3µV|125µV|152.5µV|183µV|201µV|305µV| | ||
ADC的采样时钟的抖动也会影响到采样后信号的信噪比,信噪比的大小还与输入信号的频率有关,因此要采集高频率的模拟信号,对ADC采样时钟的要求也相应提高,否则由于时钟的抖动导致的信噪比的降低,会使得采用高分辨率的ADC失去了意义。 | ADC的采样时钟的抖动也会影响到采样后信号的信噪比,信噪比的大小还与输入信号的频率有关,因此要采集高频率的模拟信号,对ADC采样时钟的要求也相应提高,否则由于时钟的抖动导致的信噪比的降低,会使得采用高分辨率的ADC失去了意义。 | ||
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### 2. ADC的种类 | ### 2. ADC的种类 | ||
+ | {{ :adcarchitect.png |}} | ||
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#### 2.1 比较器构成的1位ADC | #### 2.1 比较器构成的1位ADC | ||
最简单的ADC就是比较器,它是1位的ADC。如果输入超过阈值,输出即会具有一个逻辑值,而输入低于阈值时输出又会有另一个值。所有ADC架构都会使用至少一个某种类型的比较器。最常见的比较器与运算放大器存在一些相似之处,如使用差分晶体管对或FET作为其输入级,但与运算放大器不同的是,比较器并不使用外部负反馈,且其输出为指示两个输入中哪个电位较高的逻辑电平。运算放大器并非设计用作比较器;一旦过驱,运算放大器可能发生饱和,并恢复速度缓慢。 | 最简单的ADC就是比较器,它是1位的ADC。如果输入超过阈值,输出即会具有一个逻辑值,而输入低于阈值时输出又会有另一个值。所有ADC架构都会使用至少一个某种类型的比较器。最常见的比较器与运算放大器存在一些相似之处,如使用差分晶体管对或FET作为其输入级,但与运算放大器不同的是,比较器并不使用外部负反馈,且其输出为指示两个输入中哪个电位较高的逻辑电平。运算放大器并非设计用作比较器;一旦过驱,运算放大器可能发生饱和,并恢复速度缓慢。 | ||
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#### 2.4 Σ-Δ型ADC | #### 2.4 Σ-Δ型ADC | ||
+ | [[sigma_delta_adc|Σ-Δ型ADC]] | ||
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Σ-Δ型ADC是现代语音频带、音频和高分辨率精密工业测量应用所青睐的转换器。它通常包括两个模块:Σ-Δ调制器和数字信号处理模块,后者通常是数字滤波器。因为它高度数字化的架构,非常适合现代细线CMOS工艺,因而允许轻松添加数字功能,而又不会显著增加成本。成为当今信号采集和处理系统设计人员的工具箱中必不可少的基本器件。 | Σ-Δ型ADC是现代语音频带、音频和高分辨率精密工业测量应用所青睐的转换器。它通常包括两个模块:Σ-Δ调制器和数字信号处理模块,后者通常是数字滤波器。因为它高度数字化的架构,非常适合现代细线CMOS工艺,因而允许轻松添加数字功能,而又不会显著增加成本。成为当今信号采集和处理系统设计人员的工具箱中必不可少的基本器件。 | ||
行 118: | 行 128: | ||
{{ :1stepsigmadeltaadc.png |}}<WRAP centeralign>一阶Σ-Δ型ADC</WRAP> | {{ :1stepsigmadeltaadc.png |}}<WRAP centeralign>一阶Σ-Δ型ADC</WRAP> | ||
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+ | {{ :sigmadeltamodulator.png |}} | ||
在硬禾学堂前期的活动中,我们曾让同学们使用一颗高速比较器和FPGA的逻辑制作ADC,对输入的模拟电压进行测量。 | 在硬禾学堂前期的活动中,我们曾让同学们使用一颗高速比较器和FPGA的逻辑制作ADC,对输入的模拟电压进行测量。 | ||
行 191: | 行 203: | ||
* [[https://www.analog.com/cn/analog-dialogue/studentzone/studentzone-february-2022.html|ADALM2000实验:模数转换]] | * [[https://www.analog.com/cn/analog-dialogue/studentzone/studentzone-february-2022.html|ADALM2000实验:模数转换]] | ||
+ | ### 5. 参考资料 | ||
+ | - {{:the-right-adc-architecture.pdf|}} | ||
+ | - {{:High-Speed-ADC-Portfolio.pdf|}} | ||
+ | - {{:high-speed-signal-chain.pdf|}} | ||
+ | - [[https://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-282_cn.pdf|֑采样数据系统基本原理]] | ||
+ | - [[https://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-342_cn.pdf|高速、高精度处理模拟信号]] | ||
+ | - [[https://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-388_cn.pdf|使用Σ-Δ转换器第一部分]] | ||
+ | - [[https://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-389_cn.pdf|使用Σ-Δ转换器第一部分]] | ||
+ | - [[https://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/application-notes/AN-283_cn.pdf|Σ-Δ型ADC和DAC]] | ||
+ | - [[https://hackaday.com/2016/05/05/analog-to-digital-conversion/|ANALOG TO DIGITAL CONVERTER (ADC): A TRUE UNDERSTANDING]] |