模数转换器基础知识

模数转换器 - ADCS17 4月 2023

模数转换器 (ADCs) 是在处理数字系统与实时信号通信时的重要组成部分。随着 IoT 迅速发展并应用于日常生活，数字系统必须读取真实世界/实时信号，以准确提供关键信息。我们将深入探讨ADC的工作原理及其背后的理论。

在现实世界中，模拟信号是具有连续序列和连续值的信号（在某些情况下可能是有限的）。这类信号可以来自声音、光、温度和运动。数字信号由离散值的序列表示，其中信号分解为依赖于时间序列或采样率的序列（稍后将对此进行更多说明）。通过视觉效果来解释这一点是最简单的方法！图1展示了模拟信号和数字信号的一个很好例子。

ADC 是如何工作的？

将连续信号（模拟信号）转化为数字信号。（来源: Waqas Akram – ADC中的量化）

图 1

微控制器无法读取值，除非是数字数据。这是因为微控制器只能识别电压的“等级”，这取决于ADC的分辨率和系统电压。

ADC在将模拟信号转换为数字时遵循一个顺序。它们首先采样信号，然后进行量化以确定信号的分辨率，最后设置二进制值并发送到系统以读取数字信号。ADC的两个重要方面是采样率和分辨率。

ADC采样率/频率是什么？

ADC的采样率，也称为采样频率，可以与ADC的速度相关联。采样率的测量单位是“每秒样本数”，单位为SPS或S/s（如果使用采样频率，则为Hz）。这意味着在一秒钟内获取多少样本或数据点。ADC采样的样本越多，能处理的频率就越高。

关于采样率的重要方程是：
fs = 1/T

其中，

fs = 采样率/频率

T = 样本的周期或重新采样前所需的时间

例如，在图1中，fs似乎是20 S/s（或20 Hz），而T是50毫秒。采样率非常慢，但信号仍然与原始模拟信号相似。这是因为原始信号的频率为慢速的1 Hz，这意味着频率率仍然足够好，可以重建相似的信号。

你可能会问：“如果采样率非常慢会发生什么？”了解ADC的采样率非常重要，因为你需要知道它是否会导致混叠。混叠意味着当数字图像/信号被重建时，由于采样导致的与原始图像/信号有很大不同。

如果采样率慢而信号的频率高，ADC将无法重建原始模拟信号，导致系统读出错误的数据。在图2中展示了一个很好的例子。

别名现象如何发生的一个示例。（来源：Tony R. Kuphaldt - 电路中的课程）

图 2

在此示例中，您可以看到模拟输入信号的采样位置。由于采样率不足以跟上模拟信号，数字信号的输出与原始信号完全不同。这导致了混叠，现在数字系统将遗漏模拟信号的全貌。

在判断是否会发生混叠时，一个经验法则是使用奈奎斯特定理。根据该定理，采样率/频率至少需要是信号中最高频率的两倍，才能重现原始的模拟信号。以下公式用于求出奈奎斯特频率：
fNyquist = 2fMax

其中，

fNyquist = 奈奎斯特频率

fMax = 信号中出现的最高频率

例如，如果您输入到数字系统的信号其最大频率为100 kHz，那么ADC的采样率需要等于或大于200 kS/s。这将允许成功重建原始信号。

还值得注意的是，有时外部噪声可能会引入意想不到的高频到模拟信号中，这会干扰信号，因为采样率无法处理新增的噪声频率。因此，在ADC和采样开始之前，添加一个抗混叠滤波器（低通滤波器）是个好主意，因为它可以防止意料之外的高频进入系统。

如何确定ADC的分辨率？

ADC 的分辨率可以与 ADC 的精度相关联。ADC 的分辨率可以通过其位长来确定。图 3 中展示了其如何帮助数字信号输出更精确的信号的一个简单示例。您可以看到，1 位只有两个“级别”。随着位长的增加，级别增加，使信号更接近于表示原始模拟信号。

分辨率如何影响数字信号的示例。（来源：Apple Inc – Soundtrack Pro 3: 音频基础）

图 3

如果您需要您的系统读取准确的电压电平，那么位分辨率非常重要。分辨率取决于位长和参考电压。以下公式帮助您找出您试图输入的信号在电压方面的总分辨率：

示例 ADC 分辨率公式：

步长 = VRef/N

其中，

步长 = 每个电平的电压分辨率

VRef = 电压参考（电压范围）

N = ADC 的总电平数
要找到 N 的大小，使用这个公式：
N = 2n

其中，

n = 位大小

例如，假设需要读取一个电压范围为 5 的正弦波。ADC 的位大小为 12 位。将 12 代入公式中的 n，N 将是 4096。已知这一点，并将电压参考设置为 5V，您将得到：步长 = 5V/4096。您会发现步长约为 0.00122V（或 1.22mV）。这是准确的，因为数字系统能够在电压变化时准确到 1.22mV。

如果 ADC 的位长非常小，比如只有 2 位，那么精度将降低到仅 1.25V，这非常差，因为它只能报告系统四个电压水平（0V，1.25V，2.5V，3.75V 和 5V）。

图4 显示了常见的位长度及其电平数量。它还显示了对于 5V 参考的步长。您可以看到随着位长度的增加，其精度如何提高。

位长及其电平数和步长用于5V参考范围。

图 4

通过了解ADC的分辨率和采样率，您可以理解知道这些值以及期待何种性能是多么重要。

可考虑的 Analog Devices

Analog Devices 提供了一系列高质量且可靠的ADC，这些ADC可以是通用或特定用途的转换器。以下是一些可供您下一个设计考虑的型号：

AD7175-2（最大分辨率：24位 | 最大采样率：250 kSPS）

AD7175-2 是用于低带宽输入的 Delta-Sigma 模数转换器。它具有低噪声、快速稳定、多路复用的 2/4 通道，其最大通道扫描速率为 50 kSPS（20µs）可完全稳定数据。输出数据速率可以从 5 SPS 到 250 kSPS。您还可以为每个使用中的模拟输入通道配置单独的设置，最大分辨率可达 24 位。应用包括：过程控制（PLC/DCS 模块）、温度和压力测量、医疗和科学多通道仪器以及色谱分析。