ADC 基础知识，第 5 部分：系统分析的关键 ADC 规范

在特定应用中，有几个规格可能至关重要。然而，对于这些系统，需要了解以下 ADC 特性：

1. 基本传递函数

2. 满量程输入范围

3. 位数

4. 模拟和/或数字增益能力

5. 能量消耗

6. 吞吐量时序

7. 输出噪声

ADC 传递函数、满量程输入范围、位数

理论上，ADC 的理想传递函数是一条直线，其中 x 轴为输入电压，y 轴为数字输出代码。实际的理想传递函数（图 1）具有均匀的阶梯结构。图 1 显示了 3 位 ADC 的理想传递函数。公式 1 描述了该图中的代码宽度（对于“n”位转换器）：

（理想码宽）= FS / (2 n ) 1

图 1. 单极理想 ADC 传递函数

这种理想的 ADC 将所有模拟输入与有限数量的数字输出代码相关联。在中，有23个或8个输出代码。由于模拟输入范围是连续的而数字代码是离散的，因此该转换过程会引入量化误差。

如果增加离散码的数量（或增加ADC位数），相应的码宽会变小。请注意，如果所需的输出代码数量继续为 8，则模拟输入范围会减小。

ADC 增益能力

ADC 电路内的模拟和/或数字增益有时很明显，有时则不那么明显。例如，基本 SAR-ADC 不具有模拟增益功能。只要阅读数据表的并检查简化的 ADC 电路图，这一点就很容易知道。另一方面，一些 SAR-ADC 具有内部可编程增益放大器 (PGA) 电路。该 PGA 功能在器件内部提供模拟增益。这是一个方便的增益块，但需要注意的是，位数不会随着 PGA 增益的变化而变化。可见的变化是 ADC 的输入范围和码宽（或 LSB）电压。随着 PGA 增益增加，ADC 的输入范围减小。

如果转换器的位数超过 12 位，则可以使用转换器实现数字（或过程）增益（参考 2）。如果您使用 24 位 delta-sigma ADC，您会发现输出代码中有 4096 个位置将生成 12 位代码。24 位 ADC 的输出代码数量为 224，即 16,777,216 个代码。

在功耗方面，您可以使用 SAR-ADC 来行使断电功能。当 SAR-ADC 转换信号时，会产生功率后果。SAR-ADC 对输入模拟信号进行“快照”以产生一个数字输出代码。当 SAR-ADC 不进行转换时，器件进入睡眠模式。该特性在电池供电的应用中很有用。

Delta-Sigma 转换器的功耗模型与 SAR-ADC 不同。Delta-Sigma 转换器获取输入信号的大量样本，并将这些样本组合成一个输出代码表示形式。在输出可用期间，转换器继续采样，为下一个输出代码做准备。Delta-sigma 转换器不具备方便的 SAR-ADC、掉电功能。

尽管 SAR-ADC 和 delta-sigma 转换器都传输代表其转换的串行输出数据流，但这两种器件在转换时间上存在显着差异。SAR-ADC 对输入信号进行采样，并将该信号转换为串行数字输出。图 2 显示了 SAR-ADC 转换时序的示例。在此图中，吞吐量时间包括转换时间 (tCONV) 和安静时间 (tq)。该转换器在其输出 (SDO) 处传输串行 12 位数据流。

图 2. 使用 ADS7886 的 12 位 SAR-ADC 转换时序图。

人们可以将 SAR-ADC 视为性转换器，其中输出数据代表单个模拟样本。

图 3 说明了可能的 Delta-Sigma 转换器时序场景。在此图中，转换器获取多个样本并在内部产生中间转换。

图 3. 使用 ADS1258 的 24 位 Delta-Sigma 转换时序图。

该图显示了带有五阶数字滤波器的 Delta-Sigma 转换器的中间内部转换。请注意，“隐藏转换”是内部数字滤波器顺序的产物。用户永远看不到这些隐藏的转化。

与位数相比，SAR-ADC 和 Delta-Sigma 转换器产生的噪声幅度有很大不同。通常，12 位 SAR-ADC 生成的噪声远低于转换器 LSB 的电压大小。例如，满量程输入范围为 4.096V 的 12 位 SAR-ADC 的 LSB 大小为 1 mV。相比之下，满量程输入范围为 4.096V 的 24 位 Delta-Sigma 转换器的 LSB 大小约为 244 nV。

设备或转换器噪声是随机事件，但它确实遵循概率论。图 4 显示了一组采用直流输入的 Delta-Sigma 转换器结果。有三个兴趣点。

图 4. Delta-Sigma 转换器的连续输出数据。

首先是平均值。数据的平均值是计算数据标准差时所需的参考点。第二个有趣的点是伏特-RMS 或位-RMS 标签。这些标签相当于从数据的负标准差到正标准差的跨度。第三，如果您要将转换器结果显示在显示屏中，则伏特 pp 或位 pp 确定显示屏中较低数字的变化频率。

图 5 显示了图 4 中的输出数据如何转换为直方图。RMS 值等于该数据的标准偏差。在此图中的两个标准偏差或 RMS 线之间，捕获了大量的噪声发生。ADC 产生落在两条 RMS 线之间的输出值的概率约为 68%。

图 5. 单极理想 ADC 传递函数

通过直方图中的高斯分布，您可以看到 RMS 限制排除了大量数据。如果您查看两个标准偏差限制之间的转换器输出结果数量，您会发现出现这种情况的比例为 68%。但是，如果将双倍标准差乘以常数或波峰因数，则可以扩大曲线下方出现的百分比。波峰因数允许您定义峰峰值限制以及确定哪些转换器位在您的 12 位系统中有用。

本文中的讨论排除了大量 ADC 规范。当您深入研究终的解决方案时，这些其他规范非常重要，但是，此处提到的主题可用于快速证明或反驳系统设计的适当方向。我们正在探索的 12 位应用包括多路复用电路、手持式仪表、数据记录器、汽车系统和监控系统。