ADC 芯片参数及选型实用攻略

在电子设备的设计与开发中，ADC（模拟 - 数字转换器）芯片起着至关重要的作用，它能够将模拟信号转换为数字信号，以便微处理器或其他数字电路进行处理。然而，面对市场上众多的 ADC 芯片，如何准确理解其参数定义并进行合理选型，是工程师们常常面临的挑战。本文将详细介绍 ADC 芯片的参数定义，并提供实用的选型指南。

参数定义

1. 分辨率 (Resolution)：分辨率指数字量变化一个量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与 2n 的比值。它又称精度，通常以数字信号的位数来表示。例如，一个 12 位的 ADC 芯片，其分辨率就比 8 位的 ADC 芯片更高，能够更地表示模拟信号的变化。
2. 转换速率 (Conversion Rate)：转换速率是指完成从模拟转换到数字的 AD 转换所需时间的倒数。不同类型的 AD 转换器转换速率差异较大，积分型 AD 的转换时间是毫秒级，属于低速 AD；逐次比较型 AD 是微秒级，属于中速 AD；全并行 / 串并行型 AD 可达到纳秒级，适用于对速度要求极高的应用场景。
3. 采样时间 (Conversion Time)：采样时间是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率 (Sample Rate) 必须小于或等于转换速率。常用单位是 ksps 和 Msps，表示每秒采样千 / 百万次（kilo / Million Samples per Second）。
4. 量化误差 (Quantizing Error)：由于 AD 的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率 AD 的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率 AD（理想 AD）的转移特性曲线（直线）之间的偏差。通常是 1 个或半个数字量的模拟变化量，表示为 1LSB、1/2LSB。
5. 偏移误差 (Offset Error)：输入信号为零时输出信号不为零的值，可通过外接电位器调至。
6. 满刻度误差 (Full Scale Error)：满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
7. 微分非线性（Differential nonlinearity，DNL）：ADC 相邻两刻度之间的差异。
8. 积分非线性（Integral nonlinearity，INL）：表示了 ADC 器件在所有的数值点上对应的模拟值和真实值之间误差的那一点的误差值，也就是输出数值偏离线性的距离。
9. 总谐波失真（Total Harmonic Distotortion，缩写 THD）：指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。总谐波失真与频率有关，一般说来，1000Hz 频率处的总谐波失真。ADC 输出中的谐波失真是由 ADC 特性中存在的任何非线性引起的。DNL 和 INL 是 ADC 特性非线性的量度，而 THD 是 ADC 输出中产生的谐波失真的量度。
10. 信噪比 (SNR)：信噪比用于描述 ADC 输出数据中，信号与噪声的幅值之比。其计量单位是 dB，计算方法是 10lg(Ps/Pn)，其中 Ps 和 Pn 分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换算成电压幅值的比率关系： 20Lg(Vs/Vn)， Vs 和 Vn 分别代表信号和噪声电压的 “有效值”。ADC 的 SNR 受许多因素影响，包括分辨率、线性度、精度、混叠和抖动等。通常通过有效位数 (ENOB) 来表示，理想的 ADC 的 ENOB 等于其分辨率。量化误差的存在限制了理想 ADC 的 SNR。一般认为，若 ADC 的 SNR 超过输入信号的 SNR，则可认为输出的数字信号是对模拟输入信号的无失真数字表示。
11. 电源抑制 PSR：如果 X V 的电源电压变化产生 Y V 的输出电压变化，则该电源的 PSRR (折合到输出端) 为 X/Y。无量纲比通常称为电源电压抑制比 (PSRR)，以 dB 表示时则称为电源电压抑制 (PSR)。把电源的输入与输出看作独立的信号源，输入与输出的纹波比值即是 PSRR，通常用对数形式表示，单位是 dB。电源抑制比可分为交流电源抑制比和直流电源抑制比。
12. 共模抑制比 (CMRR)：共模抑制比 CMRR 是差模电压放大倍数 Aud 与共模放大倍数 Auc 的之比，即 ，或者  (dB)。它反映了 ADC 对共模信号的抑制能力。
13. 有效分辨率：虽然某些 ADC 芯片在数据手册上声明具有较高的分辨率，但受限于噪声等因素，其有效位数可能会降低。例如，一个标称 12 位的 ADC 芯片，实际有效位数可能只有 11 位。
14. ADC 输入阻抗：ADC 的阻抗匹配问题在特定架构的 ADC 中显得尤为重要，它会影响数据转换的精度。当信号源内阻与 ADC 输入阻抗相近时，会对 ADC 精度产生较大的影响。常见的解决方案是保证源端相比于 ADC 输入阻抗低阻，或者采用输入缓冲器 (一般 Σ - Δ 型 ADC 内会内置) 来提高输入阻抗。