1 A/D轉(zhuǎn)換器概述

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器，ADCs）是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (DAQs) 的組成部分，其功能是捕獲模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào)。ADC可將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字，以供處理器根據(jù)需要對(duì)這些值執(zhí)行以下操作：存儲(chǔ)、顯示或進(jìn)一步分析捕獲的數(shù)字信號(hào)。

1.3 ADC的類型

有多種硬件實(shí)現(xiàn)能夠?qū)⑤斎腚妷恨D(zhuǎn)換為數(shù)字表示。不同的ADC實(shí)現(xiàn)具有不同的轉(zhuǎn)換特性，因此應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用的需求來(lái)挑選最適合特定用例的ADC類型。

目前業(yè)界主要有五種類型的A/D轉(zhuǎn)換器：逐次逼近型、ΔΣ型、雙斜率型、流水線型和全并行型ADC。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使用逐次逼近型ADC和ΔΣ型ADC會(huì)比較合適。RA6T2 A/D轉(zhuǎn)換器采用混合架構(gòu)，兼具逐次逼近型和ΔΣ調(diào)制型的特性。

以下各節(jié)概述了各個(gè)ADC類型的主要特性和差異，其中著重介紹了逐次逼近型和ΔΣ調(diào)制型ADC。

1.3.1 逐次逼近寄存器 ADC

逐次逼近寄存器 (SAR) 型ADC可在收斂數(shù)字輸出之前，對(duì)所有可能的量化級(jí)別進(jìn)行二進(jìn)制搜索，從而將連續(xù)的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字表示。首先對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和保持，然后通過(guò)將輸入電壓與參考電壓進(jìn)行比較以逐次逼近數(shù)字表示的每個(gè)位的值。

基礎(chǔ)SAR型A/D轉(zhuǎn)換器如下圖所示：

圖1. SAR ADC的電路框圖

1.3.1.1 關(guān)鍵特性和局限性

? N位SAR需要N個(gè)時(shí)鐘周期

? 功耗低，尺寸小

? 采樣率低，分辨率高

? 由于比較器存在限制，分辨率有限

? 電路尺寸會(huì)隨著分辨率的增加而增大

1.3.2 ΔΣ調(diào)制型ADC

ΔΣ調(diào)制 (DSM) 型ADC首先將連續(xù)的模擬電壓信號(hào)編碼為表示信號(hào)變化 (Δ) 的脈沖流。之后，通過(guò)將數(shù)字輸出傳遞到1位DAC并對(duì)產(chǎn)生的模擬信號(hào)和輸入信號(hào)求和 (Σ)，以提高調(diào)制精度。ΔΣ調(diào)制型ADC利用濾波技術(shù)提高幅值軸分辨率并降低SAR設(shè)計(jì)中固有的高頻噪聲。

ΔΣ調(diào)制型A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)如下圖所示：

圖2. ΔΣ型ADC的電路框圖

1.3.2.1 關(guān)鍵特性和局限性

? 采用過(guò)采樣設(shè)計(jì)，降低了量化噪聲

? 分辨率在所有類型中最高

? 采樣率低于SAR類型

? 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)采樣需要高時(shí)鐘速度

? 每個(gè)ADC數(shù)據(jù)值必須轉(zhuǎn)換多個(gè)樣本（過(guò)采樣）才能實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)質(zhì)量

? 是高分辨率和低頻應(yīng)用的理想選擇

1.3.3 其他 ADC

其他類型的常見(jiàn)ADC更適合非DAQ（非數(shù)據(jù)采集）應(yīng)用，下面將進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

(1) 雙斜率型ADC

雙斜率型ADC可提供非常精準(zhǔn)的電壓讀數(shù)，但由于其采用迭代方法，因此轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。通常，這類ADC用于萬(wàn)用表和其他電壓讀數(shù)應(yīng)用，這些應(yīng)用需要精確轉(zhuǎn)換，但不需要及時(shí)實(shí)現(xiàn)。

(2) 流水線型ADC

顧名思義，流水線型ADC具有采用流水線架構(gòu)的閃存比較器，可將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。流水線引入了大約3個(gè)時(shí)鐘周期的轉(zhuǎn)換延遲，但這種類型的ADC非常適合具有以下需求的應(yīng)用：所需的采樣率比SAR和ΔΣ型ADC的采樣率更高，但不需要全并行型ADC所能實(shí)現(xiàn)的超高采樣率。典型應(yīng)用包括數(shù)字示波器、頻譜分析器、雷達(dá)和軟件無(wú)線電等。

(3) 全并行型 ADC

全并行型ADC運(yùn)行時(shí)沒(méi)有任何延遲，因此其可以實(shí)現(xiàn)的采樣率在所有ADC類型中最高。當(dāng)將輸入電壓與所有可能的參考電壓進(jìn)行比較時(shí)，即會(huì)發(fā)生A/D轉(zhuǎn)換。要獲得N位分辨率，全并行型ADC需要2N個(gè)參考電壓，這意味著高分辨率需要功耗更高、尺寸更大的電路。因此，分辨率通常不超過(guò)8位。

全并行型ADC適用于需要極快的轉(zhuǎn)換速度但不需要高分辨率的應(yīng)用，因此它們用于速度最快的數(shù)字示波器、微波測(cè)量和光纖等。

1.3.4 噪聲整形逐次逼近寄存器ADC

RA6T2包含兩個(gè)噪聲整形SAR (NS-SAR) 型A/D轉(zhuǎn)換器單元。NS-SAR ADC 是一種新興的混合式A/D架構(gòu)，兼具SAR型ADC和ΔΣ調(diào)制型ADC的特性。

NS-SAR的混合式架構(gòu)結(jié)合了SAR ADC和DSM ADC架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和高電源效率，這兩種特性在其他架構(gòu)中往往需要權(quán)衡取舍才能共存。NS-SAR型A/D轉(zhuǎn)換器同時(shí)具備SAR ADC和DSM ADC的特性所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，前者可降低成本、提高能效，后者可提供高信噪比。

RA6T2中A/D轉(zhuǎn)換器模塊的混合式架構(gòu)允許外設(shè)采用全新轉(zhuǎn)換方法，從而利用過(guò)采樣和噪聲整形技術(shù)將分辨率從12位提高到16位。