ADC模数转换器的简介及参数详解

 

ADC全称是Analog-to-Digital Converter模数转换器，一般我们把模拟信号(Analog signal) 用A来进行简写，数字信号(digital signal) 用D来表示。是用于将模拟形式的连续信号转换为数字形式的离散信号的一类设备。今天我们主要说ADC的参数，我们把他们分成基本参数，静态参数，动态参数三大类来进行讲解。

 

一、首先是ADC的基本参数，ADC的基本参数主要包括五个指标，分别是1、分辨率，2、采样速率，3、转换时间，4、量程，5、最低有效位（LBS）这五种，也是选型最优先考虑的几点。

 

1、分辨率ADC是用于将模拟信号转化成数字信号的设备，而ADC的分辨率决定了储存多少数字信号。例如一个8位的ADC能储存的数字信号的种类是2的8次方即256种，位数越高A/D转化的精度越高。

 

2、采样速率采样速率是两次采样（两次转换）的间隔时间的倒数，为了保证转换的正确完成，一般采样速率必须小于等于转换速率，即采样时间大于等于转换时间。

 

3、转换时间转换时间的导数是转换速率，转换速率是指A/D转换一次所需要时间的倒数，即单位时间内完成A/D转换的次数.因为将一个模拟信号值转换成一个数字量不能瞬间完成，这个过程需要一定的时间。

 

4、量程AD转换器是一个电子器件，所以他只能输入电压信号。AD输入端的模拟电压有一个范围，指的是允许输入的模拟信号范围，就是ADC的量程。

 

5、最低有效位（LBS）LBS又称为最小分辨率，他的计算方式就是LSB=FSN/2^n，其中FSR是与基准电压（VREF）成比例的ADC的满量程输入范围（V），N是ADC的位数，2^n等于ADC代码的总数。

 

二、ADC的静态参数主要有两个，微分非线性（DNL）和积分非线性（INL），这两个参数描述了ADC非线性的原因。

 

1、微分非线性（DNL）DNL，即微分非线性，他表征的是我们ADC的实际刻度与理想刻度之间的差值。理论上我们用数字量的台阶去给模拟电压值进行编码的时候，台阶的宽度应该都是一样的，也就是说当ADC输入和输出是呈线性关系的时候，每次模拟输入按照最小分辨率LSB进行步进的时候，数字输出就增加1，也就是0000变成0001的一个过程。但是由于DNL，导致可能当数字输出由1000变成1001的时候，模拟值的变化却不是按照LSB进行增长的，可能会多一点也可能少一点。

 

2、积分非线性（INL）INL，即积分非线性，他表征的是我们ADC的转换值与真实值之间的差距。积分大多跟累计误差有关，根据实际的模拟出一条曲线。INL是指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最大的那一点的误差值，表示测量值的绝对误差。

 

三、ADC的动态的参数有很多，这里主要说说几个决定动态讯号的性能指标参数。

 

1、信纳比（SINAD）信纳比指的是信号+噪声+谐波的功率与谐波+噪声的功率比值。即输出信号功率与其余所有非输出信号功率之比。SINAD很好地反映了ADC的整体动态性能，因为它包括所有构成噪声和失真的成分。计算公式：SINAD=(S+N+D)/(D+N)，

 

2、信噪比(SNR)ADC的信噪比（SNR）是指信号功率与噪声功率之间的比值。这个比率用于衡量模拟信号转换为数字信号过程中的噪声水平。它直接影响了ADC转换的精度和质量。一个高SNR意味着更好的噪声抑制能力，从而能够提供更准确的数据转换。计算公式：

3、有效位数(ENOB)ENOB是包括了量化噪声和失真项，有效分辨率用于衡量ADC在无量化噪声的直流输入条件下的噪声。将计算所得的SINAD值替换SNR，并求解N，计算公式如下图所示。看得出来就是SNR公式的变换。

4、总谐波失真(THD)输入信号与系统所有谐波的总功率比。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。计算公式如下图。

5、无杂散动态范围(SFDR)无杂散动态范围，反映了FFT分析频谱中信号幅值与最大谐波的距离关系。所以SFDR值越大则说明系统的噪声水平越低，ADC的动态性能越好。SFDR如下图所示。