ADC的分类和技术参数

在上一篇文章中，我们了解到什么是ADC(模数转换器)，以及如何设计数据采集模块(DAQ Module)。

ADC 作为一个非常关键的有源器件，能够将模拟信号转换为数字信号，供后续处理器(MCU/DSP/FPGA)或其他数字电路进行数据处理与分析。

那么，ADC具体有哪些类型?实际应用中的难点是什么?MPS推出了哪些稳、准、狠的 ADC 产品，具备怎样的特点和优势?适用于哪些应用场景?今天，我们就来一一解答!

另外!MPS将于近期陆续发布微尺寸16位 ADC、高精度 24位 ADC，以满足严苛的工业应用环境下的数据采集需求。敬请期待!

1. ADC的分类

首先我们一起来认识下ADC有哪些种类。最常见的ADC有三类：逐次逼近型 (SAR)ADC、ΔΣ型(Delta-Sigma)ADC和流水线型(Pipelined)ADC。

SAR 是目前工业应用中最常见的 ADC，它通过逐次逼近输入电压来获得最终的数字值。优点是速度较快，功耗低，适用于中高速应用。

Delta-Sigma 主要用于高精度转换，优点是分辨率高，适用于精密测量，缺点是转换速度相对较慢。

Pipelined ADC 是最常用的高速 ADC 类型，利用残余电压放大器、比较器对模拟输入进行逐级放大及转换。可以做到中、高精度的快速转换，且功耗优于 Flash、Half-Flash ADC，但无法达到 Flash ADC 的最高采样率(> GSPS)。

除这三种之外，还有直接转换及半直接转换型(Flash/Half-Flash)ADC和积分型(Integrating)ADC，这两种 ADC 应用场合相对较少，这里就不展开介绍了。

2. ADC的主要技术参数

那么，众里寻他千百度，怎么找到一颗“八字相投”的 ADC 呢?我们需要考量6大主要技术参数：

1)分辨率 (Resolution)：指 ADC 输出的数字信号位数，决定了能够区分的电压级别数量。常见的分辨率有 8位、10位、12位、16位、24位等。分辨率越高，表示模拟信号的细节越多，但同时转换时间也会增加。对于 n 位的 ADC，其可以表示的电压阶梯数为 2^n。

2) 采样率 (Sampling Rate)：指每秒钟对模拟信号进行采样的次数，通常以 KSPS 或 MSPS 为单位。根据奈奎斯特采样定理，采样率需要至少为信号最高频率的两倍才能精确还原信号。

3) 信号输入范围 (Input Range)：ADC 能够接受的输入信号电压范围。例如，0V 到 5V 或 ±10V。输入超出这个范围的信号可能会导致饱和或损坏 ADC。

4) 信噪比 (SNR, Signal-to-Noise Ratio)：描述信号中有用部分与噪声的比例。信噪比越高，意味着有效分辨率越高、输出噪声较少。

5) 线性度 (Linearity)：ADC 在整个输入范围内是否能线性转换输入信号。理想的 ADC 会在输入和输出之间有线性关系。线性度通常使用 INL(积分非线性)和总谐波失真(THD)来衡量。

6) 有效分辨率(ENOB)：ADC 在考虑其有限的信噪比(SNR)及线性度(THD)情况下的等效精度，会低于其标称分辨率。

3. ADC的应用难点

ADC 作为在信号链及传感、测量、控制系统当中的关键部件，高性能ADC 在实际应用当中需要注意诸多技术细节，否则可能无法达到甚至接近原厂 ADC 参数规格手册(Datasheet)当中的性能水平。

那么在实际应用当中，各位工程师们也需要避免一些“陷阱”。比如说，ADC 的模拟输入驱动就是一件非常麻烦的事情，很多 ADC 产品输入为开关电容采样电路(Switch-Capacitor)，如输入驱动的输出阻抗太大，会造成严重的 Kick-Back Noise，使ADC的信噪比受到较大的损失。

再者，如何设计输入抗混叠滤波器(Anti-Aliasing Filter)，这个问题看似困难，其实也并不简单!如抗混叠滤波器的截至频率(Cutoff)过高或 Stop-Band 的斜率不足，会由于混叠造成 ADC 的有效精度下降。

还有问题诸如如何有效利用 ADC 的模拟输入范围、数字 I/O 噪声、电源及参考源设计等问题都是需要格外关注的。

那么，针对这些棘手的应用难点，MPS 将如何接招呢?让我们来看看MPS ADC 产品的六大特点及优势!

4. MPS ADC 产品的六大特点和优势

1) 广泛采用内置数字校正技术，确保ADC在不同的应用环境中具有极高的性能稳定性;

2) 优越的模拟设计技术保证行业最高档次的 ADC 性能指标：SNR，SFDR，THD，INL，DNL，ENOB等;

3) 基于应用场景的优化设计，降低用户的系统及应用板设计的难度，确保 ADC 可以发挥出理想的性能;

4) 强大的客户技术支持：在客户评估、开发、验证及应用的各个环节中 MPS 都可以提供全面的技术支持，即从板级设计技术指导直至现场技术支持;

5) 提供定制化产品及模件设计：可根据客户的特殊需求开发新型及定制化的 ADC 产品以及相应的模件设计;

6) 灵活、有竞争力的价格，稳定的供货能力。

5. MPS ADC 具体产品与典型应用

MDC97476/MDC97477/MDC97478 的产品特点：

1) 超小型封装、高性能、低功耗 12 位 ADC

2) 12 bit，单通道，1MSPS 采样率

3) 单向 SPI 数字接口

4) 工作电压3.3V/5V

5)典型 SNR >72dB, THD < -84dB

6) 典型 DNL <+/-0.4 LSB; INL <+/-0.5 LSB

7) TSOT-23-6 标准封装 (2.8mm x 1.5mm)

8) 工作温度范围: –40°C 至85°C及–40°C 至125°C

9) 该系列产品还包括10位(MDC97477)及8位 (MDC97478 1MSPS)，以及相应的多通道产品(8/4 通道)

MDC97476 的产品特点及优势：

1) 相比行业同类产品，拥有超高的性能等级

2) 典型 SNR > 72dB, SFDR > 87dB, ENOB > 11.6b

3) 显著减小的 ADC 输入电容 (14pF)，仅为同等顶尖性能产品(30pF+)的一半以下，极大减少了 Kick-Back Noise，减轻了对输入驱动的输出阻抗的要求，提高了ADC在应用板的实际性能

MDC97476 的典型应用：

1) 工业控制与自动化

• 在工业自动化系统中，MDC97476 可用于采集各种传感器的信号，并将其数字化，适用于需要快速响应和高精度的自动控制系统。

• 应用场景：PLC(可编程逻辑控制器)、工厂自动化系统中的传感器数据采集，温度、压力、速度等物理量的监测与闭环控制。

2) 环境参数测量与控制

• 在无人值守基站机房中，我们可以使用一组 MDC97476 来实时采集机房内的温度，湿度，通风量，市电供电电压，基站耗电功率等信号，反馈给空调控制器进行实时环境控制，并将基站运行参数传输到中心控制基站。

3) 多相工业电机控制

• 在伺服电机控制系统中，MDC97476 可以用于实时采集电机的电流、电压、速度等信号，并提供给主控制器进行闭环控制。

• 应用场景：伺服电机控制系统、步进电机控制、变频器输出的电流和电压监控。

4) 便携式医疗设备等

• 在个人医疗设备中，MDC97476 可以用于实时采集佩戴者的心率，血糖浓度，血氧饱和度等个人健康指标。

• 在心电图仪(ECG)中，用于采集人体微弱的心电波信号。

MDC91128/MDC91256的产品特点：

1) 20bit，128/256 通道，超高灵敏度，pA 级微电流输入ADC

2) 输入档位：4,7,10,13,16,19,25pC。其中 4pC 为目前工业级电流输入 ADC 产品的最低电流输入档位(超高的电流输入灵敏度)

3) 低等效输入噪声：20ppm@25pC 输入档(超低的噪声水平)

4) 良好的线性度：±0.025% at 4pC(超高的线性度水平)

5) 6kSPS采样率，菊花链SPI数字接口

6) 1.8V数字电压 / 5V模拟电压

7) BGA 20mm x 20mm标准封装

8) 工作温度范围: –40°C 至85°C (超宽的温度范围)

MDC91128的典型应用：

1) 工业X光透视检测设备

• 在X光透视无损检测设备中，我们可以使用16-64 块 PD 板(由MDC91128 读取X光传感器 输出电流信号)，并将图像线阵信号汇总到 FPGA 板，来构建X光实时图像信号。

工业X光透视成像系统图

PD探测板安装示意图

• 典型应用场景

a. 机场、车站、地铁站安检机

b. 食品、药品安检机

c. 快递包裹违禁物品自动筛查

d. 危险液体非接触测量

e. 集装箱快速通关检查

f. 工业无损探伤

2) TFT 传感器

• MDC91128 读取每一个像素点的电荷状态，从而实现对光、压力、温度等物理量的检测。

• 典型应用场景：在图像传感应用中，每个像素点的TFT可以控制光电二极管的电荷积累，从而实现对光强分布的高分辨率成像

• 其他应用场景：触摸技术、环境监测等

另外!

MPS 将于近期陆续发布微尺寸 16 位 ADC、高精度 24位 ADC，以满足严苛的工业应用环境下的数据采集需求。敬请期待!