【導(dǎo)讀】確定特定高精度工業(yè)應(yīng)用中采用哪種 ADC，這需要一定程度的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以確保最為相關(guān)的因素不被忽視，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)。
圖1: 模數(shù)轉(zhuǎn)換
為高精度工業(yè)應(yīng)用選擇 ADC 時(shí)需要考慮的因素
分辨率：分辨率是用于將輸入模擬信號(hào)表示為數(shù)字值的比特位數(shù)。它很大程度上取決于應(yīng)用需求和所需的精度水平。具有較高分辨率的 ADC 將生成更精確可靠的測(cè)量結(jié)果。N 位轉(zhuǎn)換器的分辨率為 100/2N %。例如，一個(gè) 12 位轉(zhuǎn)換器具有 2^12 個(gè)不同的級(jí)別或 0.0244% 的分辨率。然而，現(xiàn)實(shí)世界中的 ADC 并非理想，我們還需考慮 ADC 的噪聲和線性性能，因?yàn)檫@些因素會(huì)導(dǎo)致精度低于 ADC 的分辨率。但選擇更高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器會(huì)導(dǎo)致更高功耗、更低采樣率和更高的成本，因此，設(shè)計(jì)人員需要在所需分辨率和實(shí)際考量因素（例如可用電源和轉(zhuǎn)換率要求）之間進(jìn)行權(quán)衡。
采樣：采樣即 ADC 采樣輸入信號(hào)的頻率。必須慎重選擇該參數(shù)以確保采樣能夠提供所有的重要信息。根據(jù) Nyquist-Shannon 采樣定理，采樣率應(yīng)至少為輸入信號(hào)中最高頻率分量的兩倍，以避免混疊。
線性度：線性度表達(dá)了 ADC 輸出在整個(gè)輸入值范圍內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)的反映情況。選擇具有高線性度的 ADC 非常重要，因?yàn)榉蔷€性會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的不準(zhǔn)確。ADC 的線性度具體體現(xiàn)為微分非線性 (DNL) 和積分非線性 (INL)。DNL 是相鄰數(shù)字代碼間寬度與理想模擬步長(zhǎng)之間的最大偏差；INL 則是由于DNL累計(jì)而偏離理想值的最壞情況。在頻域中，非線性會(huì)導(dǎo)致失真，而失真則會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度（請(qǐng)參閱下面關(guān)于 ENOB 的討論），因此，線性度是高頻應(yīng)用中的重要考量因素。
噪聲性能：ADC 測(cè)量是否精確還取決于其噪聲性能。ADC 的本底噪聲必須低于所需的信號(hào)電平，而且信噪比 (SNR) 應(yīng)較高，以最大限度地減少附加噪聲。有效位數(shù) (ENOB) 是一項(xiàng)很有用的指標(biāo)，它結(jié)合了 SNR 和失真的影響來(lái)測(cè)量 ADC 的精度。例如，ENOB 為 15.3 位的 16 位 ADC 比 ENOB 為 14.4 位的 16 位 ADC 更精確。
采樣率：采樣率即 ADC 采樣輸入信號(hào)的頻率。必須慎重選擇該參數(shù)以確保采樣能夠提供所有的重要信息。根據(jù) Nyquist-Shannon 采樣定理，采樣率應(yīng)至少為輸入信號(hào)中最高頻率分量的兩倍，以避免混疊。較高的采樣率可簡(jiǎn)化濾波要求，但代價(jià)是更高的功耗和可能更高的數(shù)據(jù)處理要求。
功耗：系統(tǒng)的運(yùn)行成本和散熱特性受 ADC 功耗的影響。在關(guān)注能效或電池壽命的應(yīng)用中，應(yīng)首選低功耗 ADC ，以最大限度地減少功耗。功耗還與熱耗散密切相關(guān)，溫度的變化會(huì)影響模擬和混合信號(hào)電路的精度，因此需要額外的散熱設(shè)計(jì)工作以確保電路可靠的運(yùn)行。
溫度范圍：應(yīng)用將隨其所在的溫度條件而產(chǎn)生變化。周?chē)h(huán)境的溫度范圍和電子設(shè)備的自熱情況都對(duì)確定 ADC 所需的溫度規(guī)格起著重要作用。工業(yè)應(yīng)用一般要求 ADC 能夠在 -40C 至 +85C 或 +125C 的溫度范圍內(nèi)有效運(yùn)行。
架構(gòu)：工業(yè)應(yīng)用中最常見(jiàn)的 ADC 架構(gòu)包括 delta-sigma（ΔΣ，有時(shí)也稱(chēng)為 sigma-delta，ΣΔ）和逐次逼近寄存器 (SAR)。兩種架構(gòu)各有其特點(diǎn)與利弊。
Delta-sigma ADC 和 SAR ADC
在精密工業(yè)應(yīng)用中，delta-sigma ADC 在什么情況下優(yōu)于 SAR ADC？
在工業(yè)應(yīng)用中，選擇 delta-sigma 還是 SAR 可能會(huì)很棘手。但根據(jù)以下特性，將很容易得出 delta-sigma 優(yōu)于 SAR 的結(jié)論：
● 分辨率：Delta-sigma ADC 可以實(shí)現(xiàn)比 SAR ADC 更高的分辨率，因?yàn)?Delta-sigma ADC 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣（oversample），同時(shí)利用數(shù)字濾波來(lái)最小化噪聲并提高 ADC 的有效分辨率。Delta-sigma ADC 通常用于需要高精度且精密的應(yīng)用場(chǎng)合。
● 低頻輸入信號(hào)：Delta-Sigma ADC 因其過(guò)采樣架構(gòu)而成為低頻輸入信號(hào)的絕佳選擇。它能夠有效降低 ADC 產(chǎn)生的量化噪聲，從而實(shí)現(xiàn)更精確可靠的測(cè)量。
● 線性度：使用 1 位量化器的 Delta-sigma ADC 具備固有高線性度，因此可以產(chǎn)生精確的測(cè)量結(jié)果。
● 濾波要求：Delta-Sigma ADC 可以通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣來(lái)有效執(zhí)行抗混疊濾波，從而最大限度地減少對(duì)外部濾波電路的需求。這簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本與尺寸。
● 噪聲性能：Delta-sigma ADC 通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣并利用噪聲整形技術(shù)來(lái)降低輸入信號(hào)中噪聲的影響。它將量化噪聲推入更高的頻率，從而更輕松地將其濾除。
盡管 delta-sigma 具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，但在以下情況下，SAR ADC 可能是首選 ADC：
● 速度：SAR ADC 非常適合需要高速采樣和轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此外，由于 SAR ADC 在一個(gè)輸出中進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，因此還非常適合快速響應(yīng)控制環(huán)路應(yīng)用。
● 多路復(fù)用應(yīng)用：在轉(zhuǎn)換多個(gè)信號(hào)方面，SAR ADC 優(yōu)于 Delta-Sigma ADC。因?yàn)?SAR ADC 更適合處理多路復(fù)用輸入；而 Delta-Sigma ADC 依賴(lài)過(guò)采樣，當(dāng)從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道時(shí)，過(guò)采樣可能會(huì)受到輸入電壓階躍變化的影響。
總之，Delta-sigma ADC 因其出色的分辨率、線性度和噪聲性能，在精密工業(yè)應(yīng)用中通常比 SAR ADC 更受青睞。但是，當(dāng)速度或復(fù)用多個(gè)輸入是更重要的考量因素時(shí)，SAR ADC 則為首選。因此選擇 delta-sigma 或 SAR ADC 時(shí)，需根據(jù)應(yīng)用對(duì)速度、精度、功耗和溫度額定值的要求來(lái)考量轉(zhuǎn)換器的性能。
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