這是一個由數字計算機控制的模擬世界。因此，物聯網設備的設計者需要有效地將模擬值轉換爲採樣數字表示。而簡單的答案似乎是把一個模數轉換器(ADC)的前面，並不是所有的ADCs都是一樣的。因此，設計者需要理解各種拓撲結構以及它們如何映射到應用程序。
例如，ADCs已優化設計如採樣率、功耗和精度特性。本文將在一些常見的ADC架構的背景下討論設計需求。然後將介紹使用這些體系結構的應用程序，並展示它們是如何實現的。
模數轉換器的作用
ADC是一種常用的電子集成電路或模塊化裝置，它將模擬信號(通常是電壓)轉換成一系列採樣離散數字表示或數字。ADC執行三種不同的操作：採樣，量化，編碼。他們形成了許多共同的數字儀器儀表，如電壓表、示波器和頻譜分析儀的心。它們也被集成到數字電路的前端，它處理來自麥克風、加速計、光傳感器和其他傳感器的模擬信號，這些信號需要將其輸出轉換到數字域，這樣微處理器就可以處理數據。
已經有許多ADC體系結構或拓撲結構已經被開發來對模擬信號進行採樣和數字化。ADC的每種形式都有自己的特點、優點和缺點。給定應用程序的特定類型ADC的選擇通常是由速度、分辨率、精度、功耗和物理尺寸的測量要求來定義的。
模數轉換器的關鍵特性
ADC必須執行的第一個操作是對模擬信號進行採樣。採樣由採樣保持或跟蹤保持電路執行。採樣或奈奎斯特定理要求採樣率必須大於信號帶寬的兩倍，以便能夠從數字化樣品中重建模擬信號。因此，ADC的第一個顯著特徵是採樣率，它決定了可以被數字化的最大信號頻率分量。
ADC必須量化每一個樣本，打破採樣電壓爲有限數量的離散值。這個特性通常被描述爲分辨率的位數。例如，如果一個信號被分解爲8位，就意味着有28個或256個離散級別。16位ADC將把電壓範圍分解爲65536個量化級。
分辨率和最大採樣率由ADC硬件決定。一般來說，ADC分辨率越高，最大採樣率越有限。
ADC的精度取決於分辨率和採樣率。分辨率影響振幅精度和精度。影響振幅精度的其他因素是量化過程的線性性和垂直噪聲的影響。採樣率決定了定時精度和準確度。
物理尺寸和功耗是依賴於電路拓撲結構的其他屬性。它們主要關注體積有限或可用電源的應用，如物聯網設備或電池供電的便攜式儀器。物理尺寸和功耗非常依賴於ADC拓撲。
閃光，直接，還是平行?
在概念上最簡單的數字轉換器是閃存ADC。這也可以稱爲直接或並行ADC(圖1)。
flash ADC的圖表使用多個比較器
圖1：閃存ADC使用多個比較器，具有均勻遞增的閾值電壓，以將模擬電壓轉換爲數字電壓。這個例子顯示了一個具有8位的分辨率水平3位ADC。(圖片來源：凱利訊半導體電子)
閃存ADC的輸入通常來自於採樣和保持或跟蹤保持電路，其中模擬輸入被採樣，並且在轉換期間保持恆定。採樣信號被應用到模擬比較器陣列，其閾值電壓在ADC的輸入電壓範圍內均勻地間隔在一個等於最小有效位(LSB)的值上。如果比較器的輸入電壓超過該比較器設定的閾值，則每個比較器的輸出將改變狀態。圖中的例子顯示了一個3位ADC需要7個比較器產生8種可能的狀態。
一般來說，一個n位閃存轉換器需要(2n-1)比較器。比較器產生所謂的“溫度計代碼”，輸入電壓越高，比較器的數量就越大，從底部到頂部就達到了“1”狀態。此代碼應用於優先級編碼器，該編碼器將此代碼轉換爲二進制代碼。
Flash轉換器的主要優點是速度。轉換時間只包括比較器和解碼器的延遲。最大採樣率達到每秒5千兆閃存轉換器(GS/s)是市售的。閃光燈轉換器分辨率的限制因素是所需比較器的數目。一個8位閃存ADC需要255個比較器。
這個數字增加了一倍，每增加一點分辨率。這意味着ADC的物理尺寸隨分辨率呈指數增長。這就導致了另一個限制，即Flash轉換器所需的功率。這限制了它對線驅動應用程序的使用。閃存分辨率的實際限制大約是8位。
二進制編碼
ADC的二進制輸出可以用幾種方式編碼。如果轉換的信號是單極性的，那麼它通常被編碼成單極性的直二進制碼。此代碼表示一個零值作爲所有0(0000…)和最大輸入值作爲所有(1111…)。
如果信號是雙極性的，那麼它通常被表示爲偏移二進制或二進制補碼二進制，詳見4位示例(表1)。
雙極性零 - 1 LSB
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表1：用於雙極數字信號的通用二進制編碼。二進制補碼二進制是微處理器或數學處理器最廣泛使用的二進制。(圖片來源：凱利訊半導體電子)
二進制補碼二進制編碼是大多數微處理器或基於數學處理器的系統所使用的編碼類型，因爲它便於算術運算。
流水線ADC，子範圍，和兩步
閃速轉換器中的比較器可以通過將轉換分成兩個或多個步驟並將每個步驟轉換成較小的比特數來減少。如果閃存ADC被分成兩部分，則稱爲兩步或次測距ADC。如果將其分成兩個以上的部分，則稱爲流水線ADC。兩步ADC仍然可以在每秒數百兆採樣樣本(MS / s)(圖2)。
4位、兩步或次測距模數轉換器的功能框圖
圖2：一個功能位，兩步框圖，或子範圍ADC顯示它打破了4位轉換爲兩位轉換器降低比較器的數目。(圖片來源：凱利訊半導體電子)。
這兩步器打破了4位轉換器，這就需要15個比較器，兩位段。每個部分使用三個比較器，總共有六個比較器。該轉換器轉換的兩個最重要的位(MSB)第一。第一部分的數字輸出包括數字-模擬轉換器(DAC)，以將信號轉換爲模擬信號，並從輸入信號中減去它。
將所得的差異被放大，用來將兩位。合併結果被捕獲到輸出鎖存器中。轉換過程重複兩次，因此最大採樣率將低於閃光燈轉換器。模擬devicesad9203aruzrl7是一個10位的一個例子，40 MS/s流水線ADC的轉換，解決了從模擬到數字的高速度的問題。
逐次逼近模數轉換器(SAR)登記
當應用程序需要更大的分辨率，而不一定是閃存或流水線ADC的速度時，逐次逼近寄存器(SAR)轉換器是一個不錯的選擇(圖3)。SAR ADC工作在12到16位，採樣率爲1到2毫秒/秒高
合成孔徑雷達ADC圖提供了良好的分辨率。
圖3：SAR ADC具有低到中等功率要求的良好分辨率。(圖片來源：凱利訊半導體)
與閃存ADC一樣，SAR ADC之前有一個採樣保持或跟蹤保持電路，以維持轉換過程期間的採樣值。來自採樣和保持的信號被應用於比較器。逐次逼近寄存器從中檔開始，並用DAC將該值轉換爲模擬電壓。
這個“猜測”電壓與比較器的信號輸入進行比較。如果比較器輸出保持低，寄存器值將增加四分之一的範圍。從本質上講，寄存器值是在兩個步驟中降低或增加的，直到比較器指示DAC轉換寄存器內容等於輸入信號電壓爲止。當發生這種情況時，轉換器發出“轉換完成”信號，並將數字值鎖存到輸出鎖存器中。
轉換時間與ADC分辨率成正比，ADC分辨率是由寄存器的長度決定的。SAR ADC提供低分辨率好於中等功率的要求。一個低成本的一個例子，SAR是從低功耗集成的max11665aut-t。它是一個12位，500 kilosamples每秒(kS/s)SAR ADC，使它與數字化傳感器輸出。
積分雙斜率模數轉換器
集成的ADC提供高分辨率的同時最大限度地降低噪聲的影響。雙斜率ADC是最常見的集成ADC(圖4)。
雙斜率積分模數轉換器框圖
圖4：一個雙斜率積分ADC的框圖，包括一個圖，顯示電荷/放電時間是如何用來決定未知輸入電壓的。(圖片來源：凱利訊半導體電子)
最初，輸入連接到積分器。電容器C是由輸入信號定時充電的。在充電時間完成時，積分器連接到基準電壓。這將電容器按比較器決定的電容放電到零。計數器用來測量電容器放電所需的時間。在充電週期中，時間與電容器上的輸入電壓成正比。一個簡單的關係，根據已知的充電時間和測量放電時間允許輸入電壓的計算。
由於信號輸入被應用於積分器，所以通過積分器的平均效應最小化任何噪聲信號的影響。雙斜率轉換器是高精度要求高精度應用的理想選擇。12到16位的分辨率是常見的，最大採樣率高達100。
雙斜率ADC最著名的應用是數字電壓表(DVM或表)。該集成模型icl7109cpl + 12位ADC具有三態輸出的雙斜率轉換器用於測量的模擬信號，如壓力、速度、流量，以高達每秒30次的速率。
∑ΔADC：高分辨率低頻
∑ΔADC爲低頻信號提供最高分辨率(16到24位)。像雙斜率ADC一樣，它是另一種積分式數字化儀(圖5)。輸入信號通過一個夏天應用到積分器。積分器的輸出被應用於鎖存比較器，並將其與零伏(地)信號進行比較。如果集成輸出不是零，比較器輸出反饋，使積分器輸出接近零。這個過程在轉換器時鐘頻率下重複，直到積分器輸出達到零。比較器輸出形成串行數據流，即轉換器的數字輸出。
∑-ΔADC的採樣率要比設計的採樣速率高很多。
在圖中，轉換器時鐘比輸出採樣時鐘快一個因數K。從這個“過度採樣”的額外樣本被用來提供轉換器輸出的數字濾波。抽取器的輸出採樣率恢復到指定的採樣時鐘速率。
模擬設備的模型ad7734bruz ADC是24位，4通道，用於處理和工業控制應用的∑-Δ數字化儀。
∑-Δ模數轉換器圖
圖5：∑-ΔADC廣泛用於音頻、過程和工業控制應用的低頻信號的高分辨率數字化。(圖片來源：凱利訊半導體)
表2提供了所討論的五種ADC類型的分辨率和最大採樣率的摘要。
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表2：本文討論的五種ADC類型的ADC工作特性。(圖片來源：凱利訊半導體電子)
拓撲結構選擇的例子
考慮一個應用程序，從便攜式超聲波測距儀使用40千赫換能器的信號數字化。目標反射值是發射脈衝幅度的40分貝(1/100)。
信號必須在兩倍於40千赫信號頻率的最低頻率下進行採樣。最好是在40千赫或四千赫以上採樣，所以所需的採樣範圍是160千赫或更大。這是一個好主意，設置一個分辨率，至少是預期的40 dBm的十倍，所以這將是60分貝。一般的經驗法則是，每6分貝需要1位分辨率，因此需要10位或更多ADC。此外，這是一個便攜式儀器，使功耗考慮。諮詢表2，逐次逼近轉換器是最好的選擇。從集成的max11665aut-t，作爲SAR ADC的例子，前面提到的，都是這一應用的一個很好的匹配。
結論
由於兩者不能同時實現，ADC的選擇主要是最大採樣率和分辨率之間的折衷。其他考慮因素，如物理大小和功耗，取決於應用程序，應該在選擇過程中給予適當的權重。
