SciTech-EECS-ADC/DAC: 源自Digikey的模数/数模转换文章:原理、类型、特点、应用、推荐产品

ADC/DAC 教程
作者:Pat Sagsveen, 投稿人:DigiKey, 2017-09-13
https://www.digikey.cn/zh/articles/adc-dac-tutorial

如今的世界充满着各种数字信号和模拟信号。
这些信号表现不同，但通常都被用来帮助实现更大的目标。

• ADC:
  想象你是负责控制 HVAC 装置的工程师。
  无论你打算使用哪种类型的微控制器或微处理器，它必须能够读取具有无限量值的模拟温度，
  并将其转换为分立步进中的二进制表示形式。这种二进制表示的模拟值将由微控制器或微处理器处理。
  这些数据将被 HVAC 装置用来帮助执行一个程序，以帮助维持稳定的环境。
  在处理需要由数字系统处理的模拟值时，模数转换器 (ADC) 是必不可少的。

• DAC:
  同样的理论也向后适用于需要转换成模拟信号的数字信号。
  在线播放歌曲涉及到将数字信号转换为模拟信号的几个步进。
  主机设备从服务器接收到的信号将是原始模拟信号的二进制表示。
  侦听器无法解读此二进制数据的音频响应。
  原始信号是模拟的，所以最后的表示也应是模拟的。模数转换器 (ADC) 可以解决这个问题。
  这种类型的设备可以将一个被模数转换器编码的二进制代码转换回模拟电压。

对如今的工程师来说，将模拟信号和数字信号相互转换是一项不可避免的任务。
有很多不同类型的模数转换器和数模转换器。虽然它们的架构不同，但功能是类似的。
不能用模拟值来进行数字信号处理，这就跟讲法语的人跟讲德语的人无法交谈是一个道理，必须要有翻译员才行，
而 ADC 和 DAC 就相当于翻译员。

• ADC的目标与作用:
  当 ADC “看到”模拟电压时，其工作就是在给定的时间段内将模拟电压转换为二进制码，这意味着它必须在瞬间完成对模拟电压的采样，然后确定 ADC 输出端的二进制值。
  该器件每秒钟采样的数量将在其说明文档中被调出。

• Sampling采样: S.R.(Sampling Rate采样率)与S.P.(Sampling Resolution“分辨率”)

  • 例如 Maxim Integrated 的 MAX1118EKA+T。
    该器件的采样率为100 kHz，即每秒钟对输入端的模拟电压采样 100,000 次。
    它能够在一秒钟内采集这么多样本，意味着可以通过使用二进制表示来精确地记录模拟电压。
  • 有时，ADC 的采样速率不够高，不足以准确地重建引起混叠的输入。这时，信号开始无法彼此区分或混叠。
    想象一下，数码摄像机每秒可拍摄 24 帧，对大多数应用来说是足够的，但要捕捉移动非常快的物体，可能就会导致图像扭曲。回想九十年代后期在电视上看录像带的效果，电视上的图像会不停闪烁，这是因为电视本身的刷新率比录像带的每秒帧数还要快。图像之所以会扭曲，是因为视频实际上是一连串图片的组合。视频实际无法呈现出每两幅图片之间发生的所有活动。ADC 也是同样的道理。
  • 为避免这种情况，应确保采样率至少比需要传输的最高频率高两倍。这通常被称为“奈奎斯特率”。
  • 更高的采样率可以使设备更加精确，但这不是控制精度的唯一方法。
    这是一个将模拟信号转换为二进制码的过程，因此，有一定数量的离散步进可用于表示特定时间点的电压。
    用来表示这个数字的位数是分辨率。
    ADC 的分辨率越高，可采取的分立步进就越多。
    为获取更多细节，应了解如何确定 ADC 可采取的步进的数量。
    ADC 的一个二进制输出可代表供电电压。
    如果供电电压是 10 V 并且有一个 8 位 ADC，可能会有 256 步。
    分辨率可通过等式 2^N 计算出来。“2”是一个常数，“N”代表位数。例如，等式 2^8 的结果是 256 步。
    如果供电电压是 10 V 并且有 256 步，那么每步是 39.0625 mV。针对每个步将会有不同的二进制码。
    如果在 ADC 上从低到高运行所有可能的输入选项，就可以看到结果呈现出楼梯的形状，这是 ADC 传递函数的图形表示。
    图 1 展示了使用 3 位 ADC 和 2 V 基准进行的转换。

• ADC的类型:
  如前所述，ADC 有几种不同的架构。
  每一种类型的转换器都可以将模拟信号转换为数字输出，但在实现过程方面有细微的差别。
  三种最常见的 ADC 架构是SAR(逐次逼近寄存器 )、∆∑(三角积分) 和流水线转换器。

  • SAR(逐次逼近寄存器 )对模拟输入进行采样并保存，然后将其转换为数字信号并输出。
  • ∆∑(三角积分)转换器取的是一段时间内所采样本的平均值，然后再转换为数字信号。
  • 流水线转换器将转换过程划分为多个阶段，以实现超快的转换速度。

  这些转换器都各有优势和劣势。

  • SAR 架构易于使用，通常具有低功耗、低延时和高精度的优点。
  • ∆∑三角积分转换器具有分辨率极高、稳定性高、功耗低和成本低的优点，但工作速度要比 SAR 和流水线架构低很多。
  • 流水线 ADC 的工作速度和带宽相对较高，但分辨率较低，需要更多的功耗。