目前市场上主要有以下5种不同结构的A/D转换器：

（1）逐次逼近寄存器型也称SAR型A/D转换器。这种结构的转换器通过输入的模拟信号与比较器逐次比较来输出数字信号，是目前应用最多的转换器类型。

（2）Flash（闪速型）A/D转换器。内部采用多个比较器，仅作一次比较便可实现转换，因此采样速率极高。但其体积和功耗相对就大些。该类转换器主要用于视频和通讯领域。

（3）流水线型（Pipeline）A/D转换器。这种结构介于SAR和Flash结构之间，通过多次并行比较和输出数值，从而减少体积和功耗，同时也能做到高速。但相对于Flash结构型却引入了延时。

（4） -∑型A/D转换器。它主要由积分器、比较器和移位D/A转换器、数字滤波器组成，通过将输入电压转换成时间即脉冲宽度信号，然后用数字滤波器处理后得到数字输出。这种结构容易做到高精度和高分辨率。通常采样速率比较低，因此常应用于测量和音频系统。

（5）双积分型A/D转换器。其工作原理是将输入的电压转换成时间即频率，然后由定时器或计数器得到数字输出。它的优点是简单的电路得到了高分辨率和高精度，缺点是采样速率非常慢，主要应用于仪表的数位显示。

A/D转换器的性能指标

主要有以下几种：

（1）分辨率和采样速率。

（2）直流特性也即DC特性，包括积分非线性（INL）、差分非线性（DNL）、丢码率（NMC）。

（3）交流特性也即AC特性，包括总谐波失真（THD）、信噪比（SNR）和SINAD等。

（4）其他参数如基准、接口的串/并性、输入通道数和输入范围等。
新技术新工艺的进步产生一些新型的器件，如TI的SAR型A/D转换器ADS84xx系列和 ∑型A/D转换器ADS16xx系列。

SAR型A/D转换器的优缺点

SAR型A/D转换器通常具有中等的精度和中高分辨率，分辨率一般为8到18位，采样速率一般低于10MHz。由于目前的SAR型A/D转换器内部都采用CMOS工艺的电容矩阵方式，因此这种芯片的功耗比较低，体积比较小。由于A/D内部通常具有采样保持器，它可以维持采样电压直到转换结束，且其转换速率很快。相对于流水线型结构和 -∑型结构来说，其采样到转换的延时极小。此外，它的外围器件也较少。

该器件的缺点是该种结构的转换器采样速率不能太快，精度也不会非常高。

SAR型A/D转换器的内部构造示意图见图1。由图1可见，内部构造中的电容矩阵（也称电荷再分配）一般采用CMOS工艺，用电容取代电阻，更易于集成，从而使体积更小。

图1 SAR型A/D转换器结构(略)

SAR A/D转换器的工作原理如图2所示。

图2 SAR A/D转换器的工作原理图(略)


SAR A/D转换器输入信号的处理

我们通常会在输入信号端加上一个运算放大器进行缓冲和驱动，由于A/D内部采样开关的开闭会产生一种振荡，因此在A/D的输入前端一般会加上一个电阻或电容，此结构称为flywheel，也叫蓄流器，见图3。要求运算放大器具有较大的压摆率，能达到1 LSB的精度，并且具有足够的输出电压建立时间。TI公司的OPA627、OPA350、OPA300、OPA277在高精度采样中可以得到这样的应用。

图3 蓄流器结构(略)


电力保护和测量系统对A/D转换器的要求

不同的保护和测量对象有着不同的采样通道数（6～120）要求，如线路保护、电容保护等。各种电压等级的保护和测量对A/D的精度需求也不大一样，低压要求8位就可以，高压有14位或15位的一些需求。对采样数据的同步性要求也有所不同。不过，一般应用均要求A/D转换器具有极少的采样延时。

对于不同的保护和测量对象，通常要求每个周波采样20~150个点不等，这相当于采样率为1~7.5k不等。由于使用了多个通道，因此就需要有一个高速的A/D转换器才能完成采样和计算。TI的ADS8364可以在3.2 s的时间内完成6通道的同步采样。这为后端的处理器留下了足够的时间来计算和控制。

TI的几款A/D转换器及其应用解决方案

ADS7864

ADS7864是一款12位 500k采样率的6通道同步采样SAR A/D转换器，其输入为6个差分输入，内部有2个独立的A/D转换器，采样速率达到500k。内部有6个采样保护器，从而保证6路输入的同步采样。

ADS8364

ADS8364是一款16位 250k采样率的6通道同步采样SAR A/D转换器，其输入为6个差分输入，内部有6个独立的A/D转换器，并行输出，有6个FIFO寄存器。新改进的8364其性能得到了提供并降低了功耗。

ADS8505

ADS8505是采样率为200的16位A/D转换器，其输入为完成的两极性输入，输入电压范围很宽，能做到 10V。管脚与ADS7805完全兼容。

ADS8509

ADS8509与ADS8505相差不多，8509为串行输入，其输入量程范围有很多种。这两种器件都只需要单5V供电。

解决方案之一：ADS8364+TMS320F2812

可以根据输入通道的数目来选择使用多片ADS8364，这套方案我们已经有了评估板，参见图4。

图4 解决方案一： ADS8364+TMS320F2812(略)

解决方案之二：多路开关+高速A/D

见图5，PT/CT的信号出来，通过滤波，进入多路开关的切换。信号通过运算放大器进行缓冲和驱动，最后输入到ADS8505。

图5 解决方案二：多路开关+高速A/D(略)

解决方案之三：ADS7864+DSP

如图6，此为一种12位A/D的采集系统，它可以应用于中央保护和测量系统中。

图6 解决方案三：ADS7864+DSP(略)

本文网址：

http://seminar.chinaecnet.com/050907/ jchf.asp

问答选编

问：在相同应用场合中，逐次逼近型（SAR）A/D转换 器和sigma_delta A/D转换器相比，其优劣性是 什么？

答：SAR ADC与sigma_delta ADC相比，前者的延时 非常小。在实时控制方面，SAR的优点更明显。 从线性度来讲，SAR结构会比sigma_delta结构好 一些。从精度来讲，sigma_delta精度则可以达到 24位。

问：电力保护行业用的ADC与通用的ADC有什么技 术区别？更强调哪方面的性能？TI的SAR型ADC 与其他公司的产品相比，有什么优势？

答：电力保护行业用的ADC通常会要求几路同时采 样，比如说4路、6路，因为电压、电流的相位关系 需要保持。电力保护还有一个动态范围要求比 较大，对ADC的比特率要求高一些，要16位。再 有，电力保护行业的线上干扰也比较厉害，用差 分输入的ADC，抗干扰性能和共模干扰性能更好。 TI的SAR型ADC与其他公司的产品相比， 原理 上都是采用电容重装配电荷重装配型的ADC。 ADS8364的优点在于输 入端是差分的。

问：怎样尽量减小系统噪音对ＡＤＣ的影响？

答：模拟地与数地之间要尽量隔离，电源要隔离。关 键要在前面AD端的运放处理中注意以下几点： 运放的THD加N的那个值要非常小；建立时间要 非常快，至少要做到0.01%的建立时间；对前端 运放要求高一些。这样整个系统的噪声可以抑 制的比较好。

问：同时采样的通道可以达到几路？

答：目前我们单芯片的同时采样ADC是ADS8364，可 以达到6路，当然在你的系统应用中，可以用多 ADS8364来扩展采样通道，我们的客户最多用 到84路。

问：如何将成品传感器输出信号本身的干扰排除？

答：我理解可能你的干扰信号是传感器本身固有的。 如果说你用单独的ADC的话，基本上就不可能 消除这个干扰。可以在传感器上加ADC和信号 调零电路，比如有源滤波或者是无源滤波，把你 没有用的信号滤掉，对这个信号进行处理，把有 用的信号做一个电平转换，把它转换到某一个电 平段，然后再用ADC对有用的信号进行处理、采集。

问：我用过电阻分压给某厂家8位SAR ADC提供模 拟输入电压时，发现过大电阻比例时转换结果不 正确，例如5 /5 结果正确，5M /5M 结果不正 确，请问原因为何？

答：你首先要看一下你这个SAR型ADC的输入阻抗 是多少，一般情况是在几兆的范围。5 对于几兆 是一个很小的值，它产生的误差也会很小； 但对 于5M 来说，就相对等于它的ADC的输入阻抗， 输入结果就一定会不对。建议你使用比例分 压电阻，应该在10K以下，这样就会相对比较准 确一些。

问：目前SAR ADC的分辨率能达到几位?

答：目前TI公司的ADC最高可达18位。

问：在测量时ADC前端需要使用低通滤波器(使用运 放的，不是简单的阻容滤波)吗?还是使用软件滤 波好?我用的是14位ADC。

答：对于A/D滤波有很多种，需要看你的具体需求。 无源滤波就是我们通常说的RC滤波器，有源滤 波就是你说的运放做出来的。还有用软件滤波， 对数字信号进行处理，这几种方法都是可以的， 具体要看你的运用。

问：采样的线性不好，该如何处理？

答：如果ADC的采样线性不太好，一般比较难处理， 因为一般不会用查表的方式一段一段地进行线 性修正。还有一个网友问到ADS8371为什能做 到那么高的线性度，这主要跟它的加工工艺有关 系，因为如果能把内部的几个电容的匹配性做 得非常好的话，那么它的积分非线性和差分非 线性就会处理得非常好。

问：影响SAR型ADC频率进一步提高的主要障碍在 什么地方？

答：电容性的SAR型ADC内部里面有一个比较器， 有一系列容量以2为倍数的电容，还有一系列的 模拟开关，那么影响它采样频率的提高主要是比 较器的摆率，还有模拟开关的导通电阻。另外这 里面电荷需要流动，因此时间常数需要尽可能的 小，但是如果模拟开关的接触需要小的话，它的 硅片上的MOSFET指向会变得大一些，这样它的 电荷注入效应会大一些，这会影响ADC的精度。 要提高采样频率，里面的电容应做得尽可能小。

问：SAR型A/D在电力保护中应用的最大优势是什 么？

答：对于电力保护，多通道的ADC，用于方向键的保 护，比如说一组电压一组电流共6组参数，ADS8364 SAR结构的就可以做到同时采样，减小了相位误 差。还有，一个SAR结构的ADC延迟非常小， SIGMA转换频率最高可达250K，对于多次谐波 可以实时转换。

问：在SAR ADC中如采用放大器，设计时应该注意 什么呢，如何保证尽量避免噪声的引入？对放大 器有什么要求?

答：不同精度的SAR结构A/D转换器，可以采用不同 的放大器，主要取决于ADC的转换速率以及输入 范围，还有它的精度要求。对于放大器需要考虑 它的建立时间，输出短路电流，带宽和线性度。 建立时间主要考虑的是对于不同的ADC在短时 间内它能够达到限定的速率有多快。ADC的线 性度在ADC的输入范围之内它整个的线性度能 否满足你的要求。对于噪声带宽，要选择适合 你输入信号的带宽，不要太宽也会引入更多的噪 声。

问：采样保持时间和取样频率之间有何种关系?

答：以ADS8364为例，它的转换频率是250kHz，也就 是说4 s，它的采样保持时间是0.8 s，它在里面 的转换时间仅是3.2 s，总共是20个周期，也就是 采样保持周期是四个周期，后面是16位的转换周 期，总共是20个周期完成一次转换，250K的采样 频率。

问：ADC前要加抗混迭滤波器吗 ？

答：对于高精度大结构的ADC需要加抗混迭滤波器， 比如说一个电阻，一个电容。

问：ADC内部的电压比较器是否存在零漂问题 影响精度？这方面的问题是怎么克服的？

答：电容型SAR ADC 在转换之前有个自校过程，能 克服内部、里面比较器的零漂，通常比较器是CMOS 的零漂，一般比较大，但是通过自校就能克服，像 ADS8364内部也有这样的一个过程。