信号链系统概要

一个信号链系统主要由模数转换器ADC、采样与保持电路和数模转换器DAC组成，见图1。DAC，简单来讲就是数字信号输入，模拟信号输出，即它是一种把数字信号转变为模拟信号的器件。以理想的4 bit DAC为例，其输入有bit0 到bit3，其组合方式有16种。使用R-2R梯形电阻的4bit DAC在假定Vbit0到Vbit3都等于1V时，R-2R间的四个抽头电压有四种，分别为V1到V4。

图1 信号链系统框图(略)

采样保持电路也叫取样保持电路，它的定义是指将一个电压信号从模拟转换成数字信号时需要保持稳定性直到完成转换工作。它有两个阶段，一个是zero phase，一个是compare phase。采样保持电路的比较器通常要求其offset比较小，这样才能使ADC的精度更好。通常在比较器的后面需要放置一个锁存器，其目的是为了保持稳定性。

在采样电压快速变化时，需要用到具有FET开关的采样与保持电路。当FET开关导通时，输入电压保存在某个位置如C1中，当开关关断时，电压仍保持在该位置中进行锁存，直到下一个采样脉冲的到来。
ADC与DAC在功用上正好相反，它是模拟信号输入，数字信号输出，是一个混合信号器件。

模数转换器ADC

ADC按结构分有很多种，按其采样速度和精度可分为：

多比较器快速（Flash）ADC；

数字跃升式（Digital Ramp）ADC；

逐次逼近ADC；

管道ADC；

Sigma-Delta ADC。

任何一种ADC的输出都等于2的N次方乘以它的增益（输入信号），再除以它的参考电压。

每一种类型的ADC都各具特性，下面重点介绍前三种类型。

由图2可以看出，不同的ADC有着不同的特性，对于Sigma-Delta ADC来讲，其分辨率可以达到24bit以上，但其采样速率比较低。逐次逼近型ADC比较适应于中等采样率、分辨率在16bit以下的应用。管道ADC主要用于高采样率的应用，其分辨率则在16bit以下。多比较器ADC也是一种高速ADC，但因为其体积和功耗较大、分辨率较低，目前应用中很少使用它。

图2 各类ADC及其特性(略)

多比较器（Flash）ADC中用到的比较器很多，如一个8位的ADC就需要255个比较器。该类产品采样速率确实很高，但因为多个比较器的存在，其功耗很大，而且管芯也较大。ADC0820、ADC1175等产品都是这种类型的ADC。

数字跃升式ADC是用连续搜索的方法获得编码，因为速率太慢、效率太低，因此很少使用。

逐次逼近型ADC在逐次逼近的方法上分为两种，以3比特采样为例，它首先将基准电压分为7个比较电压，使输入信号同时与这7个电压进行比较，最接近的比较电压是表示数值；第二种是将输入电压逐次接近电压的二分之一、四分之一、八分之一等，顺序产生比较后的数字信号。因为变换过程是将输入信号与基准信号比较，所以，基准电压必需是稳定准确的。输入信号的最高电平应保持稳定，充分利用变换器达到高的分辨率。对于任何逐次逼近ADC，都有5个组成部分：第一部分是DAC，其中含有一个算术逻辑测试单元，会比较DAC的输出和模拟信号的输入，直到两者接近；第二部分是输出寄存器；第三部分是比较器，逐次逼近ADC仅含有一个比较器，所以功耗和管芯尺寸都比较小；第四部分是逻辑电路；第五部分是时钟。有一个要求是：DAC的精度一定要高于ADC。
逐次逼近型ADC因其功耗小、成本低、尺寸小以及性能等方面的优点，成为了目前市场上最具成本效益的ADC，也是最常见的ADC。

逐次逼近ADC的工作原理是它首先得到最高的有效位，然后是第二个最高有效位，直到得到最后一个。ADCV08832是一个低功耗版本的器件，它的操作电压较低。

ADC的若干应用

第一个实际应用的例子，是使用温度传感器LM19、ADC变换器来读取温度，通过USB接口送入笔记本电脑，见图3。其演示板将很快提供。

图3 使用LM19和ADC121S101读取温度(略)

第二个应用是远程按键检测，它是用ADC感测很多个按键的输入，然后只有一路产生输出，这样可以节省很多个GPIO接口，实现起来非常方便，比如应用在MP3上等，见图4。

图4 利用ADC实现远程按键检测(略)

第三个应用是电池放电。目前的手机无法看到电池还能支撑多少时间，没有一个量化的概念。利用一个ADC便可以实现让用户知道手机电池还能支持多长的通话时间。应用例子如诺基亚8250，见图5。其演示板已可以提供。

图5 诺基亚8250电池的实陆游和电曲线(略)


问答选编

问：对于采样率为100MHz 、14bit的ADC，模拟地和数字地是同一平面好还是单点接地比较好？另外电源应如何处理呢？

答：根据经验，把它们放在同一个平面连起来较好。但是电源应该分开以防止串音。

问：ADC的数字地与模拟地的电压差最大可以达到多少？

答：一般情况是1V（对于较高速ADC）到接近VCC（较低速ADC），但是它不能超过VCC。这也很难说，并且它也取决于实际的安装与设计。

问：现在的转换器朝哪个方向发展？

答：朝着高速和高解决方案及小封装的方向发展。

问：哪种ADC最适合语音处理应用软件？

答：如果您想得到精确信息，推荐使用Sigma-Delta ADC。

问：1Gsps的ADC使用哪种时钟方案？有没有具体的芯片？

答：推荐使用Nationals PLL来获得频率。没有单芯片可以提供1GHz时钟。并且我们的ADC的输入时钟是不同的输入而非单端输入。

问：SAR ADC结构中的比较器采用静态比较器还是 动态比较器？应该注意哪些问题？

答：通常用动态比较器以获得较高的速度。您无需担心它，因为我们已经把它集成到ADC内部了。您唯一需要注意的事就是为ADC提供清洁电源。

问：实际设计ADC中，常加滤波电容、旁路电容等， 加在哪里？加多大？

答：必须先为功率/接地和基准电压提供旁路电容。对于滤波器电容，通常将它放在信号链处，例如，ADC的输入信号管脚。

问：用于示波器的ADC和DAC，速度很重要，哪个型号适合示波器？

答：National为该应用软件提供最好的解决方案。推荐使用C08D1000或是ADC08D500，它们都是
8位和1000MHz/500MHz采样速率的ADC。

问：对于ADC/DAC在WLAN（802.11g）上的应用，贵公司对应的解决方案是什么？

答：如果您说的是客户方案，它已经集成到WLAN芯片了。但是如果您为AP方而需要解决方案的话，推荐使用ADC08100/ADC08060/ADC10040/
ADC10060以实现低成本，或是ADC12040/ADC12066来实现高性能。

问：请谈一下影响ADC频率进一步提高的主要障碍 在什么地方？

答：主要在ADC构造方面，像针对SAR ADC (20MSPS) 的Sigma-Delta ADC，从闪存到流水线(200MSPS)。如果需要更快的速度，还需要检查一下您的程序是否支持它。

问： Sigma-Delta ADC中的十进制有什么用？

答：delta-sigma转换器最难把握的原理之一是1bit的调制器输出是如何转换成8bit、12bit或16 bit的输出字的。为了实现比1bit更大的解决方案，调制器输出必须是十进制的。通过十进制，可能会用牺牲时间来换取解决方案的提升。

问：INL DNL具体指什么指标？

答：INL：集成非线性误差；DNL：差分非线性误差。

问：转换时间和采样频率是什么关系？

答：在SAR ADC里，不能说在一到两个时钟周期就能对信号采样，因为需要多于12个时钟才能将输入信号转化成数字信号。但是如果使用高速
ADC，就能在一到两个时钟周期内完成对信号的采样和转换。因此，常常为SAR ADC和Sigma-Delta ADC而提到转换时间。

问：我的ADC采样速率很高，达500ns,输入电压0~3.3v,输入信号只有毫伏级，能否建议哪种放大器能满足条件？

答：您应该考虑处理时间：OP Amp的组合处理时间和1LSB全面步输入ADC 必须比ADC的专用采样速率低。LMH6550供您参考。

问：对于时钟、采样频率和比特数仍有疑问：如果有8个时钟沿就会输出8比特吗？这个时钟指的是什么？如果选用晶振如何解释？

答：它是已经在ADC内使用过的内部时钟，但是需要从外部元件提供。它可以来自MCU I/O管脚或外部振荡器（非晶体谐振器）。

问：分辨率和速率是ADC的一对矛盾，有没有使它 们同时都达到高性能的方法？

答：有的，但是您得花费大量资金方可获得很高速和很高bit的ADC解决方案。就我个人来讲，推荐您的应用软件选择一个足够性能的就可以了。

问：对于sigma-delta A/D，什么应用软件更适合？ 答：准确性高、低速率。

问：现在ADC的精度最高为多少？

答：技术上可以达到30bit，但是商业产品只达到24bit。