目录目录目录目录 ADC/DAC 原理原理原理原理 类型类型类型类型 ADC/DAC 设计经典问答设计经典问答设计经典问答设计经典问答 如何认识如何认识如何认识如何认识 ADC 参数中参数中参数中参数中““““精确度精确度精确度精确度””””与与与与““““分辨率分辨率分辨率分辨率””””的不同的不同的不同的不同 ADC/DAC 原理原理原理原理 类型类型类型类型 产生原因 随着现代科学技术的迅猛发展,特别是数字系统已广泛应用于各种学科领域及日常生活, 微型计算机就是一个典型的数学系统 但是数字系统只能对输入的数字信号进行处理,其输出信号也是数字信号而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续 变化的模拟量,如温度、压力、流量、速度等,这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对应的电压、电流或频率等电模拟量为了实现数字系统对这些电模拟 量进行检测、 运算和控制,就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程即常常需要将模拟量转换成数字量,简称为 AD 转换,完成这种转换的电路称为模数 转换器(Analog to Digital Converter) ,简称 ADC;或将数字量转换成模拟量,简称 DA 转换,完成这种转换的电路称为数模转换器(Digital to Analog Converter) ,简称 DAC。
ADC 和 DAC 基本原理及特点 模数转换器(ADC)的基本原理 模拟信号转换为数字信号,一般分为四个步骤进行,即取样、保持、量化和编码前两个步骤在取样-保持电路中完成,后两步骤则在 ADC 中完成 常用的 ADC 有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ -Δ 调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型 下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点: 1 积分型(如 TLC7135) 积分型 ADC 工作原理是将输入电压转换成时间或频率,然后由定时器/计数器获得数字值其优点是用简单电路就能获得高分辨率,但缺点是由于转换精度依赖 于积分时间,因此转换速率极低初期的单片 ADC大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流双积分是一种常用的 AD 转换技术,具有精度高,抗干扰能力强等优点 但高精度的双积分 AD 芯片,价格较贵,增加了单片机系统的成本 2 逐次逼近型(如 TLC0831) 逐次逼近型 AD 由一个比较器和 DA 转换器通过逐次比较逻辑构成,从 MSB 开始,顺序地对每一位将输入电压与内置 DA 转换器输出进行比较,经 n 次比较而输 出数字值其电路规模属于中等。
其优点是速度较高、功耗低,在低分辨率( < 12 位)时价格便宜,但高精度( > 12 位)时价格很高 3 并行比较型/串并行比较型(如 TLC5510) 并行比较型 AD 采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称 FLash 型由于转换速率极高, n 位的转换需要2n - 1 个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频 AD 转换器等速度特别高的领域串并行比较型 AD 结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由 2 个 n /2 位的并行型 AD 转换器配合 DA 转换器组成,用两次比较实行转换,所以称为 Halfflash 型 4 Σ-Δ 调制型(如 AD7701) Σ- Δ 型 ADC 以很低的采样分辨率( 1 位)和很高的采样速率将模拟信号数字化,通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率,然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速 率 Σ-Δ型 ADC 的电路结构是由非常简单的模拟电路和十分复杂的数字信号处理电路构成 5 电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型 AD 在内置 DA 转换器中采用电容矩阵方式,也可称为电荷再分配型。
一般的电阻阵列 DA 转换器中多数电阻的值必须一 致,在单芯片上生成高精度的电阻并不容易 如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉成本制成高精度单片 AD 转换器最近的逐次比较型 AD 转换器大多为电容 阵列式的 6 压频变换型(如 AD650) 压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量从理论上讲这种AD的分辨率 几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度其优点是分辨率高、功耗低、价格低,但是需要外部计数电路共同完成 AD 转换 数模转换器(DAC)的基本原理 DAC 的内部电路构成无太大差异,一般按输出是电流还是电 压、能否作乘法运算等进行分类大多数 DAC 由电阻阵列和 n 个电流开关(或电压开关)构成按数字输入值切换开关,产生比例于输入的电流(或电压) 此外,也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部的DAC 分为电压型和电流型两大类,电压型 DAC有权电阻网络、T 型电阻网络和树形开关网络等;电流型 DAC 有权电流型电阻网络和倒 T 型电阻网络等 1 电压输出型(如 TLC5620) 。
电压输出型 DAC 虽有直接从电阻阵列输出电压的,但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载,由于无输出放大器部分的延迟,故常作为高速 DAC 使用 2 电流输出型(如 THS5661A ) 电流输出型 DAC 很少直接利用电流输出,大多外接电流- 电压转换电路得到电压输出,后者有两种方法:一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流- 电压转换,二是外接运算放大器 3 乘算型(如 AD7533) DAC 中有使用恒定基准电压的,也有在基准电压输入上加交流信号的,后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出,因而称为乘算型 DAC 乘 算型 DAC 一般不仅可以进行乘法运算,而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用 4 一位 DAC一位 DAC 与前述转换方式全然不同,它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出,然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出,用于音频等场合 ADC 和 DAC 的主要技术指标 1 ADC 分辨率指输出数字量变化一个最低有效位(LSB)所需的输入模拟电压的变化量 2 ADC 的精度决定于量化误差及系统内其他误差之总和。
一般精度指标为满量程的±0. 02% ,高精度指标为满量程的 0. 001% 3 转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的 AD 转换所需的时间的倒数 积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型 AD 可达到纳秒级 4 量化误差由于 AD 的有限分辨率而引起的误差,即有限分辨率 AD 的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率 AD (理想 AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差通常是 1 个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为 1LSB、1 /2LSB DAC的主要技术指标 1 分辩率指输出模拟电压的最小增量,即表明 DAC 输入一个最低有效位(LSB)而在输出端上模拟电压的变化量 2 建立时间是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间,也可以认为是转换时间 DA 中常用建立时间来描述其速度,而不是 AD 中常用的转换速率 一般地,电流输出 DA 建立时间较短,电压输出 DA 则较长 3 精度是指输入端加有最大数值量时,DAC 的实际输出值和理论计算值之差,它主要包括非线性误差、比例系统误差、失调误差 4 线性度在理想情况下,DAC 的数字输入量作等量增加时,其模拟输出电压也应作等量增加,但是实际输出往往有偏离。
ADC/DAC 设计经典问答设计经典问答设计经典问答设计经典问答 来源：美国国家半导体公司 1. 什么是什么是什么是什么是小信号带宽小信号带宽小信号带宽小信号带宽（（（（SSBW）？）？）？）？ 小信号带宽（Small Signal Bandwidth (SSBW)）是指在指定的幅值输入信号及特定的频率下，它的输出幅值比低频时的输出幅值下降指定值时，该特定频率为小信号带宽 2. 什么是共模电压什么是共模电压什么是共模电压什么是共模电压（（（（VCM）？）？）？）？ 共模电压（Common Mode Voltage (VCM )）是差动输入的两个引脚上相同的直流输入电压 3. 什么是什么是什么是什么是 MSB（（（（最高有效位最高有效位最高有效位最高有效位）？）？）？）？ MSB（最高有效位（Most Significant Bit）），是具有最大的值或权重的位它的值是满量程的一半 4. 什么是采样什么是采样什么是采样什么是采样（（（（孔径孔径孔径孔径））））延时延时延时延时？？？？ 采样（孔径）延时（Sampling (Aperture) Delay）是时钟输入的后边缘到采样开关打开所需的时间。
采样/保持电路有效地停止输入信号捕获，并进入“保持”模式，确定时钟延时后的采样 5. 什么是满量程什么是满量程什么是满量程什么是满量程（（（（FS））））输入范围输入范围输入范围输入范围？？？？ 满量程输入范围（Full Scale Input Range），是指模数转换器上数字化的输入电压的输入范围，既不低于这个范围也不超过这个范围 比如 V REF + = 3.5V 和 VREF - = 1.5V, FS = (VREF + )-(VREF - ) = 2.0V 6. 什么是时钟占空比什么是时钟占空比什么是时钟占空比什么是时钟占空比？？？？ 时钟占空比（Clock Duty Cycle）是时钟波形高电平时间和一个时钟周期总时间的比值 7. 什么是位的有效数什么是位的有效数什么是位的有效数什么是位的有效数（（（（ENOB ，，，，或有效位或有效位或有效位或有效位）？）？）？）？ 位的有效数（ENOB ，或有效位）（Effective Number of Bits (ENOB, 或 Effective Bits)）是信噪比和失真的比率，或 SINAD 的另一种表达方法 ENOB 定义为(SINAD -1.76)/ 6.02，这个位数(ENOB)表示转换器是与理想的模数转换器等效。
8. 什么是增益误差什么是增益误差什么是增益误差什么是增益误差？？？？ 增益误差是在第一个代码和最后一个代码发生转换时，实际输人电压与理想输人电压之差即，这个差值是：满量程 - 2 LSB 9. 许多模数转换器在数据手册中提供的应用许多模数转换器在数据手册中提供的应用许多模数转换器在数据手册中提供的应用许多模数转换器在数据手册中提供的应用，，，，在在在在 Va, Vd 和和和和 Vref 引脚上出现了三个电引脚上出现了三个电引脚上出现了三个电引脚上出现了三个电容容容容这三个电容器都是必须的吗这三个电容器都是必须的吗这三个电容器都是必须的吗这三个电容器都是必须的吗？？？？ 根据特定器件和电路板的布局，一个或两个电容可能就足够了较大的电容，通常是 5 到 10?F 的，提供了低阻抗大容量存储，在转换期间保证了电压的稳定性 较小值的电容器吸收较高频率的噪音尖峰 如果印制电路板具有非常好的布局用于低噪声工作， 而且不包含一个微控制器或其他的嘈杂的数字逻辑，可能需要更少的电容器但是为使 ADC 工作电平精度获得保证，一般情况下最好是遵循数据手册的推荐 10. 什么是零误差什么是零误差什么是零误差什么是零误差？？？？ ADC 双级输出的零误差是理论的输入电压（典型的是中心值加 1/2LSB）和实际输入电压之间的差异，这个实际输入电压引起了输出从 0 到 1 的转换。
11. 什么是输出保持时间什么是输出保持时间什么是输出保持时间什么是输出保持时间？？？？ 输出保持时间是指在输入时钟边缘后输出有效数据的时间长度 12. 什么是分辨率什么是分辨率什么是分辨率什么是分辨率？？？？ 分辨率是模拟增量， 相当于 1 LSB 转换器代码的变化 分辨率也被定义为转换器位数 （n）的个数数字代码的个数等于 2^n，其中“n”是位的个数举一个例子，一个 12 位转换器模拟 信号和 2 ^ 12 = 4096 数字编码的映射关系12 位模数转换器的分辨率，是输入电压的满量程除以 2^12，或 4096，不会引起输出代码超出范围 13. 什么是微分相位误差什么是微分相位误差什么是微分相位误差什么是微分相位误差？？？？ 微分相位误差（Differential Phase Error）是指，小信号正弦波在两个不同的直流（DC)输入电平重构下，输出相位的差 14. 什么是模什么是模什么是模什么是模/数转换器的动态指标数转换器的动态指标数转换器的动态指标数转换器的动态指标？？？？ 模/数转换器的动态指标（Dynamic Specifications）涉及到那些交流（AC）输入信号。
这些包括信/噪比（SNR） ，SINAD（信号噪声+失真），ENOB（有效位数），THD（总谐波失真），IMD（互调失真） ，FPBW（全功率带宽） ，SSBW（小信号带宽） 15. 什么是互调失真什么是互调失真什么是互调失真什么是互调失真（（（（IMD）？）？）？）？ 互调失真(Intermodulation Distortion)，是指没有出现在输入端，作为两个正弦曲线的频率同时作用于模数转换器的输入， 而形成的额外的频谱成分 它被定义为在互调积中的能 量和原始频率中的总能量比值互调失真（IMD）通常用分贝（dB）来表示 16. 什么是增益温度系数什么是增益温度系数什么是增益温度系数什么是增益温度系数（（（（满量程温度系数满量程温度系数满量程温度系数满量程温度系数）？）？）？）？ 增益温度系数（满量程温度系数）是指增益误差变化量和温度变化量的比值通常用每百万分之/ 摄氏度(ppm/°C)表示 17. 什么是总谐波失真什么是总谐波失真什么是总谐波失真什么是总谐波失真(THD)？？？？ 总谐波失真(THD)，用 dB 或 dBc 表示，是指总的谐波电平（ 美国国家半导体模数转换器是 9 个谐波段 ） 和输入信号的倍频出现在输出的电平。
总谐波失真(THD)计算方法如下： THD="sqrt"[ ( f2xf2 + f3xf3 + f4xf4 + f5xf5 + f6xf6 + f7xf7 + f8xf8 + f9xf9 + f10xf10) / (f1xf1) ] f1 是输入信号的基频，f2 到 f10 这 9 个谐波频率是基频的倍频 18. 什么是零刻度偏移误差什么是零刻度偏移误差什么是零刻度偏移误差什么是零刻度偏移误差？？？？ 单极输出模数转换器的零刻度偏移误差是指理想的输入电压(1/2 LSB) 和实际输入电压之间的差，引起输出代码由 0 到输出代码 1 的转换 19. 什么是全功率带宽什么是全功率带宽什么是全功率带宽什么是全功率带宽(FPBW)？？？？ 全功率带宽(FPBW)是指满量程输入在重构的输出基频下降到 3 分贝时低于其低频值的频率 20. 什么什么什么什么 LSB（（（（最低有效位最低有效位最低有效位最低有效位）？）？）？）？ LSB（最低有效位），是指所有位中最小的值或权值这个值是 m*VREF/2 n，其中：“ m ”为主，是基准量程因子（这是最常见的单位），其中“n”是模数转换器的分辨率。
ADC/DAC 设计经典问答设计经典问答设计经典问答设计经典问答（（（（中中中中）））） 1. 怎样才能消除模数转换器时钟线和控制线上的超调量和怎样才能消除模数转换器时钟线和控制线上的超调量和怎样才能消除模数转换器时钟线和控制线上的超调量和怎样才能消除模数转换器时钟线和控制线上的超调量和/或欠调量或欠调量或欠调量或欠调量？？？？ 超调量和/或欠调量，是由高速信号边缘和不匹配信号终端混合引起的增加一个 47 至 100Ω 电阻串联到输入， 电阻要尽可能的靠近时钟源 目的是为了和时钟线上的信号阻抗匹配，输电线路也应该这样考虑 串联的终端用一个小的附加电源， 为减少摆动效应通常是足够了 2. 什么是什么是什么是什么是输出延时输出延时输出延时输出延时？？？？ 输出延时是指输入时钟的后边缘到数据更新出现在输出引脚的延迟时间 3. 什么是孔径抖动什么是孔径抖动什么是孔径抖动什么是孔径抖动？？？？ 孔径抖动是指采样值间孔径延时的变化孔径抖动作为输入噪声出现 4. 什么是信号噪声及失真比什么是信号噪声及失真比什么是信号噪声及失真比什么是信号噪声及失真比(S/(N+D) 或或或或 SINAD) ？？？？ 信号噪声及失真比(S/(N+D) 或 SINAD)，用分贝表示（dB），出现在输出的输入信号的有效值和所有其他光谱成分的有效值的比值，频谱成分包括低于时钟频率一半频谱的谐波，但不包括直流。
5. 什么是满量程阶跃响应什么是满量程阶跃响应什么是满量程阶跃响应什么是满量程阶跃响应？？？？ 满量程阶跃响应，定义为 VIN 从 VREF-变化到 VREF+，或从 VREF＋变化到 VREF-，为转换器设定足够的恢复，并满足其额定精度的转换所需的时间 6. 什么是通道延时什么是通道延时什么是通道延时什么是通道延时（（（（潜伏期潜伏期潜伏期潜伏期）？）？）？）？ 通道延时（潜伏期），是指转换启动到转换的数据出现在输出驱动级时之间的时钟周期的数量 数据对于任何给定的采样是可利用通道延时加上输出延迟后进行采样 每隔一个时钟周期，可得到新的数据，但数据落后于通道延时加上输出延时 7. 什么是模拟什么是模拟什么是模拟什么是模拟 /数字转换器的静态指标数字转换器的静态指标数字转换器的静态指标数字转换器的静态指标？？？？ 静态指标是关于模数转换器的直流 （DC ） 信号输入的指标 这些包括增益误差， 偏移误差，以及微分与积分线性误差 8. 什么是总不可调整误差什么是总不可调整误差什么是总不可调整误差什么是总不可调整误差（（（（TUE）？）？）？）？ 总不可调整误差（Total Unadjusted Error(TUE)），是指理想的情况下数字代码的中心和输入电压范围相关的电压的最大偏差。
总未调整误差包括偏移误差，增益误差，以及微分与积分非线性误差 9. 什么是满量程误差什么是满量程误差什么是满量程误差什么是满量程误差？？？？ 满量程误差， 是最后代码的转换离理想的 1 个 1/2 LSB 以下 VREF +到多大范围的测量，并定义为：VFSE =Vmax + 1.5 LSB - VREF + ，其中 Vmax 是转换为最大代码时的电压，可以用伏特表示，最低有效位或满量程范围的百分数 ADC/DAC 设计经典问答设计经典问答设计经典问答设计经典问答（（（（下下下下）））） 1. 什么是什么是什么是什么是转换时间转换时间转换时间转换时间？？？？ 转换时间是指模数转换器完全一个转换所需的时间 转换时间不包括采样时间， 多路复用器设置时间，或完成一个转换周期的其他部分，转换时间可能少于吞吐量时间 2. 什么是电源抑制比什么是电源抑制比什么是电源抑制比什么是电源抑制比(PSRR) ？？？？ 电源抑制比（Power Supply Rejection Ratio)，可分为两种规格直流电源抑制比（DC PSRR ） 是特定参数的变化量 （例如， 满量程误差） 和一个电源电压指定变化量的比值。
交流电源抑制比（AC PSRR）是衡量一个电源上叠加的特定频率和振幅的信号，这个信号在输出上的输出振幅，和它在电源引脚上的振幅的比值电源抑制比（PSRR）通常用分贝表示 3. 什么是遗漏码什么是遗漏码什么是遗漏码什么是遗漏码？？？？ 遗漏码，是那些输出码被忽略的，或将永远不会出现在模数转换器输出的这些码不能通过任何输入值 4. 什么是吞吐量率什么是吞吐量率什么是吞吐量率什么是吞吐量率？？？？ 吞吐率是模数转换器最高的连续转换率 5. 什么是什么是什么是什么是信噪比信噪比信噪比信噪比(SNR)？？？？ 信噪比(SNR）是一个比率 ，用分贝（dB）表示，出现在输出的输入信号的有效值和所有其他频谱成分（低于采样频率的一半，除谐波分量和直流分量外）总和的有效值的比率信噪比 (SNR)是信号电平的有效值与各种噪声(包括量化噪声、热噪声、白噪声等)有效值之比的分贝数 其中信号是指基波分量的有效值， 噪声指奈奎斯特频率以下的全部非基波分量的有效值(除谐波分量和直流分量外) 6. 什么是吞吐时间什么是吞吐时间什么是吞吐时间什么是吞吐时间？？？？ 吞吐时间是指转换器完成一次转换所花的时间。
吞吐时间包括任何多路复用器的建立时间，采样时间，转换时间，输出显示时间 7. 什么是直流共模误差什么是直流共模误差什么是直流共模误差什么是直流共模误差？？？？ 直流共模误差（DC Common-Mode Error）是用于模数转换器的差分输入的一个规格当两个输入上的模拟电压被改变相同的值时， 发生输出代码的变化量 它通常用 LSBs 表示 8. 什么是偏置误差什么是偏置误差什么是偏置误差什么是偏置误差？？？？ ADC 的偏置误差定义为使最低位被置成“1”状态时 ADC 的输人电压，与理论上使最低位被置成“1”状态时的输人电压之差 9. 印制电路板的电源地是否应作为数字和模拟的共同地印制电路板的电源地是否应作为数字和模拟的共同地印制电路板的电源地是否应作为数字和模拟的共同地印制电路板的电源地是否应作为数字和模拟的共同地？？？？ 是的，他们应该是一样的但是重要的是，要慎重给所有电源和信号布线以使地电流与电源和信号分开 如何认识如何认识如何认识如何认识 ADC 参数中参数中参数中参数中““““精确度精确度精确度精确度””””与与与与““““分辨率分辨率分辨率分辨率””””的不同的不同的不同的不同 ADC 制造商在数据手册中定义 ADC 性能的方式令人困惑， 并且可能会在应用开发中导致错误的推断。
最大的困惑也许就是“分辨率”和“精确度”了——即 Resolution 和 Accuracy，这是两个不同的参数，却经常被混用，但事实上，分辨率并不能代表精确度，反之亦然本文提出并解释了 ADC“分辨率”和“精确度”，它们与动态范围、噪声层的关系，以及在诸如计量等应用中的含义 ADC 动态范围动态范围动态范围动态范围，，，，精确度和分辨率精确度和分辨率精确度和分辨率精确度和分辨率 动态范围被定义为系统可测量到的最小和最大信号的比例 最大信号可为峰间值，零到峰(Zero-to-Peak)值或均方根(RMS)满量程其中任何一个都会给出不同值例如，对于一个 1V 正弦波来说： 峰间(满量程)值＝2V 零到峰值＝1V RMS 满量程＝0.707×峰值振幅＝0.707×1V＝0.707V 最小信号通常为 RMS 噪声， 这是在未应用信号时测量的信号的均方根值 测量得到的 RMS噪声级别将取决于测量时使用的带宽每当带宽翻倍，记录的噪声将增长 1.41 或 3dB 因此，一定要注意动态范围数字始终与某个带宽相关，而后者通常未被指定，这使记录的值变得没有意义 器件的信噪比(SNR)和动态范围多数时候被定义为同一个值，即： 动态范围 ＝ SNR ＝ RMS 满量程/RMS 噪声 并且经常使用 dB 作为单位，即 动态范围(dB) ＝ SNR(dB) ＝ 20*Log10 (RMS 满量程/RMS 噪声) 与使用 RMS 满量程相反，一些制造商为了使图表看上去更漂亮，引用零到峰或峰间值，这使得最终的动态范围或 SNR 增加了 3dB 或 9dB，因此我们需要仔细研究规范以避免误解。
在讨论 ADC 性能时，分辨率和精确度是经常被混用的两个术语一定要注意，分辨率并不能代表精确度，反之亦然 ADC 分辨率由数字化输入信号时所使用的比特数决定 对于 16 位器件， 总电压范围被表示为 216 (65536)个独立的数字值或输出代码因此，系统可以测量的绝对最小电平表示为 1比特，或 ADC 电压范围的 1/65536 A/D 转换器的精确度是指对于给定模拟输入， 实际数字输出与理论预期数字输出之间的接近度 换而言之， 转换器的精确度决定了数字输出代码中有多少个比特表示有关输入信号的有用信息 如前所述，对于 16 位 ADC 分辨率，由于出现内部或外部误差源，实际的精确度可能远小于分辨率因此，举例而言，一个给定的 16 位 ADC 可能只能提供 12 位的精确度对于这种情况，4LSb(最低有效位)表示 ADC 中生成的随机噪声 ADC 动态范围和 ADC 精确度通常指相同的内容 图 1 展示了基本的 ADC 测量电路 图1：基本的ADC测量电路 理想 ADC 生成一个数字输出代码，是关于模拟信号电压和电压参考输入的方程，其中 输出代码 ＝ 满量程电压 × [VIN+ - VIN-] / [VREF+ - VREF-] ＝ 满量程电压 × [VIN /VREF] 每个数字输出代码表示参考电压的一个小数值。
必须注意， ADC 动态范围应当匹配将要转换的信号的最大振幅， 这样才能使 ADC 转换精度最大化 现在假设将要转换的信号在 0V 到 2.5V 间变化，而 VREF 等于 3.3V，如图 2 所示 图2：输入信号振幅和ADC动态范围 16 位 ADC 将包括 216 ＝ 65536 个步骤或转换，且最低有效位(LSB)＝VREF/65536＝3.3V/65536＝50.35uV对于理想的 ADC，所有代码都具有 1LSB 的相同宽度 如果 ADC 的最大信号值为 2.5V，那么意味着总共有 49652 次转换(2.5V/1LSB)对于这种情况，将有 15884 次转换未被使用(65536-49652＝15884)这反应了转换后的信号精确度损失或 ENOB 损失(损失 0.4 位) 如果 ADC 参考(VREF)和 ADC 最大信号电平之间的差异增加， 那么 ENOB 损失或精确度损失将加剧例如，如果 ADC 最大信号电平为 1.2V 且 VREF＝3.3V，那么 ENOB 损失将为1.5 位因此 ADC 动态范围一定要匹配最大信号振幅，以获得最高精确度 应用示例应用示例应用示例应用示例 我们通过一些例子来说明这些参数在某些典型应用中的具体含义。
a) 数码相机 简单来说， 数码相机的动态范围就是图像传感器的一个像素生成的可检测到的最亮和最暗值的范围，使用比特作为单位ADC 的最小比特率(分辨率)由图像传感器的动态范围(精确度)决定举例而言，如果传感器的动态范围为 1000：1(也可以称为 60dB)，那么 ADC 应当至少为 10 位(2^10＝1,024 分立电平) 才能避免信息损失然而，在实际中，应当将 ADC 往高指定为 12 位，以允许 ADC 具有一定的容错裕量 只因为相机具有 12 位或 16 位的 ADC 就宣称它具有 12 位动态范围会令人误解，因为噪声以及用于产生这个动态范围的像素井的容量没有被考虑在内 因此，综上所述，只有传感器本身具有足够的动态范围时上述描述才成立色调范围和动态范围永远也不会超过传感器的动态范围 因此必须要清楚相机的实际动态范围 本节内容解释了具有 12 位动态范围的相机并不表示相机有一个 12 位的 ADC b)电阻温度计 电阻温度计(RTD)利用了某些材料在不同温度下电阻会发生可预测的变化这一原理电阻温度计通常使用铂制成，并且具有以下特征： 0oC 时的传感器电阻＝100ohm 电阻变化/ oC＝0.385ohm(欧洲基本区间) 激活传感器的感应电流＝1mA 温度范围 ＝ 0 至 500oC 注意，电阻温度计需要通过大约 1mA 的弱电流来确定电阻。
1°C 的温度变化会引起 0.385 ohm 的电阻变化，因此即使一个小的电阻测量错误也会引起很大的温度测量误差 电阻温度计需要检测到 0.1oC 的温度变化，这将成为系统在 0 至 500 oC 之间的 LSB电阻在这个范围的对应变化幅度将为 192.5ohm对于这个变化幅度，该范围下的电压将为192.5mV 现在，动态范围 ＝ 满量程电压/LSB 大小 ＝ 192.5mV/38.5uV ＝ 5000 要满足这一要求，13 位 ADC 应当已经够用 注意，由于整个 RTD 传感器的电压范围为 100mV 到 292.5mV 且 LSB 大小足够低到可由任何 SAR ADC 分辨，您将需要一个增益放大器来在 ADC 可以实际支持的范围内增大这个范围假设我们使用一个固定增益为 17 的增益放大器通过使用这个增益放大器，电压将从 1.7V 增加到 4.92V正如前面所解释的一样[如图 2 所示]，在这个输出电压范围内您的ADC 将不能够得到充分利用，因此将限制动态范围 由于我们在这个应用中最关心的是 LSB 大小(RTD 传感器应当能够使用 0.1oC 的温度变化进行响应)，并且假设典型 ADC 具有 5V 的满量程电压，因此您将需要一个转换器，其中 ENOB(有效位数) ＝ 1.44ln(满量程/LSB) ＝1.44ln(5V/38.5uV) ≈17 位(近似值) 一个 Σ-∆ ADC 应当能够提供这种性能。
注意，13 位应用并不总是需要 13 位转换器 c) 电气计量 如今，电表变得越来越复杂，并且要求在不同动态范围下获得高精确度，因为任何测量误差都会使电力公司蒙受巨大的损失 对于动态范围为 2000：1 的 Class1 电表，必须测量的最小信号大约为 0.5mV，假设 ADC满量程电压为 1V 这种仪表的最大误差规格通常为针对指定动态范围测量的参数的 0.1% 目标错误＝0.5mV×0.1% ＝500nV 因此，要测量的最小信号为 500nV 系统需要从 1V 中解析出 500nV，这将要求 ADC 具有 1V/500nV≈2×106 次输出转换这需要使用具有 21 位 ENOB 的 ADC 需要注意的一点是通用 21 位 ADC 并不能满足这些需求，除非它具备一个良好的噪声层并能够分辨最低 500nV 的电压 这个具体示例仅仅介绍了电表中的电压测量需求 电表中的电流测量具有比电压测量更严格的需求，但是本例并没有介绍详细内容 结束语结束语结束语结束语 模数转换器(ADC)宣称具有“n”位分辨率， 这常常被误解为精确度 分辨率和精确度完全是两个概念， 两者不能混用。
应该由具体的应用来确定是否允许丢失代码以及所需 ADC 精确度本文通过解释一些应用示例展示了精确度和分辨率的差别此外，ADC 精确度不能仅仅取决于 ADC 性能和特性，它与围绕 ADC 的整个应用设计有关系统实际上指定了所需的真正动态范围 作者：Mohit Arora 飞思卡尔半导体系统工程师 。