ADC基础实用教案

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1、ContentsContentsADC简介简介1采样与量化采样与量化2ADC工作原理工作原理3ADC选型选型4checklist5第1页/共29页第一页，共30页。ADCADC简介(jin ji)(jin ji)ADC（Analog to Digital Convert）：将物理空间的时间连续信号转换为便于计算、存储(cn ch)、传输的离散时间信号。如温度、声音及图像等A/D转换的基本原理在A/D转换中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散量，所以进行转换时只能按一定的时间间隔对输入的模拟信号进行采样，然后再把采样值转换为输出的数字量。通常A/D转换需要经过采样、保持量

2、化、编码四个步骤。也可将采样、保持合为一步，量化、编码合为一步，共两大步来完成ADCADC简介简介 第2页/共29页第二页，共30页。ADCADC简介(jin ji)(jin ji)ADCADC类型类型优点优点缺点缺点积分型电路简单转换精度取决于积分时间，转换速率低逐次比较性速率较高、功耗低高精度时价格高流水线型速率高电路规模大-型 分辨率高、易集成、价格便宜适用频率低几种几种ADCADC比较比较 第3页/共29页第三页，共30页。采样(ci yn)(ci yn)与量化乃奎斯特采样定理：对于频率在（0，fH）区间内的时间连续信号m(t),如果以fS2*fH的频率进行采样，则采样后的频谱不会发生

3、(fshng)混叠，m(t)可以由采样信号无失真的还原采样过程频谱分析：若，m(t):原始信号 (t):单位冲击函数则，采样函数采样后的信号结论：采样后的信号在频域上是原信号以采样频率fS为周期进行频谱扩展低通采样理论低通采样理论第4页/共29页第四页，共30页。采样(ci yn)(ci yn)与量化模拟信号采样(ci yn)过程第5页/共29页第五页，共30页。采样(ci yn)(ci yn)与量化带通采样理论带通采样理论 ？思考：？思考：前面前面(qin mian)的乃奎斯特采样理论指出针对频率在（的乃奎斯特采样理论指出针对频率在（0，fH）的信号，要求采样率）的信号，要求采样率fs2fH

4、那么针对频率在（那么针对频率在（fL，fH）的带通信号，其采样率是否仍然要求）的带通信号，其采样率是否仍然要求fs2fH？乃奎斯特采样定理面临的问题：乃奎斯特采样定理面临的问题：目前我们的接收系统中，中频目前我们的接收系统中，中频(zhngpn)信号往往属于带宽有限窄带信号信号往往属于带宽有限窄带信号(fL, fH)，如果仍然按照，如果仍然按照fS 2fH进行采样，则采样频率较高，采样数据量大，后端进行采样，则采样频率较高，采样数据量大，后端DSP处理的及时性和处理的及时性和DSP功耗等问题功耗等问题都受到挑战都受到挑战带通采样理论：带通采样理论：对于带通信号(fL, fH), 可以用小于2f

5、H的采样频率fS进行采样，且能不失真恢复fS需满足采样后的信号频谱以fS为周期将源信号频谱拓展第6页/共29页第六页，共30页。带通采样可实现降频带通采样可实现降频带通信号可将中频信号直接变频带通信号可将中频信号直接变频(bin pn)至较低中频位置，采样后中频信号频率至较低中频位置，采样后中频信号频率计算如下：计算如下： 表示取整数，表示取整数，rem() 表示取余数表示取余数以以450KHz中频信号，采样频率为中频信号，采样频率为72KHz为例为例采样后的频谱如图采样后的频谱如图2.3所示所示中频频率由中频频率由450KHz 降为降为18KHz采样(ci yn)(ci yn)与量化带通采样

6、理论带通采样理论 图2.3 欠采样(ci yn)频谱第7页/共29页第七页，共30页。最佳采样频率最佳采样频率在式在式2.1给出的采样频率区间中，针对每一个给出的采样频率区间中，针对每一个(y )K值都有一个值都有一个(y )最佳采样频率最佳采样频率FSopt，使得无混叠带宽最宽，使得无混叠带宽最宽 以以IF=450KHz，BW=25KHz，K=13为例为例由式由式2.1知：知：？思考？思考为什么为什么fS取取72.9KHZ无混叠带宽反而比无混叠带宽反而比fS取取72KHz时小？时小？采样(ci yn)(ci yn)与量化带通采样理论带通采样理论 第8页/共29页第八页，共30页。带通采样中的

7、频谱镜像带通采样中的频谱镜像我们指导带通采样后信号频谱是原始信号频谱以采样频率我们指导带通采样后信号频谱是原始信号频谱以采样频率(pnl)fS的周期拓展，其结果将会在的周期拓展，其结果将会在 上出现镜像上出现镜像带通采样的目的是将带通采样的目的是将 区间上的信号搬移到区间上的信号搬移到 上表示上表示 当当K为奇数时，采样信号在第一乃奎斯特采样区间内的频谱与原始信号的频谱相同为奇数时，采样信号在第一乃奎斯特采样区间内的频谱与原始信号的频谱相同当当K为偶数时，采样信号在第一乃奎斯特采样区间内的频谱与原始信号频谱不同，而是为偶数时，采样信号在第一乃奎斯特采样区间内的频谱与原始信号频谱不同，而是关于关

8、于 (k-1)fS/4 镜像的。镜像的。 不同区间上信号采样后频谱见图不同区间上信号采样后频谱见图2.4采样(ci yn)(ci yn)与量化带通采样理论带通采样理论 第9页/共29页第九页，共30页。采样(ci yn)(ci yn)与量化带通采样理论带通采样理论 图2.4 不同(b tn)区间上的采样结果第10页/共29页第十页，共30页。采样(ci yn)(ci yn)与量化带通采样理论带通采样理论 带通采样的无混叠带宽带通采样的无混叠带宽在前面提到的最佳采样率例子中，在前面提到的最佳采样率例子中，在在71.15KHzfS72.917的区间时，的区间时，最佳采样率为最佳采样率为72KHz分

9、别分别(fnbi)画出画出fS=72KHz、71.2KHz、71.9KHz时的时的采样后频谱，如右图采样后频谱，如右图结论：结论：当当IFSFS/4时，时，BW=FS/2-IFS-BW/2;当当IFSFS/4时，时，BW=IFS-BW/2;当当IFSFS/4时，时，BW=FS/4-BW/2， BW最大最大第11页/共29页第十一页，共30页。采样(ci yn)(ci yn)和量化量化电平量化电平ADC输出数字量将由计算机进行处理，所以模拟/数字变换的输出数字量的二进制数字格式，最常用的是自然二进制代码。自然二进制代码的格式为：其中N为自然二进制代码的位数，即ADC位数。 MSB（Most Si

10、gnification Bit）代表了模拟/数字变换输出数字的“最高有效(yuxio)位”；LSB（Least Signification Bit）代表了模拟/数字变换输出数字的“最低有效(yuxio)位”。如果输入模拟信号的满量程电压值为FSR（Full Scale Range），ADC的位数为N量化电平用Q表示，则有： 量化电平即ADC的最小分辨率第12页/共29页第十二页，共30页。采样(ci yn)(ci yn)和量化量化方法及误差量化方法及误差舍入法和截断法：舍入法和截断法：按照在同一参考下取值方式不同，量化方法分为按照在同一参考下取值方式不同，量化方法分为舍入法：采用最靠近实际采样

11、舍入法：采用最靠近实际采样(ci yn)(ci yn)值的量化值来近似采样值的量化值来近似采样(ci yn)(ci yn)值值截断法：采用不大于实际采样截断法：采用不大于实际采样(ci yn)(ci yn)值的最大量化值来近似采样值的最大量化值来近似采样(ci yn)(ci yn)值值量化误差：量化误差：误差误差 = = 量化值量化值- -实际值实际值 设一个设一个N=3N=3的的ADCADC，并且，并且FSRFSR为为10V10V。考虑截断法和舍入法两种不同的量化方法对输入模拟信考虑截断法和舍入法两种不同的量化方法对输入模拟信号进行量化，如右图所示号进行量化，如右图所示第13页/共29页第十

12、三页，共30页。采样(ci yn)(ci yn)和量化样本截断法舍入法A010011B010010量化误差(-Q,0)(-Q/2,+Q/2)量化方法及误差量化方法及误差两种量化方法(fngf)的量化误差两种量化方法(fngf)的输入输出特性曲线第14页/共29页第十四页，共30页。采样(ci yn)(ci yn)和量化量化方法及误差量化方法及误差量化噪声量化噪声对于量化噪声的平均值来说，两种量化方法是不一样的。对于量化噪声的平均值来说，两种量化方法是不一样的。由于舍入法的量化误差是正负完全对称，因此其平均值自然等于零由于舍入法的量化误差是正负完全对称，因此其平均值自然等于零而截断法的量化误差都

13、是负值，所以其平均值也是一个而截断法的量化误差都是负值，所以其平均值也是一个(y )负值负值但是其量化噪声的均方差值的大小是一样的但是其量化噪声的均方差值的大小是一样的 均匀量化和非均匀量化均匀量化和非均匀量化按量化间隔划分，量化还可分为按量化间隔划分，量化还可分为均匀量化：量化间隔为定值，且等于量化电平均匀量化：量化间隔为定值，且等于量化电平非均匀量化：量化间隔不是常数非均匀量化：量化间隔不是常数(chngsh)，量化间隔随信号输入，量化间隔随信号输入幅度大小而变化，输入信号幅度小时，量化间隔也小，输入信号幅幅度大小而变化，输入信号幅度小时，量化间隔也小，输入信号幅度大时，量化间隔大度大时，

14、量化间隔大非均匀量化的实现方法非均匀量化的实现方法非均匀量化的实现方法是在量化之前先进行压缩再进行均匀量化电话信号的压缩特性有A律压缩和律压缩第15页/共29页第十五页，共30页。ADCADC工作(gngzu)(gngzu)原理SAR ADCSAR ADCSAR ADC的通用的通用(tngyng)架构架构如图如图3.1所示，所示，SAR ADC包含了包含了 采样保持电路、采样保持电路、比较器、比较器、N-bit DAC、N-bit 寄存器以及逻辑寄存器以及逻辑控制电路控制电路SAR ADC的工作原理的工作原理SAR ADC实质是实现了二进制搜索算法，实质是实现了二进制搜索算法，N-bit SA

15、R ADC 需要进行需要进行N次比较。次比较。N-bit寄存寄存器首先将最高位器首先将最高位(MSB)设置为设置为1，即，即N-bit DAC输出的参考电压为输出的参考电压为Vref/2,输入连续模拟信号经输入连续模拟信号经过采样保持电路后与过采样保持电路后与DAC输出的参考电压进行输出的参考电压进行比较，如果比较，如果VINVDAC，MSB保持为保持为1，反，反之之MSB 重置为重置为0，完成一次比较，寄存器移至，完成一次比较，寄存器移至下一位，同样首先将次高位置为下一位，同样首先将次高位置为1(此时此时AD输输出参考电压为出参考电压为Vref3/4 or Vref1/4)，再进行，再进行比

16、较，如此循环，直至到最低位（比较，如此循环，直至到最低位（LSB）图3.1第16页/共29页第十六页，共30页。ADCADC工作(gngzu)(gngzu)原理SAR ADCSAR ADCSAR ADC的特点的特点(tdin) 以以DA实现实现AD，逐次逼近；，逐次逼近； 需要需要N此此DA和比较实现一次和比较实现一次N位位AD转换；转换； 精度主要有精度主要有DAC决定；决定； 低电压低电压 低功耗低功耗 功耗随采样频率变化功耗随采样频率变化思考：思考：如果我们如果我们(w men)使用使用1个个12bit的的ADC，一个信号样本值应该是，一个信号样本值应该是12bit的的二进制数据串，但二

17、进制数据串，但DSP处理的数据必需是处理的数据必需是8bit的整数倍，那么的整数倍，那么ADC和和DSP接口如何进行数据流量匹配？接口如何进行数据流量匹配？第17页/共29页第十七页，共30页。ADCADC工作(gngzu)(gngzu)原理SAR ADCSAR ADCSAR ADC中DAC的几种拓扑(tu p)结构第18页/共29页第十八页，共30页。- ADC- ADCADCADC工作(gngzu)(gngzu)原理- ADC- ADC基本基本基本基本(jbn)(jbn)架构架构架构架构- ADC的电路结构是由非常简单的模拟(mn)电路一个比较器、一个开关、一个或几个积分器及模拟(mn)求

18、和电路)和十分复杂的数字信号处理电路构成 第19页/共29页第十九页，共30页。-ADC-ADCADCADC工作(gngzu)(gngzu)原理- ADC- ADC- ADC- ADC的基本原理的基本原理的基本原理的基本原理- ADC- ADC- ADC- ADC以很低的采样分辨率以很低的采样分辨率以很低的采样分辨率以很低的采样分辨率(1(1(1(1位位位位) ) ) )和很高的采样速率将模拟信号数字化和很高的采样速率将模拟信号数字化和很高的采样速率将模拟信号数字化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通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增

19、加有效分辨率通过使用过采样、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, , , , 然后对然后对然后对然后对ADCADCADCADC输出进行输出进行输出进行输出进行(jnxng)(jnxng)(jnxng)(jnxng)采样抽取处理以降低有效采样速率采样抽取处理以降低有效采样速率采样抽取处理以降低有效采样速率采样抽取处理以降低有效采样速率 过采样：过采样：用高于输入信号最高频率的许多倍的采样频率进行用高于输入信号最高频率的许多倍的采样频率进行(jnxng)采样采样,称为称为过采样。过采样。一个一个N位位ADC的采样量化噪声功率为的采样量化噪声

20、功率为q2/12,均匀分布在奈奎斯特频带均匀分布在奈奎斯特频带(0，fs/2)范围内。其中范围内。其中q为为LSB的权重的权重, fs为采样速率。如果用为采样速率。如果用Kfs的采样速的采样速率对输入信号进行率对输入信号进行(jnxng)采样，则量化噪声均匀分布在采样，则量化噪声均匀分布在(0，Kfs/2)范范围内。则在围内。则在(0，fs/2)区间内的噪声变为原来的区间内的噪声变为原来的1/k. 从而提高了从而提高了SNR 第20页/共29页第二十页，共30页。ADCADC工作(gngzu)(gngzu)原理噪声整形噪声整形(zhng xng)- ADC结构中的结构中的-调制器具有噪声整形调

21、制器具有噪声整形(zhng xng)作作用，它对有用信号呈低通特性，对噪声信号呈高通特性，用，它对有用信号呈低通特性，对噪声信号呈高通特性，其传递函数如下：其传递函数如下：结论：结论： -调制器具对输入信号呈低通特性调制器具对输入信号呈低通特性对量化噪声呈高通特性对量化噪声呈高通特性-ADC-ADC过采样、噪声整形(zhng xng)的噪声优化贡献第21页/共29页第二十一页，共30页。ADCADC工作(gngzu)(gngzu)原理-ADC -ADC 数字抽取滤波器数字抽取滤波器(Decimation Filter)Decimation filter 作用作用: 1、滤除噪声、滤除噪声(zo

22、shng)整形后位于乃奎斯特第一采样区间外的噪声整形后位于乃奎斯特第一采样区间外的噪声(zoshng)2、降采样率，将过采样速率降为满足乃奎斯特采样的速率、降采样率，将过采样速率降为满足乃奎斯特采样的速率3、提供抗混叠抑制、提供抗混叠抑制 Decimation filter结构结构1、FIR2、IIR3、FIR and IIRFIR滤波器具有容易设计、能与采样抽取过程合并计算、稳定性好、具有线性相位滤波器具有容易设计、能与采样抽取过程合并计算、稳定性好、具有线性相位特性等优点，但需要计算大量的系数。特性等优点，但需要计算大量的系数。IIR滤波器由于使用了反馈环路从而提高滤波效率滤波器由于使用了

23、反馈环路从而提高滤波效率, 但但IIR滤波器具有非线性特性滤波器具有非线性特性, 不不能与采样抽取过程合并计算能与采样抽取过程合并计算, 而且需要考虑稳定性和溢出等问题而且需要考虑稳定性和溢出等问题, 应用比较复杂应用比较复杂 目前大多采用目前大多采用FIR滤波器设计滤波器设计第22页/共29页第二十二页，共30页。ADCADC选型ADC指标：指标：1、Resolution (ADC位数位数)ADC的位数直接影响的位数直接影响ADC的分辨率，位数越高，的分辨率，位数越高，ADC理论理论SNR越高越高但是随着但是随着ADC位数的增加，其价格也成倍数增加。需根据系统的动态范围位数的增加，其价格也成

24、倍数增加。需根据系统的动态范围要求、系统增益分配、系统要求、系统增益分配、系统SNR要求共同来确定要求共同来确定ADC的位数需求的位数需求2、可支持的采样速率、可支持的采样速率ADC器件由于其内部的采样保持电路、器件由于其内部的采样保持电路、DAC比较电路都存在建立时间，比较电路都存在建立时间，ADC的采样速率受到这些因数的影响。的采样速率受到这些因数的影响。ADC都会给出其可支持的采样速率都会给出其可支持的采样速率其可支持的最高采样速率需高于我们使用的采样速率。其可支持的最高采样速率需高于我们使用的采样速率。3、SNR、SINAD、THDSNR、SINAD、THD这些指标是关联的，知道其中两

25、个即可得出得这些指标是关联的，知道其中两个即可得出得3个，个，ADC的信噪比大小决定了的信噪比大小决定了ADC的有效位数，需注意的有效位数，需注意ADC给出的给出的SNR等指等指标都是在满刻度下的数据标都是在满刻度下的数据(shj)。而我们更关注小信号时的。而我们更关注小信号时的SNRADCADC基本参数基本参数第23页/共29页第二十三页，共30页。ADCADC选型ADCADC基本参数基本参数 ADC指标：指标：4、SFDR(无杂散动态范围无杂散动态范围)SFDR指标对于指标对于ADC就如同就如同Mixer和和LNA的的IP3，都，都用于表征抗强干扰信号的能力，用于表征抗强干扰信号的能力，S

26、FDR是指信号幅度是指信号幅度与第一乃奎斯特区间内最大杂散信号幅度的比值。与第一乃奎斯特区间内最大杂散信号幅度的比值。5、INL(积分非线性误差积分非线性误差(wch)由于由于ADC是用有限的数值去表示连续的数值，所以是用有限的数值去表示连续的数值，所以ADC所表示的数值与实际输入值会存在误差所表示的数值与实际输入值会存在误差(wch)，这个误差，这个误差(wch)的最大值就是的最大值就是INL ,单位单位为为LSB（即最低位所表示的值）（即最低位所表示的值）6、DNL(微分非线性误差微分非线性误差(wch)理论上理论上ADC输出两个相邻数值的差值应该为一常量，输出两个相邻数值的差值应该为一常

27、量，但实际这个差值也存在误差但实际这个差值也存在误差(wch)，即为，即为DNL。单。单位为位为LSBPS：INL是是DNL的数学积分，即具有良好的数学积分，即具有良好INL的的ADC，DNL也较好也较好无杂散动态(dngti)范围（SFDR）第24页/共29页第二十四页，共30页。ADCADC选型ADCADC主要厂家主要厂家 目前提供目前提供ADC的主流的主流(zhli)厂商有：厂商有：ADI、TI、MAXIMAKM芯海科技芯海科技ADI是目前是目前ADC市场份额占有量最大的厂商市场份额占有量最大的厂商ADI、TI、MAXIM提供不同类型、不同应用的提供不同类型、不同应用的ADCAKM主要提

28、供低速、音频领域的主要提供低速、音频领域的ADC芯海科技为国内厂商，提供的芯海科技为国内厂商，提供的ADC主要用于控制领域主要用于控制领域第25页/共29页第二十五页，共30页。ADCADC选型ADCADC选型实例选型实例 PD600 RX中频欠采样中频欠采样(ci yn)ADC选型选型条件：条件：需满足需满足RX天线口最小输入信号幅度天线口最小输入信号幅度 -125dBm射频至中频的总增益为射频至中频的总增益为95dB1、粗略评估、粗略评估ADC需求的位数需求的位数由于我们解调门限大约为由于我们解调门限大约为SNR 8dB，为使为使ADC的量化噪声基本不影响中频的载噪比，进入的量化噪声基本不

29、影响中频的载噪比，进入ADC的信的信号最好满足号最好满足ADC的的4位量程以上：位量程以上：设设ADC的位数为的位数为n输入到输入到ADC的最小信号幅度：的最小信号幅度：-125dBm+90dB=-30dB换算成电压换算成电压 Vpp=20mVADC的满量程的满量程 Vfs=3.3V故故 N取取12，第26页/共29页第二十六页，共30页。2、ADC SNR需求ADC datasheet中SNR指标都是输入在满刻度情况下给出的，而我们在小信号时，信噪比与输入幅度成比例下降粗略估计SNR需求当输入信号仅20mV时无噪信号时， ADC输出的SNR大约(dyu)降低20log（3300/20）45d

30、B为保证ADC量化噪声对输入信号C/N的影响，应该使3、SFDR由于在ADC前端有两级中频滤波器，一般的带外信号在ADC之前均有足够的动态范围，所以在目前的平台上对SFDR考虑较少总结：在ADC前有中频滤波器前提下，我们选ADC重点关注SNRADCADC选型ADCADC选型实例选型实例 第27页/共29页第二十七页，共30页。ChecklistChecklistChecklistChecklist1、ADC选型需结合系统指标要求、系统增益等因数来考虑，系统增益每增加6dB，ADC位数要求可降低1bit，但需保证ADC的量化噪声不影响输出SNR2、小信号时ADC的输入信号幅度最好大于4bit量程

31、，以此来减小ADC量化噪声对输出SNR的影响3、欠采样系统在测试杂散时需增加载波偏移采样频率整数倍时的干扰频点4、欠采样系统采样频率的选择在满足欠采样定理(dngl)和系统资源的情况下，越大越好5、ADC的采样时钟和DSP时钟两者的参考时钟应同步6、ADC输入信号幅度应保证不超过满刻度减2dB（因ADC器件而异）7、ADC供电电源需有滤波，保证电源纹波抑制比和ADC标称的SNR处在同一水平第28页/共29页第二十八页，共30页。谢谢大家(dji)观赏！第29页/共29页第二十九页，共30页。内容(nirng)总结Contents。二进制数字格式，最常用的是自然二进制代码。舍入法和截断法：。电话信号的压缩特性(txng)有A律压缩和律压缩。需要N此DA和比较实现一次N位AD转换。一个N位ADC的采样量化噪声功率为q2/12,均匀分布在奈奎斯特频带(0，fs/2)范围内。1、滤除噪声整形后位于乃奎斯特第一采样区间外的噪声。但是随着ADC位数的增加，其价格也成倍数增加。ADC器件由于其内部的采样保持电路、DAC比较电路都存在建立时间，第三十页，共30页。