模数转换器
在电子产品中，模数转换器（ ADC ， A/D或A-TO-D ）是转换模拟信号的系统数字信号。 ADC还可以提供一个孤立的测量值，例如将模拟输入电压或电流转换为代表电压或电流大小的数字的电子设备。通常，数字输出是两个与输入成正比的补体二进制编号，但还有其他可能性。
有几个ADC架构。由于复杂性和对精确匹配的组件的需求，除了最专业的ADC以外，所有其他ADC均以集成电路（ICS）的形式实现。这些通常采用金属 - 氧化 - 氧化流动器（MOS）混合信号整合电路芯片的形式，该电路既可以整合模拟和数字电路。
数字到分析转换器（DAC）执行反向函数；它将数字信号转换为模拟信号。
解释
ADC将连续的和连续振幅模拟信号转换为离散的时间和离散振幅数字信号。转换涉及输入的量化，因此它必然引入少量量化误差。此外，ADC不是不断执行转换，而是定期进行转换，对输入进行采样，并限制输入信号的允许带宽。
ADC的性能主要以其带宽和信噪比（SNR）为特征。 ADC的带宽主要以其采样率为特征。 ADC的SNR受许多因素的影响，包括分辨率，线性和准确性（量化水平与真实模拟信号的匹配程度），混叠和抖动。 ADC的SNR通常以其有效的位数（ENOB）的数量来汇总，每个度量的位数平均而不是噪声。理想的ADC具有等于其分辨率的应附物。选择ADC匹配带宽，并需要数字化信号的SNR。如果ADC的采样速率大于信号带宽的两倍，则根据Nyquist-Shannon采样定理，则可以接近完美的重建。量化误差的存在限制了甚至理想ADC的SNR。但是，如果ADC的SNR超过输入信号的SNR，则可以忽略量化误差的效果，从而导致基本上完美的数字表示模拟输入信号。
解决
转换器的分辨率指示其可以在模拟输入值的允许范围内产生的不同的IE离散值的数量。因此，特定的分辨率决定了量化误差的幅度，因此决定了理想ADC的最大信号噪声比，而无需使用过度采样。输入样品通常以电子方式存储在ADC中，因此分辨率通常表示为音频位深度。因此，可用的离散值的数量通常为两个功率。例如，分辨率为8位的ADC可以将模拟输入编码为256个不同级别的一个（2 8 = 256）。这些值可以表示0至255（即无符号整数）或-128至127（即签名整数）的范围，具体取决于应用程序。
分辨率也可以通过电源定义，并以伏特表示。确保输出代码级别更改所需的电压变化称为最小钻头（LSB）电压。 ADC的分辨率Q等于LSB电压。 ADC的电压分辨率等于其总体电压测量范围除以间隔数：
其中M是ADC在位和E FSR中的分辨率是全尺度电压范围（也称为“跨度”）。 E FSR由
其中V Refhi和V的回流分别是可以编码的电压的上极端和下极端。
通常，电压间隔的数量由
其中m是ADC的分辨率。
也就是说，在两个连续的代码级别之间分配了一个电压间隔。
例子：
- 编码方案如图1中
- 全尺度测量范围= 0到1伏
- ADC分辨率为3位：2 3 = 8量化水平（代码）
- ADC电压分辨率， Q = 1 V / 8 = 0.125 V.
在许多情况下，转换器的有用分辨率受到信噪比（SNR）的限制和以应附为应附的整体系统中的其他误差。
量化错误
量化误差是由理想ADC固有的量化引入的。这是对ADC的模拟输入电压与输出数字化值之间的舍入误差。该误差非线性和信号依赖性。在理想的ADC中，量化误差均匀分布在 -1⁄2 LSB和+ 1⁄2 LSB，该信号的分布涵盖了所有量化水平
其中Q是量化位的数量。例如，对于16位ADC，量化误差为96.3 dB低于最大级别。
量化误差从DC分布到Nyquist频率。因此，如果不使用ADC的一部分带宽（与过度采样一样），则某些量化误差将发生在带外，从而有效地改善了使用带宽的SQNR。在超采样系统中，可以使用噪声塑形来进一步增加SQNR，从而强迫频带中的更多量化误差。
抖动
在ADC中，通常可以使用抖动来提高性能。这是非常少量的随机噪声（例如白噪声），在转换之前将其添加到输入中。它的效果是根据信号随机对LSB的状态进行随机化。它不是在低水平上完全切断信号，而是扩展了ADC可以转换的有效信号范围，而牺牲了噪声略有增加。抖动只能增加采样器的分辨率。它不能提高线性，因此准确性不一定会提高。
相对于ADC的位深度，音频信号中的量化失真与信号和声音扭曲和不愉快的信号相关。随着抖动，失真被转化为噪声。随着时间的推移，可以通过平均来准确恢复未发生的信号。抖动也用于集成系统，例如电表。由于将值添加在一起，因此抖动会产生比模数转换器的LSB更精确的结果。
当将摄影图像量化为每个像素数量较少的位时，通常会应用抖动 - 图像变得更加嘈杂，但对眼睛看起来比量化的图像更现实，否则会带来。这种类似过程可能有助于可视化抖动对转换为数字的模拟音频信号的影响。
准确性
ADC有多种错误来源。量化误差和（假设ADC是线性的）非线性性是任何类似物到数字转换的固有性。这些误差以称为最低显著位（LSB）的单位进行测量。在上述八位ADC的示例中，一个LSB的误差为完整信号范围的1⁄256 ，约为0.4％。
非线性
所有ADC都遭受由于其物理缺陷引起的非线性错误，导致其输出偏离其输入的线性函数（或某些其他函数）的输入。这些错误有时可以通过校准来减轻或通过测试来预防。线性的重要参数是积分非线性和差异非线性。这些非线性引入了失真，可以降低ADC的信噪比性能，从而降低其有效分辨率。
抖动
将正弦波数字化时，使用非理想采样时钟会导致记录样品时的一些不确定性。只要由于时钟抖动而引起的实际采样时间不确定性是，该现象引起的错误可以估计为。这将导致其他记录的噪声，这将减少仅量化误差预测的有效数量（ENOB）。 DC的误差为零，在低频下较小，但具有高振幅和高频的信号。可以将抖动对性能的影响与量化误差进行比较：，其中q是ADC位的数量。
| 输出大小 (位元) | 信号频率 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 Hz | 1 kHz | 10 kHz | 1 MHz | 10 MHz | 100 MHz | 1 GHz | |
| 8 | 1,243 µs | 1.24 µs | 124 ns | 1.24 ns | 124 PS | 12.4 ps | 1.24 ps |
| 10 | 311 µs | 311 ns | 31.1 ns | 311 ps | 31.1 ps | 3.11 ps | 0.31 ps |
| 12 | 77.7 µs | 77.7 ns | 7.77 ns | 77.7 ps | 7.77 ps | 0.78 ps | 0.08 PS（“ 77.7fs”） |
| 14 | 19.4 µs | 19.4 ns | 1.94 ns | 19.4 ps | 1.94 ps | 0.19 ps | 0.02 PS（“ 19.4f”） |
| 16 | 4.86 µs | 4.86 ns | 486 PS | 4.86 PS | 0.49 ps | 0.05 PS（“ 48.5 fs”） | – |
| 18 | 1.21 µs | 1.21 ns | 121 ps | 1.21 ps | 0.12 ps | – | – |
| 20 | 304 ns | 304 PS | 30.4 ps | 0.30 PS（“ 303.56 FS”） | 0.03 PS（“ 30.3 fs”） | – | – |
| 24 | 18.9 ns | 18.9 PS | 1.89 PS | 0.019 PS（“ 18.9 FS”） | - | – | – |
时钟抖动是由相位噪声引起的。在1 MHz和1 GHz之间具有数字化带宽的ADC分辨率受抖动限制。对于较低的带宽转换，例如在44.1 kHz采样音频信号时，时钟抖动对性能的影响较小。
采样率
模拟信号的时间是连续的，有必要将其转换为数字值流。因此，需要定义从模拟信号采样新数字值的速率。新值的速率称为转换器的采样率或采样频率。可以采样连续变化的带限制信号，然后可以通过重建滤波器从离散的时间值重现原始信号。 Nyquist – Shannon采样定理意味着，只有当采样率高于信号的最高频率的两倍时，才有可能对原始信号进行忠实的再现。
由于实用的ADC无法进行瞬时转换，因此在转换器执行转换（称为转换时间）的时间内必须保持输入值恒定。一个称为样品并保持的输入电路执行此任务 - 在大多数情况下，使用电容器将模拟电压存储在输入处，并使用电子开关或门将电容器与输入断开连接。许多ADC集成电路包括样本和内部持有子系统。
混音
ADC通过在离散时间间隔内对输入的值进行采样来起作用。前提是将输入采样在奈奎斯特速率上方，定义为最高频率的两倍，则可以重建信号中的所有频率。如果对高于Nyquist速率的一半以上的频率进行采样，则将其错误地检测为较低的频率，这一过程称为混叠。发生混叠之所以发生，是因为在每个周期中瞬时对函数进行采样导致错过的循环，因此出现频率不正确。例如，以1.5 kHz采样的2 kHz正弦波将被重建为500 Hz正弦波。
为避免混叠，必须对ADC的输入进行低通滤波以删除以上采样率一半以上的频率。该过滤器称为抗氧化过滤器，对于应用于具有较高频率含量的模拟信号的实用ADC系统至关重要。在保护异叠性至关重要的应用中，可以使用过度采样大大减少甚至消除。
尽管大多数系统中的混叠是不需要的，但可以利用它来提供带限制的高频信号的同时混合（请参阅不足的采样和频率混合器）。该别名实际上是信号频率和采样频率的较低杂作。
过采样
对于经济，通常以最低速率采样信号，结果导致量化误差是在转换器的整个通带上的白噪声分布。如果信号以高于Nyquist速率的速率采样，然后进行数字过滤以将其限制为信号带宽会产生以下优点：
与典型晶体管电路（> 1 MHz）相比，超采样通常用于音频频率ADC中，其中所需的采样率（通常为44.1或48 kHz）非常低。在这种情况下，ADC的性能可以大大提高，几乎没有成本。此外，由于所有混叠信号通常也不在频段之外，因此通常可以使用非常低的成本过滤器来消除混叠。
相对速度和精度
ADC的速度因类型而异。威尔金森ADC受到当前数字电路可处理的时钟速率的限制。对于连续的approximation ADC ，转换时间缩放分辨率的对数，即位数。 Flash ADC当然是三种类型的最快类型。转换基本上是在单个平行步骤中执行的。
速度和精度之间存在潜在的权衡。 Flash ADC与比较器水平相关的漂移和不确定性导致线性差。在较小程度上，线性差也可能是连续的及时ADC的问题。在这里，非线性是由从减法过程中累积的错误引起的。威尔金森ADC具有三个中最好的线性。
滑动比例原理
可以采用滑动刻度或随机方法来大大提高任何类型的ADC的线性，尤其是闪存和连续的近似类型。对于任何ADC，从输入电压到数字输出值的映射并不是应有的地板或上限功能。在正常条件下，特定振幅的脉冲总是转换为相同的数字值。问题在于，数字化值的模拟值的范围并非全部相同的宽度，并且差异线性与与平均宽度的差异成比例降低。滑动量表原理使用平均效应来克服这一现象。将随机但已知的模拟电压添加到采样的输入电压中。然后将其转换为数字形式，并减去等效数字数量，从而将其恢复为原始值。优势在于，转换是在随机点进行的。最终水平的统计分布由ADC范围的加权平均值决定。反过来，这使其脱敏到任何特定级别的宽度。
类型
这些是实施电子ADC的几种常见方法。
RC充电时间
电阻器电容器（RC）电路具有已知的电压充电和放电曲线，可用于求解未知的模拟值。
威尔金森
威尔金森ADC由Denys Wilkinson于1950年设计。WilkinsonADC基于将输入电压与充电电容器产生的电压进行比较。允许电容器充电，直到比较器确定其匹配输入电压为止。然后，使用恒定电流源线性排放电容器。排放电容器所需的时间与输入电压的振幅成正比。当电容器放电时，高频振荡器时钟的脉冲由寄存器计数。寄存器中记录的时钟脉冲数也与输入电压成正比。
测量模拟抗性或电容
如果要测量的模拟值用电阻或电容表示，则将该元素包括在RC电路中（带有其他电阻或电容固定），并测量从已知的启动电压到另一个已知的端电压通过可以使用电容器充电方程确定已知电压供应的电阻，未知电阻或电容的值：
并使用那些启动和结束数据点来解决未知的电阻或电容。这与Wilkinson ADC相似，但与Wilkinson ADC相反，该Wilkinson ADC通过测量已知电压的未知电阻或电容来测量具有已知电阻和电容的未知电压。
例如，从单稳定或不可分割的模式下，从555计时器IC发出的正（和/或负）脉冲宽度表示其电容器从1⁄3 V电源到2⁄3 V电源的电容（和/或放电）所需的时间。通过将此脉冲以精确的时钟发送到微控制器中，可以使用电容器充电方程来测量脉冲的持续时间，以产生未知电阻或电容的值。
比较小的电阻和电容更大的电容需要更长的时间来测量。准确性受到微控制器时钟的准确性以及可用于衡量值的时间的准确性的限制，该值可能在测量过程中可能会发生变化或受外部寄生虫的影响。
直接转换
直接转换或Flash ADC具有一组比较器，并并行对输入信号进行采样，每个对特定电压范围都会发射。比较库为每个电压范围的输出线上生成二进制数字的数字编码器逻辑电路。
这种类型的ADC具有较大的模具尺寸和高功率耗散。它们通常用于视频，宽带通信或光学和磁性存储中的其他快速信号。
该电路由电阻分隔网络，一组运算放大器比较器和优先编码器组成。比较器中内置了少量的磁滞，以解决电压边界处的任何问题。在电阻分隔器的每个节点上，都有一个比较电压。电路的目的是将模拟输入电压与每个节点电压进行比较。
由于转换是同时而不是顺序进行的，该电路具有高速的优势。典型的转换时间为100 ns或更少。转换时间仅受比较器的速度和优先级编码器的限制。这种类型的ADC的缺点是，每个添加的位数几乎需要比较数的数量。同样，n的值越大，越复杂的是优先级编码器。
连续近似
连续的ADCADC ADC使用比较器和二进制搜索来连续缩小包含输入电压的范围。在每个连续的步骤中，转换器将输入电压与内部数字到Analog转换器（DAC）的输出进行比较，该输出最初代表允许的输入电压范围的中点。在此过程的每个步骤中，近似值存储在连续的近似寄存器（SAR）中，并且数字到Analog转换器的输出进行更新以进行更窄范围的比较。
坡道机能
坡道功能ADC会产生一个锯齿状信号，该信号向上或向下坡道，然后迅速返回到零。当坡道启动时，计时器开始计数。当坡道电压与输入匹配时，比较器触发并记录了计时器的值。定时坡道转换器可以在经济上实现，但是，坡道时间可能对温度敏感，因为产生坡道的电路通常是一个简单的模拟积分器。更准确的转换器使用驾驶DAC的时钟计数器。坡道功能系统的一个特殊优势是，转换第二个信号只需要另一个比较器，而另一个寄存器才能存储计时器值。为了降低转换过程中输入变化的敏感性，样品和保持可以用瞬时输入电压给电容器充电，并且转换器可以花时间以恒定电流排放所需的时间。
整合
集成ADC （也是双斜率或多斜率ADC）将未知输入电压应用于积分器的输入，并允许电压升至固定的时间段（升级期）。然后将相反极性的已知参考电压应用于积分器，并允许逐渐升起，直到积分器输出返回到零（分支周期）。输入电压是根据参考电压，恒定的运行时间段和测得的分支时间段计算的。分解的时间测量通常以转换器时钟的单位进行，因此更长的集成时间允许更高的分辨率进行。同样，可以通过牺牲分辨率来提高转换器的速度。这种类型的转换器（或概念上的变体）用于大多数数字电压计中，以实现其线性和灵活性。
- 充电平衡ADC
- 电荷平衡ADC的原理是首先使用电压到频率转换器将输入信号转换为频率。然后通过计数器测量此频率，并将其转换为与模拟输入成正比的输出代码。这些转换器的主要优点是即使在嘈杂的环境或孤立形式中也可以传输频率。但是，该电路的局限性是电压到频率转换器的输出取决于RC产品，其值无法在温度和时间上准确地保持。
- 双斜率ADC
- 电路的模拟部分由高输入阻抗缓冲液，精度积分器和电压比较器组成。转换器首先在固定持续时间内集成了模拟输入信号，然后集成了相反极性的内部参考电压，直到积分器输出为零。该电路的主要缺点是持续时间。它们特别适合精确测量缓慢变化的信号，例如热电偶和称重尺度。
Delta编码
Delta编码或反式ADC的上向下计数器可以进食DAC。输入信号和DAC都转到比较器。比较器控制计数器。该电路使用比较器中的负反馈来调整计数器，直到DAC的输出与输入信号匹配，并从计数器读取数字。增量转换器具有非常宽的范围和高分辨率，但是转换时间取决于输入信号行为，尽管它始终具有保证的最坏情况。 Delta转换器通常是读取现实信号的绝佳选择，因为物理系统的大多数信号不会突然改变。一些转换器结合了三角洲和连续的近似方法。当已知输入信号的高频成分在大小上很小时，这尤其很好。
管道
管道的ADC （也称为子标准量化器）使用两个或多个转换步骤。首先，进行了粗糙的转换。在第二步中，用DAC确定输入信号的差异。然后将此差异更精确地转换，并在最后一步中组合结果。这可以被认为是对连续的抗氧化ADC的改进，其中反馈参考信号由整个位范围的临时转换（例如，四个位）组成，而不仅仅是下一步有意义的位。通过将连续近似的优点和Flash ADC相结合，这种类型的速度很快，具有很高的分辨率，并且可以有效地实现。
三角洲
Delta-Sigma ADC （也称为Sigma-Delta ADC ）基于带模拟滤镜和低分辨率（通常为1位）但高采样率ADC和DAC的负反馈回路。反馈循环连续纠正累积的量化误差并执行噪声构成：在感兴趣的低频中降低了量化噪声，但在较高的频率中增加。然后可以通过下采样数字过滤器来删除这些较高的频率，这也将数据流从较低的位深度转换为较低的速率，较高的位深度。
时间间隔
时间间隔ADC使用平行ADC，每个ADC在每个M：有效样品时钟的第三周期中进行示例数据。结果是，与每个ADC可以管理的情况相比，采样率是M倍。实际上，M ADC之间的个体差异降低了整体性能，从而降低了无伪动态范围（SFDR）。但是，对于这些时间间隔的不匹配错误，存在纠正技术。
中间FM阶段
具有中间FM阶段的ADC首先使用电压到频率转换器来产生与输入信号电压成正比的频率的振荡信号，然后使用频率计数器将该频率转换为与成比例的数字计数，使其转换为与该数字计数成正比的数字计数所需的信号电压。更长的集成时间允许更高的分辨率。同样，可以通过牺牲分辨率来提高转换器的速度。 ADC的两个部分可以被广泛分开，频率信号通过光学隔离器或无线传输。一些这样的ADC使用正弦波或方波频率调制；其他人则使用脉冲频率调制。这样的ADC曾经是显示远程模拟传感器状态数字显示的最流行方式。
时间拉伸
时间拉伸类似于数字的转换器（TS-ADC）数字化的带宽模拟信号，该信号无法通过在数字化之前对信号进行时间拉伸信号来数字化。它通常使用光子预处理器来拉动信号，该信号会在时间上有效地降低信号并压缩其带宽。结果，现在可以捕获原始信号的电子ADC，现在可以捕获此缓慢的信号。为了连续捕获信号，除了时间拉伸外，前端还将信号分为多个段。每个段通过单独的电子ADC单独数字化。最后，数字信号处理器重新安排样品并消除预处理器添加的任何扭曲，以产生原始模拟信号的数字表示的二进制数据。
测量电压以外的物理值
尽管术语ADC通常与模拟电压的测量相关，但某些部分电子设备将某些可测量的物理模拟数量转换为数字数字也可以视为ADC，例如：
- 旋转编码器从模拟物理量转换为机械地产生旋转量的数字灰色代码流，微控制器可以通过数字解释，以得出旋转，角度位置和旋转速度的方向。
- 电容传感从电容的模拟物理量转换。该电容可能是其他某些物理量的代理，例如某些金属物体与金属传感板的距离，或者水箱中的水量或介电材料的介电性。
- 电容性到数字（CDC）转换器通过将已知的激发应用于电容器并测量其电荷来确定电容。
- 数字卡钳从两个滑动尺子之间的位移的模拟物理量转换。
- 电感到数字转换器测量通过电感器的AC磁场移动的导电靶标的电感变化。
- 数字转换器识别事件并提供其发生的模拟时间的数字表示。
- 通常，不直接产生电压的传感器可能会间接产生电压或通过其他方式转换为数字值。
商业的
在许多情况下，集成电路中最昂贵的部分是引脚，因为它们使包装更大，并且每个销钉都必须连接到集成电路的矽。为了节省引脚，ADC通常一次通过串行接口将数据发送到计算机，当时钟信号更改状态时，每一点都会出现。这节省了ADC软件包上的许多引脚，在许多情况下，并没有使整体设计变得更加复杂。
商业ADC通常具有几个输入，通常通过模拟多路复用器来供应相同的转换器。 ADC的不同模型可能包括样品和保存电路，仪器放大器或差分输入，其中测量的数量是两个输入之间的差异。
申请
音乐录制
模数转换器是现代音乐复制技术和基于数字音频工作站的声音录音不可或缺的一部分。可以使用模拟记录在计算机上生产音乐，因此需要模拟数字转换器来创建进入紧凑型光盘和数字音乐文件的脉冲代码调制（PCM）数据流。当前在音乐中使用的类似物到数字转换器的作物可以以高达192千洛茨的速度进行采样。许多录音室记录了24位96 kHz脉冲代码调制（PCM）格式，然后下样本并抛弃了紧凑型盘数字音频产生（44.1 kHz）或48 kHz的信号，用于广播和电视广播应用。
数字信号处理
在数字信号处理系统中需要ADC，该系统几乎以数字形式处理，存储或运输任何模拟信号。例如，电视调谐器卡使用快速视频模数转换器。在微控制器中，慢慢的片上8-，10-，12-或16位类似物转换器很常见。数字存储示波器需要非常快速的类似于数字的转换器，对于软件定义的无线电及其新应用也至关重要。
科学仪器
数字成像系统通常使用模数转换器来数字化像素。一些雷达系统使用模数转换器将信号强度转换为数字值以进行后续信号处理。许多其他原位和遥感系统通常使用类似技术。
科学仪器中的许多传感器产生模拟信号。温度，压力， pH ，光强度等。所有这些信号都可以放大并馈送到ADC中以产生数字表示。
显示
平板显示本质上是数字的，需要ADC来处理模拟信号，例如复合或VGA 。
电符号
测试
测试模数转换器需要模拟输入源和硬件来发送控制信号并捕获数字数据输出。一些ADC还需要准确的参考信号来源。
测试ADC的关键参数是：