模數轉換器

模數轉換器，也稱為ADC，是一種用於將模擬訊號轉換為數字格式的數位電路。

將模擬訊號轉換為數字格式對於使用數字系統（如微處理器、微控制器、數字訊號處理器 (DSP) 等）處理它們至關重要。因此，ADC 是計算機和其他數字裝置等多種數字系統中的重要元件。

在本章中，我們將詳細解釋模數轉換器的概念、元件、型別和應用。

什麼是模數轉換器？

模數轉換器是一種旨在執行模擬訊號到數字資料格式轉換的數位電路。它也稱為ADC。模數轉換器是計算機、資料處理器、數字通訊系統等數字系統中的重要元件。

下圖顯示了模數轉換器的框圖 -

從該圖可以清楚地看出，模數轉換器的輸入是模擬或自然訊號，輸出是數字或離散時間訊號。

在實際系統中，模數轉換器充當外部環境和數字系統之間的介面。

模數轉換器的原理

模數轉換器的原理涉及以下解釋的過程 -

輸入模擬訊號

模數轉換器以模擬訊號作為輸入。模擬訊號可以是電壓、電流、溫度、壓力或任何其他隨時間連續變化的物理量。

取樣

在此階段，模數轉換器以規則的時間間隔對輸入模擬訊號進行取樣。這些時間間隔以取樣率來定義。

在取樣過程中，隨時間連續變化的模擬訊號在離散的時間點進行測量，以收集訊號的離散值。

量化

量化是為模擬訊號的每個取樣值分配數字或離散值的過程。在量化過程中，所有可能的模擬值的範圍被劃分為有限數量的離散數字值。

編碼

編碼是將量化的數字值轉換為其等效二進位制數的過程。這些編碼的二進位制數以數字格式表示取樣的模擬值。

模數轉換器的解析度、精度和準確度由用於編碼的位數決定。

輸出數字訊號

最後，模數轉換器輸出數字訊號。此輸出數字訊號可以由數字系統進行處理、儲存或傳輸。

模數轉換器的效能因素

可以使用多種不同的因素來評估模數轉換器的效能。以下兩個是最重要的 -

ADC的信噪比 (SNR)

模數轉換器的信噪比 (SNR) 定義為轉換器區分所需訊號和不需要的噪聲訊號的能力的度量。

在數學上，模數轉換器的SNR表示為表示有用資訊的電訊號的功率與表示不需要的干擾的噪聲訊號的功率之比。

在實踐中，SNR以分貝 (dB) 表示，計算ADC的SNR的公式如下所示，

$$\mathrm{SNR \: of \: ADC \: = \: 10 \: \times \: log ( \frac{Electrical \: Signal \: Power}{Noise \: Signal \: Power})}$$

從該表示式可以清楚地看出，更高的SNR表示模數轉換器具有更好的效能。換句話說，具有高SNR的模數轉換器可以更清晰地區分電訊號和噪聲訊號。因此，期望模數轉換器具有高SNR，以便即使在存在噪聲訊號的情況下也能準確地捕獲和數字化較小的模擬訊號。

模數轉換器的頻寬

模數轉換器的頻寬只不過是它可以準確取樣和數字化的頻率範圍。模數轉換器的取樣率決定了其頻寬。其中，取樣率定義為每秒採集的模擬訊號樣本數。

根據奈奎斯特-夏農取樣定理，模數轉換器的最大采樣率至少應為輸入模擬訊號中最大頻率分量的兩倍。這是一個重要的因素，可以避免訊號的錯誤識別，這可能在取樣中引入失真或錯誤。

讓我們舉一個例子來理解這一點，假設一個模數轉換器的最大采樣率為150 kHz，那麼其頻寬應限制在低於75 kHz的頻率，以防止失真。

因此，模數轉換器應具有足夠的頻寬才能準確捕獲高頻模擬訊號。

模數轉換器的型別

在數位電子學中，設計了不同型別的模數轉換器 (ADC) 以滿足不同應用的要求。一些常見的模數轉換器型別包括以下 -

快閃記憶體ADC
半快閃記憶體ADC
逐次逼近暫存器ADC
Σ-Δ ADC
流水線ADC

快閃記憶體ADC

閃速ADC，也稱為直接ADC，是速度最快的ADC。這種型別的ADC具有千兆赫茲量級的取樣率。閃速ADC之所以能夠提供如此高的速度，是因為它們使用了一組比較器，這些比較器可以並行工作，每個比較器負責一定的電壓範圍。

然而，閃速ADC的尺寸相對較大，成本也比其他型別的ADC高。此外，它們消耗的功率也相對較高。對於閃速ADC，如果“n位”是ADC的解析度，則它需要(2ⁿ – 1)個比較器。例如，一個具有8位解析度的閃速ADC需要(2⁸ – 1 = 255)個比較器。

閃速模數轉換器主要用於影片訊號或光儲存中的快速訊號的數字化。

半快閃記憶體ADC

半閃速ADC是一種模數轉換器，它結合了閃速ADC的高速度和減少的比較器數量。這兩項特性使半閃速ADC的尺寸更小，成本更低，與閃速ADC相比更具成本效益。

在半閃速模數轉換器中，使用了兩個獨立的閃速轉換器，它們並行工作。每個轉換器具有解析度，其位數是整個半閃速ADC位數的一半。一個轉換器處理最高有效位（MSB），另一個轉換器處理訊號的最低有效位（LSB）。

處理後，兩個轉換器產生的輸出組合在一起，生成半閃速ADC的最終數字輸出。

半閃速模數轉換器最顯著的優勢在於，它在保持高速操作的同時，需要的比較器數量少於普通閃速ADC。這使得它尺寸更小，複雜度和成本更低。然而，它需要更長的時間來完成轉換過程，因為它需要一些額外的時間來組合兩個獨立轉換器的部分結果。

半閃速模數轉換器廣泛應用於需要在速度、解析度和成本之間取得平衡的應用中。

逐次逼近暫存器ADC

逐次逼近暫存器模數轉換器，縮寫為SAR ADC，是一種模數轉換器，它使用一系列比較來確定數字輸出的每一位。

SAR ADC的工作原理是初始化其內部逼近暫存器。然後，它採集輸入模擬訊號的樣本，並將其穩定儲存，直到轉換過程完成。

之後，利用二分查詢演算法對輸入訊號進行逼近。此過程首先將輸出數字訊號的最高有效位（MSB）設定為最高值，並將此值與取樣的輸入模擬訊號進行比較。

在下一步中，SAR ADC將取樣的輸入模擬訊號與內部數模轉換器的輸出進行比較，該轉換器產生一個與輸入訊號當前逼近值成比例的訊號。

根據比較結果，SAR ADC依次更改數字輸出中每一位的值，直到獲得所需的輸出。一旦確定了數字輸出的所有位，SAR轉換器就完成了轉換過程。獲得的數字輸出表示取樣輸入模擬訊號的數字逼近值。

SAR模數轉換器通常用於各種應用中，例如消費電子產品、醫療儀器、資料採集系統等。

Σ-Δ ADC

ΣΔ模數轉換器，也表示為ΣΔ ADC，是一種模數轉換器，它提供高解析度，並用於需要精確測量和訊號處理的應用中，例如音訊錄製、高品質音訊系統、基於感測器的系統、精密儀器等。

ΣΔ ADC的工作原理包括以下過程：

首先，它以遠高於奈奎斯特頻率的頻率對模擬輸入訊號進行取樣，以捕獲有關輸入訊號的更多資訊。此過程稱為過取樣。

然後，使用增量調製將過取樣的模擬訊號轉換為一系列數字脈衝。在增量調製過程中，模擬輸入訊號連續樣本之間的差異或增量被量化並轉換為數字形式。

現在，執行ΣΔ調製，其中使用ΣΔ調製器來調製實際模擬訊號與其數字形式之間的差異。在此調製中，量化噪聲被推離所需的頻帶，並向更高的頻率移動。

ΣΔ調製後，數字訊號透過一個低通濾波器，該濾波器去除過取樣和ΣΔ調製過程中可能引入的高頻噪聲。此低通濾波器透過提取低頻分量產生高解析度數字輸出。

在轉換過程結束時，數字訊號進行下采樣（即抽取），以將其取樣率降低到所需的輸出率。

流水線ADC

流水線模數轉換器是一種ADC，類似於SAR ADC，但它執行粗略和精細的轉換。它在解析度和速度之間取得平衡，使其適用於通訊系統、醫療測試裝置、多媒體、工業控制系統等。

流水線ADC分多個階段工作，每個階段完成模數轉換的特定部分。它被稱為流水線ADC，因為所有階段都以流水線的方式進行，其中一個階段的輸出進入下一個階段。

在流水線ADC中，模擬輸入訊號被分成多個子範圍，流水線的每個階段對子範圍進行量化，以將模擬輸入訊號轉換為數字形式。需要注意的是，流水線ADC的所有階段都並行工作，以提供更快的轉換速度。

流水線ADC使用各種數字校正技術，例如數字校準、糾錯演算法和數字濾波，以消除模數轉換過程中可能引入的誤差。這提高了數字輸出的準確性和可靠性。

這都是關於數位電子中一些常用的模數轉換器（ADC）型別。

模數轉換器的應用

模數轉換器（ADC）用於各種行業和領域，在這些行業和領域中，模擬訊號必須使用數字系統（如計算機）進行處理、分析或傳輸。下面列出了模數轉換器的一些常見應用：

在數字訊號處理領域，ADC用於將從感測器、麥克風或其他模擬裝置獲得的模擬訊號轉換為數字格式，以便使用數字處理器對其進行處理。
在音訊處理應用中，ADC用於將模擬音訊訊號轉換為數字格式，以便在數字系統中進行儲存、操作和傳輸。
ADC是科學研究、工業自動化和儀器儀表領域中使用的各種資料採集系統中的重要組成部分。
在通訊系統中，ADC用於將模擬音訊或影片訊號轉換為數字格式，以便透過通訊通道傳輸。
ADC用於無線電接收機中，用於對接收到的射頻（RF）訊號進行數字化。
ADC在多種醫療裝置和醫療保健系統中發揮著重要作用，用於將各種模擬生物訊號和生理引數（如心率、血壓、血氧飽和度、腦電圖訊號等）轉換為數字格式，以便使用數字系統對其進行處理。
在汽車電子中，ADC用於將從測量溫度、扭矩、速度等引數的感測器接收到的模擬訊號轉換為數字格式，以用於駕駛員輔助和車輛診斷。
ADC還廣泛應用於各種消費電子裝置，例如智慧手機、平板電腦、筆記型電腦、娛樂裝置等。

這些只是模數轉換器（ADC）在各個領域和行業中的應用的一些例子。

結論

在本章中，我們詳細解釋了模數轉換器、其型別和應用。總之，模數轉換器是一種電子電路，可以將模擬輸入訊號轉換為數字輸出訊號。

ADC是各種行業中使用的多種裝置和系統的重要組成部分。這是因為，即時接收的訊號，如語音訊號、感測器訊號等，本質上是模擬訊號，無法使用數字系統（如計算機）進行處理。ADC有助於克服此介面問題。基本上，ADC充當模擬輸入裝置和數字處理單元之間的介面。

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