【導讀】在現(xiàn)代頻譜儀和信號分析儀中，隨著數(shù)字信號處理技術的廣泛采用，高速A/D轉換器(模擬數(shù)字轉換器，即ADC)的應用及其性能越來越受到關注，因為它的性能直接影響頻譜儀和信號分析儀的精度，尤其是ADC的動態(tài)性能，包括信噪比和有效位數(shù)。今天我們就一起來了解模擬數(shù)字轉換器的基礎知識點以及在頻譜分析中的作用。
模數(shù)轉換器（ADC轉換器）
模數(shù)轉換器（ADC轉換器）是一種將模擬信號轉換為數(shù)字信號的系統(tǒng)。它是一個濾波、采樣保持、量化和編碼的過程。模擬信號經過帶限濾波、采樣保持電路，成為梯形信號，再經過編碼器，使梯形信號中的每一級都變成二進制碼。最后，模擬量被轉換成數(shù)字量，然后傳送到CPU。也就是說，幾乎所有的通電數(shù)據都需要經過ADC轉換。例如電能表的電能計量、電子秤的重量測量、電子溫度計的溫度測量、通訊領域。
ADC類型
現(xiàn)階段常見的模數(shù)轉換器有以下幾種類型：逐次逼近型、積分型、壓頻變換型、流水線型、∑-Δ型等。
逐次逼近型
逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數(shù)轉換方法，它包括1個比較器、1個數(shù)模轉換器、1個逐次逼近寄存器（SAR）和1個邏輯控制單元，所以逐次逼近ADC也被稱為SAR ADC。它是將采樣輸入信號與已知電壓不斷進行比較，1個時鐘周期完成位轉換，N位轉換需要N個時鐘周期，轉換完成，輸出二進制數(shù)。
這一類型ADC的分辨率和采樣速率是相互矛盾的，分辨率低時采樣速率較高，要提高分辨率，采樣速率就會受到限制。
積分型ADC
積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，它的應用也比較廣泛。
它由1個帶有輸入切換開關的模擬積分器、1個比較器和1個計數(shù)單元構成，通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)A/D轉換。
積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數(shù)器來確定，因此所得到的D表達式與時鐘頻率無關，其轉換精度只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾（如50Hz或60Hz），適合在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中使用。這類ADC主要應用于低速、精密測量等領域，如數(shù)字電壓表。
并行比較A/D轉換器
并行比較ADC主要特點是速度快，它是所有的A/D轉換器中速度最快的，現(xiàn)代發(fā)展的高速ADC大多采用這種結構，采樣速率能達到1GSPS以上。但受到功率和體積的限制，并行比較ADC的分辨率難以做的很高。
這種結構的ADC所有位的轉換同時完成，其轉換時間主取決于比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。增加輸出代碼對轉換時間的影響較小，但隨著分辨率的提高，需要高密度的模擬設計以實現(xiàn)轉換所必需的數(shù)量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數(shù)字增加一位，精密電阻數(shù)量就要增加一倍，比較器也近似增加一倍。
并行比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結果重復的并聯(lián)比較器如果精度不匹配，還會造成靜態(tài)誤差，如會使輸入失調電壓增大。同時，這一類型的ADC由于比較器的亞穩(wěn)壓、編碼氣泡，還會產生離散的、不精確的輸出，即所謂的“火花碼”。
壓頻變換型ADC
壓頻變換型ADC是間接型ADC，它先將輸入模擬信號的電壓轉換成頻率與其成正比的脈沖信號，然后在固定的時間間隔內對此脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)結果即為正比于輸入模擬電壓信號的數(shù)字量。
從理論上講，這種ADC的分辨率可以無限增加，只要采用時間長到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度即可。
∑-Δ型ADC
∑-Δ轉換器又稱為過采樣轉換器，它采用增量編碼方式即根據前一量值與后一量值的差值的大小來進行量化編碼。
∑-Δ型ADC包括模擬∑-Δ調制器和數(shù)字抽取濾波器?！?Δ調制器主要完成信號抽樣及增量編碼，它給數(shù)字抽取濾波器提供增量編碼即∑-Δ碼；數(shù)字抽取濾波器完成對∑-Δ碼的抽取濾波，把增量編碼轉換成高分辨率的線性脈沖編碼調制的數(shù)字信號。因此抽取濾波器實際上相當于一個碼型變換器。
流水線型ADC
流水線結構ADC，又稱為子區(qū)式ADC，它是一種高效和強大的模數(shù)轉換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數(shù)轉換，并且具有令人滿意的低功率消耗和很小的芯片尺寸；經過合理的設計，還可以提供優(yōu)異的動態(tài)特性。
流水線型ADC由若干級級聯(lián)電路組成，每一級包括一個采樣/保持放大器、一個低分辨率的ADC和DAC以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器。
快速精確的n位轉換器分成兩段以上的子區(qū)（流水線）來完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后先由一個m位分辨率粗A/D轉換器對輸入進行量化，接著用一個至少n位精度的乘積型數(shù)模轉換器（MDAC）產生一個對應于量化結果的模/擬電平并送至求和電路，求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平。
并將差值精確放大某一固定增益后交下一級電路處理。經過各級這樣的處理后，最后由一個較高精度的K位A/D轉換器對殘余信號進行轉換。將上述各級粗、細A/D的輸出組合起來即構成高精度的n位輸出。
ADC技術參數(shù)
ADC的主要技術參數(shù)：
01 分辨率
A/D的分辨率是使A/D輸出數(shù)字量最低位變化1所對應的輸入模擬電壓變化的大小值。分辨率也用輸出二進制數(shù)的位數(shù)來表示，如8位A/D的分辨率就是8，位數(shù)越多，誤差越小，轉換精度也越高。
02 量化誤差
用數(shù)字量近似表示模擬量的過程稱為量化。A/D轉換一般是按四舍五入原則進行的，由此產生的誤差稱為量化誤差，量化誤差小于等于1LSB。
03 精度
精度分為絕對精度和相對精度。
在一個A/D中，任何數(shù)碼所對應的實際模擬電壓與其理想的電壓之差并不是一個常數(shù)，把差值中的最大值定義為該A/D的絕對精度;而相對精度則定義為這個最大差值與滿刻度模擬電壓的百分數(shù)，或者用二進制分數(shù)來表示相對應的數(shù)字量。
04 轉換時間
轉換時間是完成一次A/D轉換所需要的時間，這是指從啟動A/D轉換器開始到獲得相應數(shù)據所需要的總時間。
模數(shù)轉換器（ADC轉換器）在頻譜分析儀中的作用
模數(shù)轉換器（ADC）具有頻譜分析儀功能，支持直接轉換、數(shù)字下變頻、直接IQ數(shù)據記錄等功能。然而，要達到幾千兆赫以上或捕捉持續(xù)時間非常短的信號，往往需要不止一個模數(shù)轉換器。例如，具有較高頻率能力的頻譜分析儀可能采用多個ADC（模數(shù)轉換器）；一個ADC與另一個ADC，甚至多個ADC一起轉換低頻；協(xié)同頻率轉換硬件(下變頻器)將高頻轉換為ADC能夠處理的中頻。
頻譜分析儀可以根據特定需要在同一頻段上采用多個模數(shù)轉換器。在這種情況下，使用更快但精度較低的模數(shù)轉換器來快速捕獲頻率掃描，而更高精度的模數(shù)轉換器以較慢的速率提供信號監(jiān)控和分析。此外，多個ADC可以與交錯采樣窗口結合使用，以提高截獲概率。
這種方法的一個挑戰(zhàn)是，頻譜分析儀的數(shù)字后端用于實時頻譜分析捕獲的帶寬是有限的，因此觀察頻譜將小于模數(shù)轉換器捕獲的頻譜。這是因為頻譜分析儀模數(shù)轉換器通常以恒定速率采樣，但是，通常與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGAs)或專用集成電路(ASICs)聯(lián)合運用的重采樣器和數(shù)字下變頻器，將模數(shù)轉換器的數(shù)字信號轉換為數(shù)字基帶(IQ數(shù)據)，其帶寬、頻帶寬度和采樣速率符合奈奎斯特標準。
給頻譜分析儀選定模數(shù)轉換器通常要重點考慮成本、設計復雜性和性能瓶頸這些問題。這主要是因為數(shù)字電子器件在性能上的擴展速度比模擬電子器件快得多，而且模數(shù)轉換器的輸入部分本質上是模擬的。這就是在頻譜分析儀設計中，為什么一定要確保頻譜分析儀的射頻前端(RFEE)將噪聲和相位噪聲降至最低并將模數(shù)轉換器上的動態(tài)范圍和精確度設置為最佳信號強度。這些設備包括低噪聲放大器(LNA)、限幅器、功率分配器、衰減器、濾波器而且要互相連通。
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