ADC在電路中扮演的作用 衡量ADC性能的幾個重要指標

寫在最前面

本文是一篇并不枯燥的介紹ADC的文章?？紤]到現在有些讀者刷文章的翻臺率比HR篩簡歷的速度還快，所以就算你不能每個字都讀完，至少每張圖也都花點時間看看，畢竟為了讓表述言簡意賅也是

模擬 VS 數字

二八定律的現象不僅在經濟學，社會學，金融學等諸多領域可以聽到，就連在電路中也是可見一斑。比如許多電路設計中，模擬器件只占到整個電路的兩成，在硬件設計中卻往往占用八成的時間和精力。

要知道，模擬信號就如同馬路上的行人一樣，有著“行走隨意性大，方向多變”的特點。在實驗室里煎熬過的同學們想必領教過模擬信號“琢磨不透，捕捉不到，行蹤不定，來去無蹤”的特點。

因此，懂得如何將模擬信號進行數字化處理是作為一個電子工程師必備的求生技能！

ADC，你注定離不開的東西

ADC，有時候也稱AD，是模數轉換器（Analog Digital Converter）的英文縮寫。只要你進入電子工程師的領域，尤其是數電，嵌入式，信號處理，物聯網，音頻等等應用，這玩意都會是經常出現在你腦海里的東西。假設你對ADC還不甚了解，或者只是在學校的課程中不明覺厲地聽說過這個詞，那么接下來我們就用通俗的方式講解一番，希望你對這個知識點有一個更加深刻地認知（并在學明白之后果斷下單）。

ADC在電路中扮演的作用

學過高數的同學都知道，盡管微積分中存在著許多巧妙的反函數推導算積分的方法，但事實上只有很小很小一部分函數的積分是可以通過直接推導求出的。稍微復雜的函數都是靠離散的方式，將函數下的面積分割成許多小格子后累加算出來的。

同理，對于涉及到大量復雜運算，邏輯功能和信號處理的電路來說，僅靠運放器晶體管組成的那么百十來種模擬電路是遠遠不夠的，因此我們必須借助更強大的數字信號處理單元，比如yyds的FPGA和單片機等，用來實現更多高大上的功能。

上面這張圖就是一個完整的信號處理電路。由于FPGA或者單片機等處理單元都是數字電路家族的，甭管你扭得多么嫵媚，他們只認0和1。所以能將扭得跟麻花一樣的模擬信號準確地轉化成對應的0和1就是ADC存在的價值了。而經過數字處理單元一頓猛如虎的操作之后，如果需要將0和1轉化成真實世界的模擬信號，則需要通過DAC來實現（我們之后的文章還會來掰扯掰扯）。

ADC的工作原理介紹

圖中是一個ADC的結構。除了性能弱爆了之外，其他的五臟都是俱全的。電路中有3個運放器，更確切地說是比較器。每個比較器的其中一個輸入都連接了由等值電阻構成的參考電壓，另一個輸入則同時接入待采集的模擬信號源Vin。

現在大家可以思考幾個問題：

● 該電路構成的ADC是幾位的？2位，3位，4位？

● 假如采用LM393作為比較器，那么能采集多快頻率的模擬信號？

● 按照以上的結構，10位ADC需要幾個運放器？

● 下圖電路中接的4-2優先編碼器有什么作用？

衡量ADC性能的幾個重要指標

ADC的作用就如同戰場中的“偵察兵”。他需要將當前的天氣，地形，敵方兵力部署等各種重要情報傳達給作戰指揮部，而后者所有的判斷與決策都是基于該偵察兵提供的信息。因此，如果我們想快速大致判斷一個偵察兵是青銅還是王者，可以從以下兩個方面考慮：

● 描述的信息有多準確？

● 信息傳達的速度有多快？

位數

對于ADC來說，反映上述兩個性能的指標就是ADC的位數和采樣率。ADC是一個可憐的2-bit ADC，也就是說它只有22=4個區間，換言之除了用于理解概念之外基本沒什么luan用。目前最常用的ADC位數有8位，10位和12位的。

8位的ADC代表可以把一個模擬信號的峰峰值切割成28個單位，也就是256份。10位的ADC就能切割成1024份。所以假如待采集的模擬信號為1V，那么ADC理論上能采集并分辨的最小電壓為：

采樣率

除了位數外，ADC的采樣率也非常重要。當采集一個模擬交流信號時，為了能采集到不失真的波形，ADC的采樣頻率應當至少為該模擬信號頻率的2倍以上（奈奎斯特定理）。在采樣中，我們可以遵循以下公式：

通常對于一個信號周期來說，至少需要10個采樣點，那么以上公式則等于：

也就是說，如果一個ADC的采樣率為10Mbps，那么它能采集的模擬信號頻率不能超過2MHz。

“別人家的”ADC

“ADC這東西還是別人家的好”，說完這話以后，我們的小姐姐就表示很不服氣，于是時隔N年之后又重新拾起了面包板，并從我這里搜刮了幾個僅有的元器件后，開啟了瘋狂拼板模式。

很多同學會覺得這樣一個電路一定很好搭吧。但是如果你實際做一做就會發現，很多經驗都只有在動手實踐中才能學到的，比如運放的軌到軌，source和sink電流，壓擺率，模擬帶寬，包括電源和地怎么連等等，總算是把以前只有書本里聽過的知識實踐了一把。不論如何，折騰了半天之后，我們終于有了可以工作的電路，有視頻為證：

“別人家的”ADC

了解我們的小姐姐自研的3位低性能ADC之后，我們再來看看高性能的ADC。下圖是基于“別人家的”10位高速ADC芯片： 3PA1030而開發的超小模塊。在電子森林的項目頁面中有詳細介紹：

https://www.eetree.cn/project/detail/61

為什么這款如此之小的ADC模塊可以完爆我們用面包板搭的電路？下圖中列出了該模塊采用的關鍵器件：

我們專門標出了重點，分別涉及了：位數，采樣率，增益帶寬積，精密，軌到軌，PSRR，低壓差線性。至于這些為什么很重要，可以惡補一下以前課本里的知識，或者去電子森林（www.eetree.cn）的文庫里面查一查。

是驢是馬還需要跑跑看

現在我們就來現場搭建一個小電路來測一測這款高速ADC模塊的實際效果。非專業動作，無危險因素，低難度，鼓勵模仿！

第一步：在面包板上搭建簡易的測試電路。

第二步：打開自帶的Scopy軟件進行信號發生器配置

通道1是一個10MHz的方波，直接用于ADC的時鐘（它甚至可以支持到50MHz），通道2是一個100kHz的三角波，也就是待采樣的模擬信號。

第三步：開啟邏輯分析儀功能

這時，是不是看到了10條完美的方波信號。這個就是采樣之后的數字信號，并且我們采用邏輯分析儀的功能直接進行數位解碼，每8位就是一個Byte…于是就完成了將模擬信號數字化的全部過程。剩下的事情就交給數字指揮部了。

裝備庫一覽

講了這么多，相信有不少同學垂涎三尺，畢竟看別人玩總是不如自己親手玩一玩過癮的。于是我們在這里就將裝備依次列出：

1.地主土豪最喜歡用的高速ADC模塊，3PA1030

2.地主土豪最喜歡用的多功能實驗儀器，ADALM2000

3. 貧下中農最喜歡用的多功能實驗儀器，梅林雀TG491（新品預售，來加群提前看~）

4.貧下中農喜歡用的面包板電源，MEGO

還有一點，假如你之前從沒有參加過我們的學習活動，那么真是太可惜了，因為很多同學都通過活動白piao了我們不少好裝備。所以還是要鼓勵大家以后多多參加我們的活動。比如近期的暑假一起練活動，已經幾百名學生報名參與，因此我們的不少好東西注定又要被白piao走一批了。。。

編輯：jq