【導讀】在現代頻譜儀和信號分析儀中
，隨著數字信號處理技術的廣泛采用
，高速A/D轉換器(模擬數字轉換器，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的動態性能，包括信噪比和有效位數。今天我們就一起來了解模擬數字轉換器的基礎知識點以及在頻譜分析中的作用。

模數轉換器（ADC轉換器）

模數轉換器（ADC轉換器）是一種將模擬信號轉換為數字信號的係統。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製碼。最後，模擬量被轉換成數字量，然後傳送到CPU。也就是說，幾乎所有的通電數據都需要經過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

現階段常見的模數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/數轉換方法

，它包括1個比較器、1個數模轉換器、1個逐次逼近寄存器（SAR）和1個邏輯控製單元，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個時鍾周期完成位轉換
，N位轉換需要N個時鍾周期
，轉換完成，輸出二進製數。

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製。

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(ge)計(ji)數(shu)單(dan)元(yuan)構(gou)成(cheng)，通(tong)過(guo)兩(liang)次(ci)積(ji)分(fen)將(jiang)輸(shu)入(ru)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)與(yu)其(qi)平(ping)均(jun)值(zhi)成(cheng)正(zheng)比(bi)的(de)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)。與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)
，在(zai)此(ci)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)內(nei)利(li)用(yong)計(ji)數(shu)器(qi)對(dui)時(shi)鍾(zhong)脈(mai)衝(chong)進(jin)行(xing)計(ji)數(shu)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)A/D轉換。

積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鍾發生器和計數器來確定
，因此所得到的D表達式與時鍾頻率無關，其轉換精度隻取決於參考電壓VR。此外
，由於輸入端采用了積分器
，所以對交流噪聲的幹擾有很強的抑製能力。能夠抑製高頻噪聲和固定的低頻幹擾（如50Hz或60Hz）
，適合在嘈雜的工業環境中使用。這類ADC主要應用於低速、精密測量等領域，如數字電壓表。

並行比較A/D轉換器

並行比較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

，現代發展的高速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製，並行比較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
，其轉換時間主取決於比較器的開關速度、編(bian)碼(ma)器(qi)的(de)傳(chuan)輸(shu)時(shi)間(jian)延(yan)遲(chi)等(deng)。增(zeng)加(jia)輸(shu)出(chu)代(dai)碼(ma)對(dui)轉(zhuan)換(huan)時(shi)間(jian)的(de)影(ying)響(xiang)較(jiao)小(xiao)，但(dan)隨(sui)著(zhe)分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)
，需(xu)要(yao)高(gao)密(mi)度(du)的(de)模(mo)擬(ni)設(she)計(ji)以(yi)實(shi)現(xian)轉(zhuan)換(huan)所(suo)必(bi)需(xu)的(de)數(shu)量(liang)很(hen)大(da)的(de)精(jing)密(mi)分(fen)壓(ya)電(dian)阻(zu)和(he)比(bi)較(jiao)器(qi)電(dian)路(lu)。輸(shu)出(chu)數(shu)字(zi)增(zeng)加(jia)一(yi)位(wei)，精(jing)密(mi)電(dian)阻(zu)數(shu)量(liang)就(jiu)要(yao)增(zeng)加(jia)一(yi)倍(bei)
，比(bi)較(jiao)器(qi)也(ye)近(jin)似(si)增(zeng)加(jia)一(yi)倍(bei)。

並行比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限製。結果重複的並聯比較器如果精度不匹配，還會造成靜態誤差
，如會使輸入失調電壓增大。同時，這一類型的ADC由於比較器的亞穩壓、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(ta)先(xian)將(jiang)輸(shu)入(ru)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)的(de)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)頻(pin)率(lv)與(yu)其(qi)成(cheng)正(zheng)比(bi)的(de)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)，然(ran)後(hou)在(zai)固(gu)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)內(nei)對(dui)此(ci)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)計(ji)數(shu)，計(ji)數(shu)結(jie)果(guo)即(ji)為(wei)正(zheng)比(bi)於(yu)輸(shu)入(ru)模(mo)擬(ni)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)的(de)數(shu)字(zi)量(liang)。

從理論上講，這種ADC的分辨率可以無限增加，隻要采用時間長到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈衝個數的寬度即可。

∑-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後一量值的差值的大小來進行量化編碼。

∑-Δ型ADC包括模擬∑-Δ調製器和數字抽取濾波器。∑-Δ調製器主要完成信號抽樣及增量編碼
，它給數字抽取濾波器提供增量編碼即∑-Δ碼
；數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衝編碼調製的數字信號。因此抽取濾波器實際上相當於一個碼型變換器。

流水線型ADC

流水線結構ADC，又稱為子區式ADC
，它是一種高效和強大的模數轉換器。它能夠提供高速

、高分辨率的模數轉換，並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，還可以提供優異的動態特性。

流水線型ADC由若幹級級聯電路組成，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（流水線）來完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣後先由一個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位精度的乘積型數模轉換器（MDAC）產生一個對應於量化結果的模/擬電平並送至求和電路
，求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平。

並將差值精確放大某一固定增益後交下一級電路處理。經過各級這樣的處理後，最後由一個較高精度的K位A/D轉換器對殘餘信號進行轉換。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

ADC的主要技術參數：

01 分辨率

A/D的分辨率是使A/D輸出數字量最低位變化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製數的位數來表示，如8位A/D的分辨率就是8
，位數越多，誤差越小

，轉換精度也越高。

02 量化誤差

用數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，量化誤差小於等於1LSB。

03 精度

精度分為絕對精度和相對精度。

在一個A/D中
，任何數碼所對應的實際模擬電壓與其理想的電壓之差並不是一個常數，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
，或者用二進製分數來表示相對應的數字量。

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據所需要的總時間。

模數轉換器（ADC轉換器）在頻譜分析儀中的作用

模數轉換器（ADC）具有頻譜分析儀功能，支持直接轉換、數字下變頻
、直接IQ數shu據ju記ji錄lu等deng功gong能neng。然ran而er

，要yao達da到dao幾ji千qian兆zhao赫he以yi上shang或huo捕bu捉zhuo持chi續xu時shi間jian非fei常chang短duan的de信xin號hao，往wang往wang需xu要yao不bu止zhi一yi個ge模mo數shu轉zhuan換huan器qi。例li如ru，具ju有you較jiao高gao頻pin率lv能neng力li的de頻pin譜pu分fen析xi儀yi可ke能neng采cai用yong多duo個geADC（模數轉換器）；一個ADC與另一個ADC，甚至多個ADC一起轉換低頻
；協同頻率轉換硬件(下變頻器)將高頻轉換為ADC能夠處理的中頻。

pinpufenxiyikeyigenjutedingxuyaozaitongyipinduanshangcaiyongduogemoshuzhuanhuanqi。zaizhezhongqingkuangxia，shiyonggengkuaidanjingdujiaodidemoshuzhuanhuanqilaikuaisubuhuopinlvsaomiao，ergenggaojingdudemoshuzhuanhuanqiyijiaomandesulvtigongxinhaojiankonghefenxi。ciwai，duogeADC可以與交錯采樣窗口結合使用
，以提高截獲概率。

zhezhongfangfadeyigetiaozhanshi

，pinpufenxiyideshuzihouduanyongyushishipinpufenxibuhuodedaikuanshiyouxiande，yinciguanchapinpujiangxiaoyumoshuzhuanhuanqibuhuodepinpu。zheshiyinweipinpufenxiyimoshuzhuanhuanqitongchangyihengdingsulvcaiyang
，danshi
，tongchangyuxianchangkebianchengmenzhenlie(FPGAs)或專用集成電路(ASICs)聯合運用的重采樣器和數字下變頻器，將模數轉換器的數字信號轉換為數字基帶(IQ數據)


，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轉換器通常要重點考慮成本、設she計ji複fu雜za性xing和he性xing能neng瓶ping頸jing這zhe些xie問wen題ti。這zhe主zhu要yao是shi因yin為wei數shu字zi電dian子zi器qi件jian在zai性xing能neng上shang的de擴kuo展zhan速su度du比bi模mo擬ni電dian子zi器qi件jian快kuai得de多duo，而er且qie模mo數shu轉zhuan換huan器qi的de輸shu入ru部bu分fen本ben質zhi上shang是shi模mo擬ni的de。這zhe就jiu是shi在zai頻pin譜pu分fen析xi儀yi設she計ji中zhong，為wei什shen麼me一yi定ding要yao確que保bao頻pin譜pu分fen析xi儀yi的de射she頻pin前qian端duan(RFEE)將噪聲和相位噪聲降至最低並將模數轉換器上的動態範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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