RA6T2的16位模数转换器操作 [2] A/D转换器概述 (2)

1  A/D转换器概述

模数转换器（A/D转换器，ADCs）是数据采集系统 (DAQs) 的组成部分，其功能是捕获模拟信号并将其转换为离散数字信号。ADC可将模拟电压转换为数字，以供处理器根据需要对这些值执行以下操作：存储、显示或进一步分析捕获的数字信号。

1.3 ADC的类型

有多种硬件实现能够将输入电压转换为数字表示。不同的ADC实现具有不同的转换特性，因此应根据具体应用的需求来挑选最适合特定用例的ADC类型。

目前业界主要有五种类型的A/D转换器：逐次逼近型、ΔΣ型、双斜率型、流水线型和全并行型ADC。在数据采集系统中，使用逐次逼近型ADC和ΔΣ型ADC会比较合适。RA6T2 A/D转换器采用混合架构，兼具逐次逼近型和ΔΣ调制型的特性。

以下各节概述了各个ADC类型的主要特性和差异，其中着重介绍了逐次逼近型和ΔΣ调制型ADC。

1.3.1 逐次逼近寄存器 ADC

逐次逼近寄存器 (SAR) 型ADC可在收敛数字输出之前，对所有可能的量化级别进行二进制搜索，从而将连续的模拟电压信号转换为离散的数字表示。首先对输入模拟信号进行采样和保持，然后通过将输入电压与参考电压进行比较以逐次逼近数字表示的每个位的值。

基础SAR型A/D转换器如下图所示：

图1. SAR ADC的电路框图

1.3.1.1 关键特性和局限性

• N位SAR需要N个时钟周期

• 功耗低，尺寸小

• 采样率低，分辨率高

• 由于比较器存在限制，分辨率有限

• 电路尺寸会随着分辨率的增加而增大

1.3.2 ΔΣ调制型ADC

ΔΣ调制 (DSM) 型ADC首先将连续的模拟电压信号编码为表示信号变化 (Δ) 的脉冲流。之后，通过将数字输出传递到1位DAC并对产生的模拟信号和输入信号求和 (Σ)，以提高调制精度。ΔΣ调制型ADC利用滤波技术提高幅值轴分辨率并降低SAR设计中固有的高频噪声。

ΔΣ调制型A/D转换器的设计如下图所示：

图2. ΔΣ型ADC的电路框图

1.3.2.1 关键特性和局限性

• 采用过采样设计，降低了量化噪声

• 分辨率在所有类型中最高

• 采样率低于SAR类型

• 对数据进行过采样需要高时钟速度

• 每个ADC数据值必须转换多个样本（过采样）才能实现更高的信号质量

• 是高分辨率和低频应用的理想选择

1.3.3 其他 ADC

其他类型的常见ADC更适合非DAQ（非数据采集）应用，下面将进行简要介绍。

(1) 双斜率型ADC

双斜率型ADC可提供非常精准的电压读数，但由于其采用迭代方法，因此转换时间较长。通常，这类ADC用于万用表和其他电压读数应用，这些应用需要精确转换，但不需要及时实现。

(2) 流水线型ADC

顾名思义，流水线型ADC具有采用流水线架构的闪存比较器，可将电压转换为数字表示。流水线引入了大约3个时钟周期的转换延迟，但这种类型的ADC非常适合具有以下需求的应用：所需的采样率比SAR和ΔΣ型ADC的采样率更高，但不需要全并行型ADC所能实现的超高采样率。典型应用包括数字示波器、频谱分析器、雷达和软件无线电等。

(3) 全并行型 ADC

全并行型ADC运行时没有任何延迟，因此其可以实现的采样率在所有ADC类型中最高。当将输入电压与所有可能的参考电压进行比较时，即会发生A/D转换。要获得N位分辨率，全并行型ADC需要2N个参考电压，这意味着高分辨率需要功耗更高、尺寸更大的电路。因此，分辨率通常不超过8位。

全并行型ADC适用于需要极快的转换速度但不需要高分辨率的应用，因此它们用于速度最快的数字示波器、微波测量和光纤等。

1.3.4 噪声整形逐次逼近寄存器ADC 

RA6T2包含两个噪声整形SAR (NS-SAR) 型A/D转换器单元。NS-SAR ADC 是一种新兴的混合式A/D架构，兼具SAR型ADC和ΔΣ调制型ADC的特性。

NS-SAR的混合式架构结合了SAR ADC和DSM ADC架构的优点，可同时实现高分辨率和高电源效率，这两种特性在其他架构中往往需要权衡取舍才能共存。NS-SAR型A/D转换器同时具备SAR ADC和DSM ADC的特性所带来的优势，前者可降低成本、提高能效，后者可提供高信噪比。

RA6T2中A/D转换器模块的混合式架构允许外设采用全新转换方法，从而利用过采样和噪声整形技术将分辨率从12位提高到16位。