【导读】在现代频谱仪和信号分析仪中，随着数字信号处理技术的广泛采用，高速A/D转换器(模拟数字转换器，即ADC)的应用及其性能越来越受到关注，因为它的性能直接影响频谱仪和信号分析仪的精度，尤其是ADC的动态性能，包括信噪比和有效位数。今天我们就一起来了解模拟数字转换器的基础知识点以及在频谱分析中的作用。
模数转换器（ADC转换器）
模数转换器（ADC转换器）是一种将模拟信号转换为数字信号的系统。它是一个滤波、采样保持、量化和编码的过程。模拟信号经过带限滤波、采样保持电路，成为梯形信号，再经过编码器，使梯形信号中的每一级都变成二进制码。最后，模拟量被转换成数字量，然后传送到CPU。也就是说，几乎所有的通电数据都需要经过ADC转换。例如电能表的电能计量、电子秤的重量测量、电子温度计的温度测量、通讯领域。
ADC类型
现阶段常见的模数转换器有以下几种类型：逐次逼近型、积分型、压频变换型、流水线型、∑-Δ型等。
逐次逼近型
逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法，它包括1个比较器、1个数模转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元，所以逐次逼近ADC也被称为SAR ADC。它是将采样输入信号与已知电压不断进行比较，1个时钟周期完成位转换，N位转换需要N个时钟周期，转换完成，输出二进制数。
这一类型ADC的分辨率和采样速率是相互矛盾的，分辨率低时采样速率较高，要提高分辨率，采样速率就会受到限制。
积分型ADC
积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，它的应用也比较广泛。
它由1个带有输入切换开关的模拟积分器、1个比较器和1个计数单元构成，通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。
积分型ADC两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的D表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压VR。此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。能够抑制高频噪声和固定的低频干扰（如50Hz或60Hz），适合在嘈杂的工业环境中使用。这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。
并行比较A/D转换器
并行比较ADC主要特点是速度快，它是所有的A/D转换器中速度最快的，现代发展的高速ADC大多采用这种结构，采样速率能达到1GSPS以上。但受到功率和体积的限制，并行比较ADC的分辨率难以做的很高。
这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。增加输出代码对转换时间的影响较小，但随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计以实现转换所必需的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增加一位，精密电阻数量就要增加一倍，比较器也近似增加一倍。
并行比较ADC的分辨率受管芯尺寸、输入电容、功率等限制。结果重复的并联比较器如果精度不匹配，还会造成静态误差，如会使输入失调电压增大。同时，这一类型的ADC由于比较器的亚稳压、编码气泡，还会产生离散的、不精确的输出，即所谓的“火花码”。
压频变换型ADC
压频变换型ADC是间接型ADC，它先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量。
从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采用时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度即可。
∑-Δ型ADC
∑-Δ转换器又称为过采样转换器，它采用增量编码方式即根据前一量值与后一量值的差值的大小来进行量化编码。
∑-Δ型ADC包括模拟∑-Δ调制器和数字抽取滤波器。∑-Δ调制器主要完成信号抽样及增量编码，它给数字抽取滤波器提供增量编码即∑-Δ码；数字抽取滤波器完成对∑-Δ码的抽取滤波，把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。
流水线型ADC
流水线结构ADC，又称为子区式ADC，它是一种高效和强大的模数转换器。它能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸；经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。
流水线型ADC由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。
快速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率粗A/D转换器对输入进行量化，接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器（MDAC）产生一个对应于量化结果的模/拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平。
并将差值精确放大某一固定增益后交下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位A/D转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来即构成高精度的n位输出。
ADC技术参数
ADC的主要技术参数：
01 分辨率
A/D的分辨率是使A/D输出数字量最低位变化1所对应的输入模拟电压变化的大小值。分辨率也用输出二进制数的位数来表示，如8位A/D的分辨率就是8，位数越多，误差越小，转换精度也越高。
02 量化误差
用数字量近似表示模拟量的过程称为量化。A/D转换一般是按四舍五入原则进行的，由此产生的误差称为量化误差，量化误差小于等于1LSB。
03 精度
精度分为绝对精度和相对精度。
在一个A/D中，任何数码所对应的实际模拟电压与其理想的电压之差并不是一个常数，把差值中的最大值定义为该A/D的绝对精度;而相对精度则定义为这个最大差值与满刻度模拟电压的百分数，或者用二进制分数来表示相对应的数字量。
04 转换时间
转换时间是完成一次A/D转换所需要的时间，这是指从启动A/D转换器开始到获得相应数据所需要的总时间。
模数转换器（ADC转换器）在频谱分析仪中的作用
模数转换器（ADC）具有频谱分析仪功能，支持直接转换、数字下变频、直接IQ数据记录等功能。然而，要达到几千兆赫以上或捕捉持续时间非常短的信号，往往需要不止一个模数转换器。例如，具有较高频率能力的频谱分析仪可能采用多个ADC（模数转换器）；一个ADC与另一个ADC，甚至多个ADC一起转换低频；协同频率转换硬件(下变频器)将高频转换为ADC能够处理的中频。
频谱分析仪可以根据特定需要在同一频段上采用多个模数转换器。在这种情况下，使用更快但精度较低的模数转换器来快速捕获频率扫描，而更高精度的模数转换器以较慢的速率提供信号监控和分析。此外，多个ADC可以与交错采样窗口结合使用，以提高截获概率。
这种方法的一个挑战是，频谱分析仪的数字后端用于实时频谱分析捕获的带宽是有限的，因此观察频谱将小于模数转换器捕获的频谱。这是因为频谱分析仪模数转换器通常以恒定速率采样，但是，通常与现场可编程门阵列(FPGAs)或专用集成电路(ASICs)联合运用的重采样器和数字下变频器，将模数转换器的数字信号转换为数字基带(IQ数据)，其带宽、频带宽度和采样速率符合奈奎斯特标准。
给频谱分析仪选定模数转换器通常要重点考虑成本、设计复杂性和性能瓶颈这些问题。这主要是因为数字电子器件在性能上的扩展速度比模拟电子器件快得多，而且模数转换器的输入部分本质上是模拟的。这就是在频谱分析仪设计中，为什么一定要确保频谱分析仪的射频前端(RFEE)将噪声和相位噪声降至最低并将模数转换器上的动态范围和精确度设置为最佳信号强度。这些设备包括低噪声放大器(LNA)、限幅器、功率分配器、衰减器、滤波器而且要互相连通。
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