如何选择 A/D 转换器的制造商指南

曾经深入研究过 A/D 转换器数据表吗？这是一次冒险，即使对于具有模拟工程背景的人来说也是如此，对于许多来自数字和软件背景的制造商来说，这可能会令人生畏。参数表有所帮助，但对于制造商而言，在选择 A/D 转换器时，了解手头的工作比筛选规格页面更重要。

资料来源：佐治亚理工学院，通过优达学城

通常在制造商的网站上，我们会看到许多类别的 A/D 转换器，这表明产品已经变得多么专业和优化。除了一些独特的情况外，我认为制造商将遇到需要 A/D 转换器的四种基本情况之一，因此优化会有所帮助，因为这些部件中已经设计了许多权衡。

　　困采样

多年来基于微控制器的设计证明了一个久经考验的原则是“休眠”行为。当采样率非常慢（以秒甚至分钟为单位）时，我们的想法是醒来，采样并执行计算和通信，然后尽快回到睡眠状态。这种行为可以最大限度地降低功耗并延长电池寿命。

在这种情况下，请选择一个转换器，其位数应尽可能少以表示输入信号的范围。例如，在设计气象站时，8 位转换器提供的范围足以读取最接近的温度。更少的位意味着更短的转换时间和更少的功耗。在可访问的微控制器引脚上可能有一个片上 A/D 转换器，从而完全不需要外部转换器。

　　低速率采样

输出数据速率 （ODR） 可能高达 200 Hz 的更快传感器需要考虑采样问题。经验法则：采样速度至少比所需数据快 2.5 倍。严格来说，Nyquist 说 2x 是最小值，但要增加一些余量。例如，如果火箭高度计在飞行中每 1/10 秒需要准确读数，请将采样率设置为 25 Hz 或更快。

这里的想法是控制采样率和分辨率位与功耗之间的权衡。有有效位数（ENOB）的想法。在嘈杂的环境中，如果不使用更强的过滤或过采样，可能很难获得超过 16 位的有用分辨率，从而导致转换时间和功耗朝错误的方向发展。

　　低噪声、精密转换

专业部件派上用场的领域之一是低噪声、精密采样。这些不是园艺品种；在转换的每个阶段都采取了降低噪声的步骤，并且需要在电路板布局中小心谨慎，以免消除这些降低。在这里，信噪比 （SNR）、动态范围（通常缩写为 DNR）和总谐波失真 （THD） 等数字开始发挥作用。通常，这些部件具有高达每秒 100 万个样本 （MSPS） 的中等采样率。

　　更快的信号分析

雷达设计和 5G 信号处理领域可能超出了大多数制造商会遇到的范围，但有更常见的应用可以满足更快的部件需求。数百 MSPS 的采样率使软件定义无线电 （SDR） 和 DIY 示波器等应用成为可能。

更快的采样增加了低通滤波的重要性，以强烈拒绝高于 2 倍奈奎斯特频率的东西，这可能会真正搞乱快速傅立叶变换 （FFT） 分析。它还对内存吞吐量提出了更高的要求，并且可能需要使用 FIFO 来缓冲结果以在较慢的内存总线上进行分析，这会增加系统成本。

　　完成工作

请注意，我们没有比较各种 A/D 架构——闪存、流水线、SAR 和 delta-sigma。这是有趣的东西，如果您真的对它们的工作方式感兴趣，可以在Planet Analog 的其他地方阅读大量有关它们的文章。

但我将在这里冒险：对于除尖端应用之外的所有应用，芯片制造商已经完成了为其预期用途选择和优化架构的大部分工作。例如，他们并没有试图使逐次逼近寄存器 （SAR） 设计适合遇到限制的更高采样率应用；他们正在针对中等采样率优化 SAR 架构。

在大多数情况下，如果了解分辨率和采样率，了解滤波和过采样，以及在某些应用中噪声如何影响结果，制造商可以根据应用快速缩小 A/D 转换器的选择范围。

浏览数据表可能会提供信息，仔细研究编程模型（例如轮询操作与自由运行采样）有助于了解如何充分利用零件。还可以通过制造商站点在分线板上提供哪些 A/D 转换器来指导选择，这也使原型设计和软件开发变得更加容易。

在 General Dynamics 从事导弹制导系统工作十年后，Don Dingee成为摩托罗拉 VMEbus 和单板计算机技术的布道者。

编辑：hfy