上篇文章我們講述了ADC和DAC是連接模擬世界和數(shù)字世界的橋梁，但橋梁有多種 - 有寬窄之分、快慢之分。同樣ADC和DAC也有很多公司提供不同種類的器件，如何從這些品類繁多的器件中選擇適合自己項(xiàng)目的器件？由于ADC和DAC的差異性還是比較大的，因此我們今天的文章就針對(duì)ADC來看一下：

ADC - 將在時(shí)間上和幅度上都連續(xù)的模擬電信號(hào)在一定序列的時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿對(duì)其幅度進(jìn)行量化，生成能夠用數(shù)字表征的信號(hào)幅度值。如下圖：

直觀上理解，讓數(shù)字化的信息能夠盡可能不失真地表征原來的模擬信號(hào)信息，必須具備以下條件（先從靜態(tài)的信號(hào)看）：

對(duì)信號(hào)幅度的量化要足夠的精細(xì)，也就是要達(dá)到一定的細(xì)致程度，比如你向一個(gè)姑娘介紹對(duì)象，說一個(gè)身高1.75米的小伙身高一米多、不到兩米（只用了10進(jìn)制中的一個(gè)數(shù)字），姑娘肯定不滿意，即便你說1米7多、不到1米8（用了十進(jìn)制中的2個(gè)數(shù)字），她還是不滿意，一定要知道他究竟是1.75米還是1.78米。如果你告訴他1.756m，她一定會(huì)覺得你吃飽了撐的，因?yàn)樽詈笠粋€(gè)數(shù)字她并不關(guān)心，她也不相信最后一個(gè)數(shù)字的準(zhǔn)確性（1天24小時(shí)內(nèi)會(huì)發(fā)生變化），因此描述小伙子身高的精度只需要3位數(shù)（十進(jìn)制），少了無法滿足系統(tǒng)的要求，多了在這種場(chǎng)景下失去了意義，本身也不準(zhǔn)確。

ADC應(yīng)用中比較直觀的就是對(duì)聲音和圖像的量化，就拿圖像來比方，如果你用一個(gè)bit表征一個(gè)像素點(diǎn)，那整個(gè)圖像就量化后就是黑白的，如果你用4bits來量化每個(gè)像素點(diǎn)，可以得到16級(jí)灰度的圖像，如果你對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)分開三種顏色R、G、B分別以8位進(jìn)行量化，則就可以得到普通肉眼分辨不出來細(xì)節(jié)的圖像 - 在電腦上屏幕上你能看到一個(gè)讓你想咬一口的蘋果，如果你使用了R、G、B三色都為8位的ADC進(jìn)行量化的話。

要不要再精細(xì)地量化？更精細(xì)意味著耗費(fèi)更多的bit數(shù) - ADC價(jià)格增加、存儲(chǔ)空間也增加，未必給你的視覺效果帶來任何改善，除非某些用戶的眼睛對(duì)細(xì)節(jié)的辨別能力超級(jí)的強(qiáng)。當(dāng)然現(xiàn)在的照相機(jī)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行采樣的分辨率遠(yuǎn)高于8bit（14bit的ADC很常用），why？這在以后的文章中會(huì)講到，主要是為了得到足夠的動(dòng)態(tài)范圍，你可以在后期對(duì)圖像進(jìn)行亮度、對(duì)比度，乃至ISO等等進(jìn)行調(diào)節(jié)，省去了ADC前面模擬電路的復(fù)雜設(shè)計(jì)。

結(jié)論 - 量化精度的選取，也就是ADC的位數(shù)- 分辨率是非常重要的一個(gè)指標(biāo)，我們要根據(jù)實(shí)際要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的要求，綜合考慮到系統(tǒng)的其它因素以及成本等選定一個(gè)合適的位數(shù)。記住更多的位數(shù)未必給你更精準(zhǔn)的信息，因?yàn)榱炕倪^程取決于很多因素，量化后產(chǎn)生的誤差（error）可能讓你后面的位數(shù)沒有任何意義，比如一個(gè)人每天的身高從早上起床到晚上躺下其變化可能在1.75-1.76之間，任何1.75x中國的x都是由于采樣時(shí)間不同導(dǎo)致的模糊性，也就相當(dāng)于ADC的量化誤差。

想一下 - 量化誤差取決于哪些因素？

分辨率- 如果你用1位數(shù)，只能說1米多，而1米-2米之間的所有不同都被模糊掉了，如果你用2位，則可以分辨的是1.7或1.8，1.7-1.8之間的所有不同也被模糊掉了，因此由于分辨率不夠就會(huì)導(dǎo)致量化的誤差，看下面的正弦波被不同位數(shù)的ADC量化后的數(shù)字表征，16bit可以非常精準(zhǔn)地描述原來的模擬波形，而3bit的采樣則讓我們看到像樓梯臺(tái)階一樣的信號(hào)。當(dāng)然這兩個(gè)波形的采樣時(shí)鐘頻率也不同。

線性度- 你的量尺理論上應(yīng)該是刻度均勻的，如果不均勻，用你的標(biāo)尺測(cè)量出來的也就有了誤差，這種不均勻就是非線性，我們用的所有ADC都是通過將輸入電壓同內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較來進(jìn)行判決其所處的區(qū)間的，如果每個(gè)刻度比較的電路不一致，自然就會(huì)造成非線性誤差，是電路就會(huì)有不一致性，因此非線性的誤差一定是存在的，只是不同的工藝、不同的廠商的不同器件其線性度也不同，因此非線性誤差也就不同，一般器件會(huì)用積分非線性（INL）和差分非線性（DNL）兩個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行表征；比如ADI公司的8位ADC器件AD9283在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的DNL和INL的數(shù)據(jù) - 由于非線性導(dǎo)致的誤差相當(dāng)于最小分辨精度（LSB）的值。

供電噪聲任何被用來做基準(zhǔn)的東西都應(yīng)該是穩(wěn)定不變的，比如ADC和DAC中使用的參考電壓（內(nèi)部轉(zhuǎn)換成參考電流），只要是電源供電的電壓，就無法100%保證其沒有波動(dòng)（噪聲），無論是ADC的模擬電路供電電壓，還是參考基準(zhǔn)源的電壓，都需要盡可能保持干凈，其上面的噪聲一定會(huì)導(dǎo)致量化誤差。

時(shí)鐘邊沿抖動(dòng)（Jitter）- 就如你測(cè)量一個(gè)人的身高一樣，如果被測(cè)的人非常規(guī)律，你在他每天早上7點(diǎn)起床的時(shí)候進(jìn)行測(cè)量，則每次得到的結(jié)果都應(yīng)該是一致的，但如果你有時(shí)候6點(diǎn)半測(cè)量，有時(shí)候是7點(diǎn)半測(cè)量，結(jié)果會(huì)一致么？一定會(huì)發(fā)生與本該得到的結(jié)果有偏差的現(xiàn)象。ADC用周期性時(shí)鐘進(jìn)行采樣的時(shí)候理想狀態(tài)下每個(gè)時(shí)鐘的時(shí)鐘沿之間的間隔是固定的，但實(shí)際的情況 -由于時(shí)鐘產(chǎn)生電路的電源噪聲、傳輸途中遭遇的阻抗失配、電磁諧振等，都會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘的相位噪聲，也就是時(shí)鐘的沿發(fā)生抖動(dòng)（學(xué)名Jitter），實(shí)際的采樣點(diǎn)和理論上的采樣點(diǎn)發(fā)生了偏移，得到的數(shù)據(jù)自然也就不是本該出現(xiàn)的位置的信息，這種由于時(shí)鐘相位噪聲導(dǎo)致的誤差在某種情況下會(huì)嚴(yán)重到你使用更高的精度失去了意義，可以想像，越是變化快，變化幅度大的模擬信號(hào)由于時(shí)鐘抖動(dòng)帶來的影響越大，低頻信號(hào)受到的影響較低，直流信號(hào)不受影響。如下表，可以這樣解讀 - 如果你對(duì)10MHz的模擬信號(hào)使用10位的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其時(shí)鐘的邊沿抖動(dòng)不能超過31.1ps；也可以這么講，如果你采用的時(shí)鐘信號(hào)由于種種原因，只能保證到30ps以內(nèi)的邊沿抖動(dòng)，你選用超過10位的ADC對(duì)模擬帶寬為10MHz的信號(hào)進(jìn)行采樣是沒有意義的，只會(huì)浪費(fèi)錢。

基于以上種種可能導(dǎo)致的誤差， 歸根結(jié)底是你要選用多少位數(shù)精度的ADC，很多ADC器件數(shù)據(jù)手冊(cè)都會(huì)給出ENOB這個(gè)指標(biāo)，也就是該器件在實(shí)際的使用中能夠保證到的有效的位數(shù)（Effective number of bits），

以上是靜態(tài)信號(hào)的量化，但我們處理的信號(hào)多數(shù)都是幅度隨時(shí)間發(fā)生變化的，根據(jù)傅立葉分析，任何一個(gè)信號(hào)都可以分解為多個(gè)不同頻率的周期性信號(hào)的疊加，這就如同一群人散步，不同的身高，每個(gè)人不同的速度（假設(shè)每個(gè)人的速度是勻速的）。我們將這些不同的頻率所處的范圍稱之為信號(hào)占用的頻帶。要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行量化，根據(jù)奈奎斯特定律（不知道的自己去查資料進(jìn)行補(bǔ)習(xí)），只要我們的采樣頻率高于這個(gè)模擬信號(hào)所占帶寬的兩倍以上就可以準(zhǔn)確表征模擬信號(hào)所攜帶的信息，這就是為什么我們會(huì)看到對(duì)音頻采樣有個(gè)44.1KHz這么一個(gè)奇怪的頻率，原因呢？人能聽到的音頻信號(hào)的最高頻為20KHz，2倍多一點(diǎn) - 選擇了44.1KHz或48KHz。

這點(diǎn)會(huì)讓很多人感到費(fèi)解 - 一個(gè)周期的正弦波只用2個(gè)以上的點(diǎn)就可以表征？即便是3個(gè)點(diǎn)怎么畫也感覺出來的波形怪怪的，常規(guī)上對(duì)一個(gè)1MHz的模擬信號(hào)采樣，怎么也要10Msps吧？用10個(gè)點(diǎn)描出一個(gè)周期的波形才覺得踏實(shí)啊?？聪旅娴膱D，由于采樣頻率不夠?qū)е虏蓸雍蟮慕Y(jié)果跟原來的信號(hào)相差十萬八千里。

其實(shí)在滿足了奈奎斯特采樣定律之后采集的數(shù)據(jù)可以在數(shù)字域通過各種內(nèi)插算法恢復(fù)出非常漂亮的波形，補(bǔ)齊因每個(gè)周期采樣點(diǎn)不多導(dǎo)致的波形失真。

針對(duì)不同信號(hào)采用不同采樣頻率還有一些概念比如Dithering、Oversampling等技術(shù)以提升ENOB，由于篇幅限制在此不專門做介紹，有興趣的朋友可以自行搜索一些相關(guān)的文章來理解一下。

選型的時(shí)候在性能方面除了我們要對(duì)ADC的采樣精度（bits）、最高能支持的轉(zhuǎn)換率（sps）格外關(guān)注外，也要看其數(shù)據(jù)手冊(cè)中具體使用場(chǎng)景下給出的一些性能參數(shù)，比如INL、DNL、ENOB等等。

另外模擬信號(hào)的接口方式、數(shù)據(jù)的接口方式、供電電壓、是否內(nèi)置參考電壓源、功耗、價(jià)格等都是我們?cè)诰唧w的項(xiàng)目中要綜合考慮的要素。