近日，阿德諾半導體公司(ADI)深圳媒體培訓交流會第二季在深圳召開，ADI現場應用經理章新明(Eagle Zhang)、技術業務經理張松剛(Singer Zhang)分別主講了“高精度數據轉換器原理以及精確技術指標對系統的影響”和“數據轉換器在工業與儀器儀表領域的應用實例”兩個部分。

SAR ADC的結構、特性與重要指標

ADI技術專家章新明首先講解有關逐次逼近型ADC(SAR ADC)基礎知識，包括逐次逼近型模數轉換器的架構、算法、工作原理、逐次逼近型寄存器ADC的特點，以及轉換器的高級規格，包括ADC和DAC的重要直流規格、分辨率、增益誤差、失調誤差、微分非線性(DNL)、積分非線性(INL)等性能參數的概念和校正方法。

與Σ-Δ型ADC不同，SAR ADC是由一個比較器和DAC通過逐次比較邏輯構成，其轉換技術類似于利用一個天平將一個樣本與一系列重量經過校準的測試樣本進行比較，通過增減測試樣本，利用分辨率誤差最小并輕于樣本的測試樣本來估算樣本的重量。其工作過程是從最大值MSB開始，按順序地對每一位輸入信號(VIN)與內置高分辨率DAC輸出進行比較，經n次比較而輸出數字值。

逐次逼近型寄存器ADC的特點（優缺點）：1.逐次逼近型寄存器ADC結構簡單。它使用低壓CMOS (<3V)，支持低功耗工作；2.常用于商業/工業及相關應用。中等分辨率（12 至16 位）；中等速度（100 kHz 至1 MHz）；3.ADC線性度高度依賴于內部DAC的精度。如果內部DAC不是單調遞增，那么ADC本身就會存在失碼。

判斷ADC和DAC的性能，主要指標包括如下六個：分辨率、增益誤差、失調誤差、微分非線性(DNL)誤差、積分非線性(INL)誤差和失碼。增益誤差和失調誤差，類似于運算放大器誤差。失調誤差會引起輸入/輸出關系在水平方向發生偏移，而增益誤差會引起輸入/輸出關系發生旋轉偏移。失調誤差和增益誤差均可消除。

除了分辨率或精度問題，另外兩個重要的靜態性能還包括微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。DNL和INL是兩個重要的直流指標，其測量方法主要是快速傅里葉變換。ADC的交流指標包括：信噪比(SNR)/信納比(SINAD)、有效位數(ENOB)、全功率帶寬(FPBW)、采樣時鐘抖動、高頻失真(THD)、交調失真(IMD)和無雜散動態范圍(SFDR)。其中，信納比和無雜散動態范圍是最重要的兩個指標。

數據轉換器是信號處理必不可少的組成部分，在工業自動化領域，運動控制和過程控制都離不開數據轉換器。對于運動控制而言，電機運行的速度非常快，宜選用SAR ADC進行數據轉換；而對于慢速的過程控制，則通常選用Σ-Δ ADC來實現。對于電機控制，一般12位ADC就能滿足要求；對于電力系統智能電表的應用，則會用到14位、16位的ADC(電表動態范圍為4000:1(0.01Ib~40Ib)時，12位精度是要求的底線)。

ADI轉換器在工業領域中的主要應用

技術業務經理張松剛主講ADI數據轉換器在工業與儀器儀表領域的應用實例。在ADI 2011財年的30億美元營收中，有超過三分之一是來自工業領域，遠超其他終端市場，其余依次是通信、消費電子、汽車以及健康醫療領域。ADI產品線按照規模依次是轉換器、放大器/RF、信號處理和MEMS、DSP、電源管理六大類，貫穿整個信號鏈，其方案包括參考設計、SiP和SOC產品。

而在市場份額方面，在全球范圍內，ADI的數據轉換器市場份額高達49%，比其他幾家主要競爭對手的總份額加起來還要多。張松剛介紹說，ADI的工業和儀器儀表部門涵蓋的領域非常廣，包括過程控制、電機控制、安防、儀器儀表、能源管理、樓宇技術、自動化測試設備、軍工、航天等等。其中，工業自動化（過程、電機、安防和建筑）、儀器儀表（分析、特殊類）和能源（電力輸配、新能源、電表等）是ADI的三大主要市場。

張松剛闡述了過程控制、電網、儀器儀表、能源管理等領域的行業發展趨勢，以及ADI產品為應對行業新趨勢所帶來挑戰的應對之道。張松剛表示，憑借高性能高可靠的集成解決方案，ADI在眾多工業領域有著大量的成功案例。比如，在中國的配輸電領域，ADI最先推出的AD7755計量芯片也是中國最早的智能電表的計量芯片，是目前唯一一顆單顆賣到2億顆的產品。現在，ADI已經在覆蓋全程高中低壓，著重于輸配電領域。

從最早的AD7865到現在的AD7656、AD7606的，實際上反映了不同電力系統的拓撲結構不同的要求。四種拓撲結構的ADI產品在成本、噪聲特性、和效率上都有不同的優缺點。

四種電力系統拓撲結構和ADI產品

關于智能電網未來趨勢，張松剛表示，通訊是未來智能電表的發展方向。而在通訊方式上，不同地區會有不同選擇，日本、澳大利亞和美國關注的是RF無線，中國則更關注電力線載波，選擇何種技術主要取決于當地的住宅、樓宇等環境特性。ADI的RF電表方案在美國加州已經得到普遍應用，在中國，由于競爭比較激烈，所以ADI的PLC方案主要還是集中在幾家大的電表公司采用。

在新能源領域，太陽能逆變器的轉換技術是ADI的關注點。在智能電網的應用中，對110KV以上的輸電網應用而言，目前基本精度要求是12位轉換器，對于三相電網而言，要求16位多通道同步采樣轉換器。如ADI的AD7606就是16位8通道同步采樣轉換器，滿足高精度、多通道和高速轉換的要求。而對于66KV以下的配網而言，原先對轉換器的要求并不高，隨著配送系統的復雜度的增加，現在則越來越向輸電網要求看齊。