我們已經(jīng)討論了制造商購買正確的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的想法，分辨率是決定的重要組成部分。大多數(shù)應(yīng)用程序不需要 32 位精度；但高清音頻、測(cè)試儀器和數(shù)字縮放等應(yīng)用程序可以。想知道 32 位 ADC 的那些位是做什么的嗎？下面簡(jiǎn)要概述了制造商需要了解的有關(guān)使這些部件在系統(tǒng)中按預(yù)期工作的知識(shí)。

首先，讓我們看看精密 ADC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。閃存和流水線 ADC 架構(gòu)專注于速度，但在大約 16 位分辨率時(shí)會(huì)遇到限制。逐次逼近寄存器 （SAR） 以速度換取更好的分辨率。SAR 的工作原理是收斂 DAC，直到 A/D 輸入電平匹配。SAR ADC 通常擴(kuò)展到 24 位，少數(shù)推到 32 位，但它們往往會(huì)消耗功率。

其他一些架構(gòu)特性帶有 delta-sigma 部分。在轉(zhuǎn)換之前注意增益階段，以增加動(dòng)態(tài)范圍并保持低噪聲。此外，樣本之間的信號(hào)變化量必須保持較小。最小化增量的首選方法是大規(guī)模過采樣，比奈奎斯特速率高數(shù)百甚至數(shù)千倍。過濾和抽取使讀數(shù)恢復(fù)到所需的采樣率，但會(huì)增加較大的延遲。通常，減去過采樣延遲的輔助轉(zhuǎn)換通道會(huì)提供較低的分辨率，例如 22 位或 24 位。先進(jìn)的噪聲整形技術(shù)可以進(jìn)一步降低本底噪聲。

以下是過采樣和噪聲整形在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的工作原理。

即使在美好的一天，它也不是真正的 32 位

毫不奇怪，即使數(shù)據(jù)表說 32 位，這并不是一個(gè)得到多少位。平心而論，在大多數(shù)從 16 位及更高分辨率開始的轉(zhuǎn)換器中，動(dòng)態(tài)范圍和噪聲損失了幾位是一種現(xiàn)象。對(duì)于 32 位轉(zhuǎn)換器，理論動(dòng)態(tài)范圍約為 194 dB。沒有物理傳感器或模擬前端能提供這么多；實(shí)際設(shè)備以大約 130 dB 結(jié)束。噪音排在首位。正如之前的博客中所討論的，高斯噪聲可以通過過采樣和平均來消除，這通常內(nèi)置在 32 位 delta-sigma 部分中。

翻閱一些數(shù)據(jù)表可以看出，最先進(jìn)的 32 位 delta-sigma ADC 可以以個(gè)位數(shù)的采樣率提供多達(dá) 27 位，并帶有大量的過采樣和濾波。隨著采樣率的增加，有效位會(huì)下降一些，這可能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素。盡管如此，32 位部件可能比 24 位 ADC 在類似噪聲條件下可以提供的有效分辨率有所改進(jìn)。

真正的問題是，隨著 ADC 的分辨率提高，最終用戶的感知體驗(yàn)是否會(huì)更好。為了使更多位有用，必須端到端保留分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。例如，以 32 位數(shù)字化音頻并以低于該值的速度播放它就無法理解這一點(diǎn)。Rick Rubin 為貧血的 MP3 播放器和耳塞壓縮錄音范圍而發(fā)了財(cái)。只有發(fā)燒友才注意到聲音的差異。

然而，32 位隨之而來

我將在 MP3 格式上另辟蹊徑。假設(shè)一個(gè)人可以負(fù)擔(dān)得起 32 位 ADC，并且更有效的分辨率適合應(yīng)用中的體驗(yàn)。采樣后有 32 位進(jìn)行數(shù)字處理。帶有 Arm 或 RISC-V 內(nèi)核的快速 32 位微控制器現(xiàn)在很常見，這是一件好事。

對(duì)于在 32 位數(shù)據(jù)上運(yùn)行的任何算法，例如相關(guān)或估計(jì)濾波器，整數(shù)數(shù)學(xué)成為一個(gè)問題。定點(diǎn)溢出和削波會(huì)破壞有效分辨率并增加數(shù)字失真。浮點(diǎn)是要走的路，許多 32 位 MCU 都具有硬件浮點(diǎn)能力。不過要小心；具有 23 位尾數(shù)的單精度浮點(diǎn)可能仍會(huì)裁剪結(jié)果。雙精度 64 位浮點(diǎn)解決了這個(gè)問題。結(jié)合硬件中的 64 位內(nèi)存提取和 C 或 Python 中的高級(jí)數(shù)學(xué)庫支持，即使是復(fù)雜的算法也可以快速運(yùn)行。

許多 32 位 delta-sigma 轉(zhuǎn)換器可以運(yùn)行到音頻采樣率范圍。因?yàn)?delta-sigma 部件具有模擬內(nèi)存和大延遲，所以以更快的采樣率多路復(fù)用輸入會(huì)變得混亂。32 位 delta-sigma 部件的最佳應(yīng)用場(chǎng)景可能是非常低的采樣率和激進(jìn)的過采樣。還有一個(gè)論點(diǎn)是不是薄弱環(huán)節(jié)——數(shù)字化更多位可能有助于算法將許多樣本混合成更精確的結(jié)果。從 32 位 ADC 獲取這些位的增量成本可能值得關(guān)注細(xì)節(jié)。

在通用動(dòng)力公司從事導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)工作十年后，Don Dingee成為摩托羅拉 VMEbus 和單板計(jì)算機(jī)技術(shù)的傳道者。他為 Planet Analog 撰寫有關(guān)傳感器、ADC/DAC 和信號(hào)處理的文章。