本章主要是進行ADC的基礎概念學習，從模擬和數字信號進行入手，分析各自的優缺點和應用場合，從而引出數模轉換的重要性。緊接著提到瞭ADC部分最重要的奈奎斯特采樣定理，瞭解采樣頻率和被測信號頻率之間的關系。最後介紹瞭ADC的采樣保持放大電路，作為ADC部分的輸入級，該電路對於采樣結果有著至關重要的影響。
一.模擬信號和數字信號
信號可以分成連續信號和離散信號。連續信號變化緩慢，沒有突變。離散信號可以隻有有限幾個值。連續和離散是指信號的幅度，也可以指信號的時間。可以說連續變化的信號就是模擬信號，離散變化的信號是數字信號。
模擬信號的優點在於
①電路簡單，可以直接通過電路元件進行實現，比如運算放大器。
②分辨率很高，由於是連續信號，理論上的分辨率為無窮大，跟容易模擬出自然現象，因為生活中大部分的信號都是連續信號。
模擬信號主要的缺點就在於抗噪聲能力比較弱，模擬信號不同的幅值代表完全不一樣的信息，很容易被幹擾。隨著距離越長，噪聲的影響越大。
數字信號的優點在於
①“抗噪聲能力強”
其實理論上並不是說抗噪聲的能力強，因為和模擬信號一樣同樣都是信號，收到噪聲影響一定會產生幹擾，隻不過數字信號相比模擬信號是在受幹擾的情況下能更好的還原成原來的信號，因為隻有0和1兩種電平，就算信噪比惡化到一定程度，也能大致識別出兩種電平狀態。
②便於儲存和交換
由於計算機系統是二進制，隻能處理數字信號，因此便於用計算機對數字信號進行存儲、處理和交換，可使通信網的管理、維護實現自動化、智能化
③可以用於加密
信息傳輸的安全性和保密性越來越重要，數字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以話音信號為例，經過數字變換後的信號可用簡單的數字邏輯運算進行加密、解密處理。
二.數模轉換（ADC）原理
ADC全稱是Analog-to-Digital Converter模數轉換器，一般我們把模擬信號(Analog signal) 用A來進行簡寫，數字信號(digital signal) 用D來表示。
自然界絕大部分都是模擬信號，例如壓力或溫度的測量，為瞭方便儲存，處理和傳輸，我們會通過ADC把模擬信號轉化成數字形式給計算機處理。將模擬轉換成數字的形式有兩個步驟：采樣和量化。
采樣是指將模擬波形在時間域上進行切分，每個切片大小大致等於原來波形的值，這一過程往往會丟失一些信息。然而，數字系統的優點（去噪、數字儲存以及處理）遠遠大於丟失信息的不足。在采樣完成後，給每個時間片分配一個數字，這樣的一個過程稱為量化，量化生成的數字可以交由計算機進行處理。下圖解釋瞭采樣和量化的過程：
作為硬件工程師，日常用到ADC的需求其實很多，例如制作一個數字電源，單片機需要采樣電流電壓值來作為反饋，進行PID控制。大部分的嵌入式MCU都集成瞭ADC，位數有12位，16位不等。但是對於一些對於采樣精度還有速度要求比較高的場合，需要用到外置的高速ADC，其實他們大多本質上原理都是一樣的，後面會詳細講解不同架構的ADC。
三.奈奎斯特（Nyquist）采樣定理
隻要是提到ADC，一定需要掌握的基本知識就是Nyquist采樣定理，是硬件工程師的基本功，因為也是學習示波器需要瞭解的，示波器本質上就是通過ADC采集到外部信號，然後儲存起來，通過數字處理在屏幕上進行重現。
在A/D轉換中，模擬波形在固定點采樣，然後將被采樣的值轉換成二進制數值。由於轉換需要花費一定的時間，因此在一定時間周期內，模擬信號的采樣數是有限的。比如說：某ADC在1ms內完成一次轉換，那麼在一秒鐘內它能進行1000次轉換。也就是說，在一秒鐘的間隔內，可以將1000個不同的模擬值轉換成數字形式，采樣頻率為1kHz。
Nyquist采樣定理解釋瞭采樣率fs和所測信號頻率之間的關系。 闡述瞭采樣率fs必須大於被測信號感興趣最高頻率分量的兩倍，該頻率通常被稱為奈奎斯特頻率fN。用公式顯示就是fs>2*fN。本文章不涉及到復雜的公式推導，我們用直觀的方式來理解采樣率為什麼需要大於被測信號最高頻率兩倍這個原因。
1.假設采樣率fs=fN
如下圖所示，因為采樣率和被測信號頻率一致，我們可以理解為周期是一致的，那就是相當於一個正弦波信號一個周期內隻能采樣到1個點。那麼對於一個周期函數而言，每個周期內采樣的都是同一個位置的點，最後ADC采樣完成並重建出來的信號波形就是不變的一條直線，明顯得不到我們想要的結果。
2.假設采樣率fs=（4/3）* fN
那麼我們稍微提高一點采樣率，變為4/3倍，可以發現在不同周期內，有的時候可以采樣到1個點，有的時候可以采樣到2個點，但是最後重建出來的線條還是失真嚴重，因此也不滿足。
3.假設采樣率fs=2fN
當我們采樣率達到2倍信號頻率的時候，假如說我們運氣比較好正好第一個采樣點就在正弦波的波峰或者波谷，那麼在被測信號的每個周期內，正好可以分別采樣到幅度最大和最小的兩個點，最後把所有的點線性連接起來後可以得到三角波，經過適當地函數處理可以恢復成原來的正弦波。
但是我們也發現瞭問題，如果每個周期采樣的兩個點並不是位於波峰或者波谷的話，采樣過來的信號同樣會失真。因此2倍這個數字隻是理論值，也是可以通過數學推導推出來的，但是我們實際在使用的時候，比如說用100M帶寬的示波器去檢測信號，工程上面一般是縮小5倍，也就是最高能檢測20M的信號而不失真，一個周期內至少采樣被測信號5個點。
混疊的概念
那麼如果說采樣率沒有達到2倍的被測信號采樣頻率，會出現一種混疊的現象。也就是下圖所示的那樣，我們實際測量的信號是灰色的高頻信號，但是由於采樣率不夠高（一個周期內沒有采樣到2個點），出現瞭一種紅色的低頻信號，而這種信號是虛假的重建信號。因此當我們去用示波器測試高頻信號時，如果發現測出來的信號頻率反而很低，可以懷疑下是不是出現瞭混疊。
絕大多數信號都是能夠進行傅裡葉變換的，就意味著，不管一個信號多麼復雜，總可以分解為若幹個正（餘）弦信號的和，對應瞭信號的頻率分量。因此，Nyquist采樣定理隻需找到信號最大的頻率分量，再用2倍於最大頻率分量的采樣頻率對信號進行采樣，從理論上解決瞭，離散信號能夠重建出連續信號的問題。
四.采樣保持放大器（SHA）
這一篇針對於ADC入門，最後要介紹的是ADC的輸入部分的一個非常重要的結構—–采樣保持放大器（Sample-And-Hold Amplifier）。采樣放大器在某個時刻對模擬輸入電壓進行采樣，在獲取采樣之後，將采樣電壓保持一段時間。采樣保持過程將已采樣的模擬電壓在一段必要的時間長度內保持恒定，以便讓ADC將模擬電壓轉換成數字形式。
一個基本的SHA如下圖紅框所示，包括一個模擬開關、一個電容以及輸入輸出緩沖放大器。開始的時候模擬開關閉合，通過輸入緩沖放大器對模擬輸入電壓進行采樣，電容C存儲或保存已采樣電壓一段時間，輸出緩沖放大器提供一個高輸入阻抗來防止電容快速掉電。ADI要求輸出緩沖器的輸入阻抗足夠高，以便電容可以在保持時間內放電少於1LSB。
如下圖所示，一個相對狹窄的控制電壓脈沖閉合模擬開關，並使電容持續充電達到輸入電壓。然後開關斷開，由於通過運放輸入端的放電通路阻抗非常高而使電容將在較長一段時間內保持電壓值不變。ADI要求輸出緩沖器的輸入阻抗足夠高，以便電容可以在保持時間內放電少於1LSB。
或許采樣保持電路稱為采樣跟蹤保持電路更為合適，因為事實上該電路在采樣期間跟蹤輸入電壓。如下圖所示，當控制電壓為高電平時，輸出電壓跟隨輸入電壓；當控制電壓變成低電平時，輸出保持最後的電壓不變，直到下一次采樣開始。
性能指標
除瞭運算放大器那些基本指標外（如帶寬），采樣保持放大器有一些專門的特性
①孔徑時間
控制電壓從采樣電平轉換為保持電平之後，模擬開關完全打開所需的時間。孔徑時間會在有效采樣點處產生一定的延時。
②孔徑抖動
孔徑時間的不確定性
③采集時間
當控制電壓從保持電平轉到采樣電平時，器件達到最終值所需要的時間。
④跌落
在保持期間，由於電容漏電而產生的采樣值中的電壓變化。
⑤饋送
模擬開關打開後，輸出電壓中跟隨輸入信號變化的組成成分。從開關的輸入到輸出中存在的內在電容導致饋送的產生。
題外話
有些地方還提到瞭跟蹤保持放大器（T/H或THA）和采樣保持放大器（SHA）有細微差別，但是如果不是深入研究ADC芯片設計的話可以暫時認為都是用於ADC輸入端保持采樣電壓的。
下一篇將正式介紹ADC的各種關鍵參數，加油~
參考鏈接：奈奎斯特采樣定理（Nyquist） – MyCPlusPlus – 博客園
參考文獻：《模擬電子技術基礎》Thomas L.Floyd David M.Buchla著