混跡模擬領(lǐng)域，模擬工程師不懂模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)那怎么行?在電子領(lǐng)域中模擬技術(shù)是被公認(rèn)的最難的技術(shù)，眾多資深的模擬工程師無一不是從百上千次的實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)，不斷摸索。但是作為初級的模擬工程師呢?如何能夠快速的上手并在模擬技術(shù)領(lǐng)域快速的成長呢?本文針對模擬工程師的必備知識-模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行了知識整理與講解。

什么是ADC,ADC是什么意思

adc: Analog-to-Digital Converter的縮寫,意思是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。實(shí)現(xiàn)把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量的設(shè)備稱為?！獢?shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC

ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)

在ADC轉(zhuǎn)換器中，一般經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼這四個步驟來完成從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

(1)采樣與保持

(2)量化與編碼

?

數(shù)字信號最低有效位的1即1LSB所代表的數(shù)量就是這個最小數(shù)量單位，稱為量化單位，用Δ表示。

將采樣輸出電壓用最小單位的整數(shù)倍來表示，這個過程就叫量化。

將量化的結(jié)果用代碼表示出來的過程就稱為編碼。編碼輸出的結(jié)果就是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出。

A/D轉(zhuǎn)換電路方式

模—數(shù)轉(zhuǎn)換器根據(jù)其工作原理大致分為并行式和并/串式A/D、逐次逼近式、雙積分式和計(jì)數(shù)比較式A/D等幾種形式。

逐次逼近式A/D由電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器(SAR)和控制邏輯等組成。

?

ADC0808/0809

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IN0～I(xiàn)N7：模擬量輸入腳;

ADDA、ADDB、ADDC：通道地址輸入端。

CLOCK：時鐘輸入端。

ALE：地址鎖存允許端。

START：啟動脈沖輸入端。

EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端。

OE：允許輸出端。

D7～D0引腳：轉(zhuǎn)換所得8位數(shù)據(jù)在這8個管腳上輸出，D7是最高位，D0是最低位。

UCC：電源正極輸入端，接+5 V。

GND：地端，電源負(fù)極接至該端。

UREF(+)和UREF(-)：分別為基準(zhǔn)電壓UREF的高電平端和低電平端。

ADC的主要技術(shù)參數(shù)

(1)分辨率

A/D的分辨率是使A/D輸出數(shù)字量最低位變化1所對應(yīng)的輸入模擬電壓變化的大小值。分辨率也用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來表示，如8位A/D的分辨率就是8，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度也越高。

(2)量化誤差

用數(shù)字量近似表示模擬量的過程稱為量化。A/D轉(zhuǎn)換一般是按四舍五入原則進(jìn)行的，由此產(chǎn)生的誤差稱為量化誤差，量化誤差小于等于1LSB。

(3)精度

精度分為絕對精度和相對精度。

在一個A/D中，任何數(shù)碼所對應(yīng)的實(shí)際模擬電壓與其理想的電壓之差并不是一個常數(shù)，把差值中的最大值定義為該A/D的絕對精度;而相對精度則定義為這個最大差值與滿刻度模擬電壓的百分?jǐn)?shù)，或者用二進(jìn)制分?jǐn)?shù)來表示相對應(yīng)的數(shù)字量。

(4)轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換時間是完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，這是指從啟動A/D轉(zhuǎn)換器開始到獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)所需要的總時間。

ADC關(guān)鍵性能指標(biāo)及誤區(qū)

由于ADC產(chǎn)品相對于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和服務(wù)器需求小很多，用戶和集成商在選擇產(chǎn)品時對關(guān)鍵指標(biāo)的理解難免有一些誤區(qū)，加之部分主流廠商刻意引導(dǎo)，招標(biāo)規(guī)范往往有不少非關(guān)鍵指標(biāo)作被作為必須符合項(xiàng)。接下來就這些誤區(qū)和真正的關(guān)鍵指標(biāo)做一些探討。

誤區(qū)1： CPU數(shù)量和主頻。 目前大部分廠商采用了類似的通用CPU架構(gòu)，但還是可能采用不同廠家的CPU。即使是同一個廠家，也可能是不同系列。最關(guān)鍵的是CPU數(shù)量和主頻并不代表 性能，除非是同一個廠家的同一個軟件。同樣，完全相同的硬件配置，不同廠商的架構(gòu)和系統(tǒng)發(fā)揮出來的性能可能相差數(shù)倍，正如完全相同的幾個人在不同的管理環(huán) 境下發(fā)揮出來的貢獻(xiàn)差別會很大。并行計(jì)算處理不好，由于CPU間信開銷及鎖的問題，CPU數(shù)量增加并不意味性能增加。如果1個CPU可以跑出其它產(chǎn)品8個 cpu的性能，誰會選擇8個CPU的產(chǎn)品?成本，功耗，體積都會大很多。因此，CPU硬件配置并不代表性能。

誤區(qū)2： 內(nèi)存。 同樣與系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)。同樣與架構(gòu)有關(guān)，對于CPU獨(dú)享內(nèi)存的架構(gòu)，每個核即使只配置2G內(nèi)存，一個8核的產(chǎn)品就需要16G內(nèi)存，但每個核可訪問的內(nèi)存資源 只有2G。這樣的架構(gòu)一份數(shù)據(jù)需要復(fù)制多次并保存多份，使用效率很低，最終也會影響到性能。而共享內(nèi)存架構(gòu)的產(chǎn)品，每個核可以訪問所有內(nèi)存資源，數(shù)據(jù)也只 需要保存一份。如果是32位操作系統(tǒng)，共享內(nèi)存架構(gòu)4G內(nèi)存的實(shí)際效率就超過獨(dú)享內(nèi)存架構(gòu)的任意配置產(chǎn)品(目前A10之外的產(chǎn)品均為32位操作系統(tǒng)，獨(dú)享 內(nèi)存架構(gòu))。64位操作系統(tǒng)突破4G的限制，實(shí)際效率就會更高。因此，內(nèi)存不代表性能。如果一定要比較，需要比較每個核可訪問的內(nèi)存資源。

誤區(qū)3：端口數(shù)量。ADC產(chǎn)品不同于2/3層交換機(jī)，端口數(shù)量代表可連接更多設(shè)備。ADC產(chǎn)品部署環(huán)境一定會有2/3層交換機(jī)，服務(wù)器不需要直接連接到ADC產(chǎn)品。只要端口數(shù)量大于實(shí)際需要的吞吐量并有足夠端口與交換機(jī)連接即可。

誤區(qū)4：交換能力。 這個指標(biāo)也是沿用了交換機(jī)的指標(biāo)。交換機(jī)性能與交換矩陣芯片交換能力密切相關(guān)，與CPU關(guān)系不是很大。而ADC產(chǎn)品則不同，交換矩陣并不是必須部件，大多 產(chǎn)品采用通用CPU架構(gòu)使用PCIe總線擴(kuò)展接口，這部分已經(jīng)不是ADC產(chǎn)品的瓶頸所在。ADC性能基本取決于系統(tǒng)整體架構(gòu)下CPU發(fā)揮出來的效率。而且 大部分產(chǎn)品本身已經(jīng)是服務(wù)器的硬件架構(gòu)，應(yīng)該沒有人對服務(wù)器要求交換能力的指標(biāo)。

可以看出，誤區(qū)所在均為沿用了服務(wù)器或交換機(jī)的一些指標(biāo)，這些硬件配置并不代表ADC產(chǎn)品的真正性能，但一些廠商還是刻意利用這些指標(biāo)(尤其是CPU和內(nèi)存)來誤導(dǎo)客戶屏蔽競爭對手。ADC真正關(guān)鍵的性能指標(biāo)如下。

1. 4/7層吞吐量。由于需要CPU進(jìn)行復(fù)雜的4-7層處理，4/7層吞吐量交2/3層吞吐量要低很多，但這是ADC真正能處理的數(shù)據(jù)吞吐量。這也是2/3層 吞吐量對于ADC產(chǎn)品并不關(guān)鍵的原因。這個指標(biāo)的測試方式通常是發(fā)送盡可能多HTTP GET請求，服務(wù)器應(yīng)答較大HTTP對象(如512Kbytes或1MBytes，會分為若干數(shù)據(jù)包傳輸)，計(jì)算無失敗情況下線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。差異在 于不同儀表廠商或不同測試可能會不計(jì)算2/3層包頭或GET請求部分，由于這部分所占比例極小，影響不是很大。嚴(yán)格來說，橫向比較時應(yīng)該確定所取HTTP 對象大小及是否計(jì)算2/3層包頭部分。

2. 4層每秒新建連接速率(L4 CPS)。 衡量ADC產(chǎn)品每秒鐘可以處理多少個TCP新建連接。通常測試方法為發(fā)送盡可能多的HTTP GET請求，服務(wù)器應(yīng)答較小HTTP對象(如1Bytes，128Bytes，1KBytes)， ADC產(chǎn)品在中間只根據(jù)4層信息進(jìn)行復(fù)雜均衡。每個連接需要完整的3次握手建立過程，GET請求，和TCP關(guān)閉連接過程。這個指標(biāo)對于ADC產(chǎn)品應(yīng)付突發(fā) 大量連接非常重要。好比一個地鐵入口的通過率一樣，如果入口太小，客流突然增加時，如果客人無法進(jìn)入，業(yè)務(wù)自然會受到影響。比較該指標(biāo)時需要注意所取 HTTP對象大小。

3. 7層每秒新建連接速率(L7 CPS)。與4層新建連接速率類似，只是ADC產(chǎn)品在中間需要根據(jù)應(yīng)用層信息進(jìn)行服務(wù)器選擇(通常測試使用url交換)，而且每個TCP連接上只能傳輸1 個HTTP請求。使用7層處理對CPU效率要求更高。如同進(jìn)入地鐵時需要核查客人更多信息和安檢一樣，其通過率比正常通過率會有不同程度降低。A10產(chǎn)品 通?？梢宰龅?層新建連接速率的70-80%，而其它很多廠商只能做到30-40%。比較該指標(biāo)時同樣要注意HTTP對象大小和每個TCP連接傳輸?shù)恼埱?數(shù)。

4. 7層每秒交易速率(L7 RPS)。有些廠商使用L7 RPS作為L7 CPS來混淆誤導(dǎo)客戶，RPS測試會定義每個TCP連接可以傳輸多少個HTTP請求，通常會有10個請求/TCP連接，無限制請求連接/TCP連接幾種測 試數(shù)據(jù)。使用1個請求的L7 RPS值就是L7 CPS。差別在于每個連接傳送多個請求時的L7 RPS測試中，ADC可以省去大量TCP連接建立和關(guān)閉過程。比較該指標(biāo)時同樣要注意HTTP對象大小和每個TCP連接傳輸?shù)恼埱髷?shù)。

5. 并發(fā)會話數(shù)量。 如果新建連接速率代表了一個地鐵入口通過率，并發(fā)會話則代表了該地鐵線路上在車上的所有人數(shù)。如果內(nèi)部承運(yùn)能力不夠高，就會造成乘客擠壓過載最后癱瘓。并 發(fā)會話測試并不是簡單的在內(nèi)存中保存這些條目，實(shí)際測試中，必須在每個連接上定時傳送數(shù)據(jù)驗(yàn)證設(shè)備可以準(zhǔn)確查找已有會話并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。測試中還可能會細(xì)分4 層并發(fā)會話數(shù)量和7層并發(fā)會話數(shù)量，區(qū)別在于ADC基于不同信息建立會話和每個連接占用的會話條目不同。由于并發(fā)會話與內(nèi)存關(guān)系很大，32位系統(tǒng)的ADC 由于4G內(nèi)存限制都不可能做得很大，而64位系統(tǒng)的ADC就不會受到這個限制。

6. 防DDoS攻擊能力(syn/sec)。ADC產(chǎn)品的并發(fā)會話能力和新建連接速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于防火墻類產(chǎn)品，因此在ADC外部署防火墻會成為瓶頸。這就要求 ADC本身有足夠強(qiáng)大的防攻擊能力。目前大部分ADC產(chǎn)品均采用了Syn-cookie方式來防御DDoS攻擊，實(shí)際性能取決于各自的系統(tǒng)架構(gòu)和處理算 法。

值得一提的是，F(xiàn)5的7層新建速率與4層新建速率相比下降非常大，因此會有使用與其他廠商不同的一些數(shù)據(jù)來作為L7 CPS應(yīng)答的情況。F5 提供3個L7 CPS/RPS指標(biāo).

L7 Connection per Sec(1-1), 客戶側(cè)連接1 request/connection，服務(wù)器側(cè)連接1 request/connection。 通用L7 CPS定義。

L7 Requests per Sec (1-inf),客戶側(cè)連接1 request/connection，服務(wù)器側(cè)連接unlimited request/connection。 用戶通?？吹降腖7 CPS數(shù)據(jù)。

L7 Requests per Sec (inf-inf),客戶側(cè)連接unlimited request/connection，服務(wù)器側(cè)連接unlimited request/connection。

F5公開的測試報告明確描述其所有7層測試均啟用連接復(fù)用功能，因此測試報告中看到的都是“L7 Requests per Sec (1-inf)”。比較L7 CPS時時應(yīng)該注意使用其CPS(1-1)指標(biāo)。

其他SSL指標(biāo)、DNS QPS指標(biāo)、HTTP壓縮指標(biāo)對于使用該類應(yīng)用的用戶很重要，但不屬于通用關(guān)鍵指標(biāo)，就暫不逐一解釋了。
多種ADC的分析比較