模拟转换器ADC的原理和一般步骤介绍

模拟转换器原理

模数转换器，即ADC(Analog to Digital Converter)，是一个将模拟信号转换为数字信号的器件(电路)，例如将温度、湿度、压力、位置（都是基于电阻，电容上面产生的电压信号）等信息转换为数字信号。但由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。因此所有ADC转换过程中都需要一个参考模拟量（REF）作为转换的标准。

而对于SAR ADC，即逐次逼近型ADC是一种直接ADC。由于其采样速率中等，分辨率中等，且位数较多时使用元器件较少等原因（成本较低），所以被广泛应用于集成ADC中。例如集成在各种ARM内核的MCU中。

AD转换原理与步骤

A/D转换的作用是将时间、幅值连续的模拟信号转换为时间、幅值离散的数字信号。所以，A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码四个过程。

采样和保持(Sampling and Holding)

采样是指在时间上将模拟信号离散化，即是将时间上连续的信号转为一系列等时间间隔的信号离散序列。其中离散信号脉冲的幅度取决于输入模拟量。下图列举了一个模拟信号从采样到保持的过程。

采样需要满足香农定理: 采样频率大于模拟信号中最高频率成分的两倍时，采样值才能不失真的反映原来模拟信号。

量化和编码(Quantizing and Encoding)

量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。而编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示。

下图列举了12bits ADC FSR为3V时的量化到编码的过程

n:分辨率，用于对输入进行量化的位数
FSR: Full-Scale Range，满量程
LSB: Least Significant Bit，最低有效位
MSB: Most Significant Bit，最高有效位

分辨率

理论上，n位输出的ADC能区分2^n个不同等级的模拟输入电压。如上图所示，能分辨的最小输入电压步长LSB = FSR / 2^n = 732uV。

量化误差

量化误差是由于量化过程引入的误差，通常是以输出误差的最大值形式标出。表示ADC实际输出的数字量和理论输出数字量之间的误差。使用“四舍五入法”时，ADC 转换器的量化误差是 ±½ LSB。

转换时间

转换时间是指ADC从转换控制信号触发开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。该时间受ADC类型、ADC时钟和外部输入阻抗等因素影响。