一文解析逐次通近型寄存器ADC

　　模数转换器（ADC）将模拟电压转换成数字（用于计算机，如微控制器）。ADC具有特定的分辨率，以及正负基准电压。例如，10位ADC将输入电压转换为0-1023之间的数字（1023是可以用10位表示的最大数字）。如果负基准电压为0V，正基准电压为5V，则ADC结果0表示0V，ADC结果1023表示5V。511的ADC结果意味着2.5V，依此类推。每个数值步长（分辨率）相当于大约4.9毫伏（5V/1024）。

　　存在许多不同类型的ADC，本文将研究逐次逼近型［寄存器］或SAR ADC。SAR ADCs是微控制器中最常见的类型，对于典型分辨率，它具有良好的（相对较快的）转换时间（低延迟）。

　　SAR ADC剖析

　　SAR ADCs由3个元件组成：

　　采样保持电路。

　　数模转换器。

　　比较器。

　　（驱动DAC的逐次逼近型寄存器本身可以视为第四个元件）

　　采样保持电路对输入电压进行采样，然后在转换完成时将其存储（保持恒定和稳定）。从概念上讲，这只是一个开关和一个电容器；开关闭合，将电容充电至输入电压，然后再次打开，让电容保持采样电压。

　　实际上，一些缓冲运算放大器（参见我们的运算放大器文章）用于防止电压失真。

　　开关是通过晶体管实现的。

　　使用DAC和比较器，然后执行二分搜索法以逼近输入值。

　　二进位检索

　　二分搜索法是一种搜索算法，它通过不断将搜索域一分为二（二进制）并检查输入落在搜索域的哪一侧来缩小搜索结果。换句话说，该算法检查输入是大于还是小于搜索域中间的值。这可能最容易用一个例子来解释：

　　假设我们有一组数字，从最小到最大排序，我们需要将另一个数字插入到该组中，同时保持该组排序。计算机如何计算出在哪里插入数字？

　　将55插入以下集合，保持从最小到最大的顺序。

　　2、7、15、33、40、45、77、89

　　一种方法是简单地从集合的开头开始，一个接一个地检查每个数字，直到我们找到一个大于我们输入的数字（或者直到我们到达集合的结尾），然后在它之前插入数字。对于较小的数字集合，这种方法可能足够快，但是随着集合的大小增加（增加到成百上千个条目），搜索算法在大多数情况下会快得多。

　　使用二分搜索法算法，我们将搜索域分为2，然后检查我们的输入是否大于或小于中间的数字。没有确切的中间值，所以我们执行一个规则，规定我们使用正好在中间值右边的数字：

　　55 》 45，所以我们知道对于这个集合，这个数字正好落在45的右边。

　　对于一组8个号码，该过程将总是需要总共3个搜索步骤。

　　二分搜索法合成孔径雷达ADC

　　SAR ADC二分搜索法以同样的方式工作，使用DAC产生要搜索的一组数字，使用比较器将输入值与当前搜索位置进行比较。

　　假设我们有一个4位ADC，分辨率为16级（值0-15），正基准电压为+5V（负基准电压为0V），输入电压为3.6V。

　　我们从逐次逼近寄存器中的二进制值1000开始，它是十进制的8（刚好在一半以上）。

　　正基准电压为+5V（负基准电压为0V）的4位ADC上的3.6V输入转换为二进制值1010（十进制10）。

　　换句话说，这个过程如下所示：

　　下面是另一个例子，对于1.10V的输入电压：

　　请注意，二分搜索法算法总是需要固定数量的步骤来完成，这意味着它总是需要相同的时间来运行转换。

　　摘要

　　SAR ADCs是一种常见的模数转换器，在典型分辨率下具有相对较快的转换时间。由于这些ADC使用的二分搜索法算法总是需要固定的步骤数，因此转换时间是可以预测的。

　　审核编辑：黄飞