硬件小课堂|聊聊ADC那些事

引言与说明

为了将生活中的温度、压力、光强、声音模拟信号送入数字设备进行处理，必须先将模拟信号转换为相对应的数字信号。能够将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件就为模数转换器(Analog-Digital Converter,ADC)。

图1. 生活中的一些模拟信号

一般ADC根据转换形式可以分为直接A/D转换和间接A/D转化，如表1所示。

转换形式	各类ADC	特点
直接A/D转换	并联比较型	转换速度快(ns级)、电路规模大、价格贵，应用于需快速反应的系统
	逐次逼近型	转换速度次之(级)、电路规模较小、价格适宜，可应用于大部分场合
间接A/D转换	双积分型(型)	转换速度低(ms级)、电路结构简单、抗干扰能力强、价格低廉，常用于低速系统

表1. 不同ADC的特性

如表1所示为各类ADC的特性。可以了解到逐次逼近型ADC (Successive Approximation ADC)相比与并联比较型虽然转换速度慢了点，但相较于其他ADC转换速度又快很多，且电路规模又小于并联比较型，是现在应用较为广泛的一种。下面将以SAR-ADC为例介绍工作原理和实际的工作电路

SAR-ADC的工作原理

图2. 逐次逼近型A/D转换器的电路结构图

如图2所示，SAR-ADC采用的是一种反馈比较型电路。基本思想：取一个数字量加到D/A转换器上，这样可以得出相对应的输出模拟电压，将这个模拟电压与输入的模拟电压进行比较，如果两者不等，则调整数字量，直到2者的模拟电压相同，最后确定的数字量就是相对应的输入模拟量。

实际的工作流程：

步骤1：先将寄存器清零

步骤2：转换控制信号  变为高电平开始转换，时钟CLK先将寄存器最高位置置1，使得寄存器输出1000…0000。这个数字量是DAC转换为相对应的模拟电压 ，并送入比较器和输入模拟量 进行比较。

步骤3：若，则表明数字量设置偏大，将1去掉；若 ,则说明数字量设置偏小，1需要保留，

循环步骤2和3，直到最低位比较完成，这时寄存器所保存的数码为模拟量对应的数字量。

3位SAR-ADC的实现电路

图3. 3位SAR-ADC的电路原理图

图3所示，一个简单3位SAR-ADC的电路原理图，是由比较器C、DAC转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑5个部分构成。

图4.3位SAR-ADC输出状态变化图

如图4所示，假设模拟输入的 对应的数字量110。初始化，控制逻辑电路为 。当一个CLK时钟信号来时的先置1，与进行比较，规则依据上节的工作原理，可以得110>000,则的1需要保留，后续的 和按此步骤操作即可。可以看出，3位的SAR-ADC需要5个CLK周期，如果是N位的，则需要N+2个CLK周期。

性能评价

一般使用转换精度(分辨率)和转换速度来评价ADC器件的性能。例如复旦微电子集团的推出的FM33LE0xx系列的MCU片上外设拥有12-bit SAR-ADC，采样率最高可达2Msps (支持可编程采样时间)，支持过采样硬件平均，在一定程度上提高分辨率，支持offset自校准，可提高精度。