一文详解ADC内部原理

一路上

一、什么是ADC？

ADC，Analog-to-Digital Converter 的缩写，指模/数转换器或者模数转换 器。是指将 连续变化的模拟信号 转换为 离散的数位讯号的器件 。真实世界的模拟 信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射 的数字形式，模/数转换器可以实现这个功能。

二、AD 转换的过程

1.抗混叠滤波(Anti-aliasing)，可以理解为一个低通滤波器
2.采样保持电路(Sample and hold)
3.量化 (Quantizer)
4.编码(Coder)

三、量化和编码

模拟信号通过ADC转换成数字信号的这一过程称为量化，由于量化输出的数字信号位数有限，所以输出的数字信号和你采样得到的模拟信号会有一个误差，被称为量化误差,对于一个N位ADC来说，假设其满量程电压为Vref，Vref被ADC分为2N个区间，区间宽度用LSB（last significant bit）表示LSB=Vref/2N。
例如：Vref=8V，ADC为3位，LSB=1，所以每个区间为1V，

000代表电压0≤V＜1
001代表电压1≤V＜2
010代表电压2≤V＜3
011代表电压3≤V＜4
100代表电压4≤V＜5
101代表电压5≤V＜6
110代表电压6≤V＜7
111代表电压7≤V＜8

此ADC的分辨率为1V

四、ADC 的分类

1.逐次比较型 ADC

基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是:初始化时将逐次逼近寄存器各位清零;转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 DIA 转换器，经 DIA 转换后生成的模拟星送入比较器，称为 Vo，与送入比较器的待转换的模拟量 V 进行比较，若 Vo<Vi，该位 1 被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为 1，将寄存器中新的数字量送 DIA 转换器，输出的 Vo 再与 V 比较，若 Vo<Vi，该位 1 被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。

简单说就是开启转换后，将逐次逼近寄存器各位清零（逐次逼近寄存器的位 数取决于 ADC 转换结果的精度），然后再将该寄存器从高到低依次置 1，每次置位完成后 D/A 转换器会将当前 逐次逼近寄存器 的值转换成对应大小模拟量，转换后的模拟量会和待转换的电压进行比较，如果转换后的模拟量大于待转换的电压则该位的值被保留，否则该位将置 0。随后进行低一位的置位、转换、比较过程，到最低位也比较完成。（ 逐次比较型 ADC 是先比较高电压 ）

2.双积分式 ADC

基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把时间间隔转换成数字量，属于间接转换。转换过程是:先将开关接通待转换的模拟量 V，Vi 采样输入到积分器，积分器从零开始固定时间 T 的正向积分，时间 T 到后，开关再接通与 V 极性相反的基准电压 Vref,将 Vref 输入到积分器进行反向积分，直到输出位 OV 时停止积分。Vi 越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是模拟电压 Vi 所对应的数字量，实现了 A/D 转换。

3.全并行/串并行 ADC

输出的接口如SPI或者并行的，差分或者单端输入的等。

五、ADC的参数

1. 分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与 2n 的 比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

2. 转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的 AD 转换所需的时间的倒数。 积分型 AD 的转换时间是毫秒级属低速 AD，逐次比较型 AD 是微秒级属中速 AD，全并行/ 串并行型 AD 可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保 证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将 转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是 ksps 和 Msps，表示每秒 采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。

3. 量化误差(Quantizing Error) 由于 AD 的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率 AD 的阶梯 状转移特性曲线与无限分辩率 AD（理想 AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。 通常是 1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为 1LSB、1/2LSB。

4. 偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

5. 满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

6. 微分非线性（Differential nonlinearity，DNL）ADC 相邻两刻度之间最大的差异。

7. 积分非线性（Integral nonlinearity，INL）表示了 ADC 器件在所有的数值点上对应的模拟值 和真实值之间误差最大的那一点的误差值，也就是输出数值偏离线性最大的距离。

8. 总谐波失真（Total Harmonic Distotortion 缩写 THD）

六、SAR ADC内部结构

常见的微控制器中内置的ADC使用SAR（逐次逼近）原则，分多步执行转换。转换步骤数等于ADC转换器中的位数。每个步骤均由ADC时钟驱动。每个ADC时钟从结果到输出产生一 位。ADC的内部设计基于切换电容技术。下面的图介绍了ADC的工作原理。下面的示例仅显示 了逼近的前面几步，但是该过程会持续到LSB为止 SAR切换电容ADC的基本原理（10位ADC示例）

带数字输出的ADC基本原理图

采样状态

采样状态：电容充电至电压 VIN 。 Sa 切换至 VIN ，采样期间 Sb 开关闭合。

保持状态

保持状态：输入断开，电容保持输入电压。 Sb 开关打开，然后 S1-S11 切换至接地且Sa切换至 VREF 。

逐次逼近

1、第一个逼近步骤。S1切换至VREF。VIN与VREF/2比较。

2、如果MSB = 0，则与?VREF进行比较，S1切换回接地。S2切换至VREF。

3、如果MSB = 1，则与?VREF进行比较，S1保持接地。S2切换至VREF。

重复如上步骤，直到LSB为止。

可以简单理解为二分法逐次进行输入电压与参考电压的比较。首次于VREF/2比较，下次比较根据上次比较结果决定，如果MSB=1则与?VREF比较。如果MSB=0则与?VREF比较。后面决定与1/8VREF 3/8VREF、 5/8VREF、7/8VREF之一做比较。循环直到输出LSB为止。