ADC原理分析

本文摘要（由ai生成）：

这篇文档介绍了 ADC（模数转换器）的分类和工作原理，包括逐次逼近型、Σ-Δ 型和流水线型三种类型。逐次逼近型 ADC 是常用的类型，通过采样保持、转换电路、量化电路和结果存储四部分实现电压信号的采集和转换。Σ-Δ 型 ADC 具有高分辨率和低噪声的特点，但采样速率相对较低。流水线型 ADC 具有高速和高带宽的特性，适用于高速场合。文档还介绍了 ADC 的性能参数，包括分辨率、速度、精度、线性度、噪声等。

最近做了几个电压采集的项目，用到了几款ADC，为了方便学习和更好地使用ADC，所以本文对ADC的分类和工作原理做一个详细介绍！！

主要介绍最常用的三类ADC：逐次逼近型（单片机自带的ADC均属于这类，STM32F1、F4等系列ADC模块、DSP28335自带的ADC模块）；Σ-Δ型ADC（例如TI的ADS1x系列的ADC芯片，这种芯片在工业控制中用的非常非常多，位数14/16/24位可供选择）；流水线（Pipelined）型ADC,具有非常高的采集和转换速率，与FPGA联合使用。

采集电压的系统框图如下图所示：

传感器输出的电压信号经过运放做预处理，然后送给ADC芯片（模块），因为ADC对输入电压有要求，若高于ADC最大输入电压会烧坏ADC芯片，所以运放对传感器或者外部电压进行按一定倍数放大或者缩小。一般不要超过ADC最大输入电压的三分之二，因为越接近最大值ADC测量误差越大。

本文以首先以最常用的逐次逼近的ADC内部结构来讲述的原理。

本电路主要由四部分组成：1.采样保持电路；2.转换电路；3.量化电路；4.结果存储结果结存器。

当S1开关闭合VIN会给电容充电（Csh），所以一旦打开S1时间太短，充电时间没有到达电容通电的时间常数，转换电路就去采集该电压，导致电压测不准。所以一定要设置采样时间到一个合理的值(要大于下图的时间常数)，一般至少7个ADC时钟，太少就会出现测量不准的情况。

量化电路就是一个DAC模块，将参考电压按照一定位数进行量化出许多的最小单元，然后把输入的电压跟量化后的电压逐次进行比较，然后得到一定的数值，也就是我们所要采集的ADC值。如下图所示：

假设我们的ADC是4位，满量程（FullScale Rang）电压是2V，最小分辨电压（LSB）=FSR/2^4=2/16=0.125V;这个单位对ADC来说非常重要，大家一定要记住，因为这个就是衡量ADC误差的单位。比如误差是几个LSB。

右上图就是对FSR进行了量化，理想状态下量化后纵坐标均匀地对应量化值（横坐标刻度），就是各个理想的梯子，现实中会有各种各样的误差（无法均匀对应）。我们下篇ADC参数中来说明。

输入进来的电压与量化后的小电压进行比较，如果输入VIN=1.5V，那么ADC模块会把经过逐次比较后的结果，1011放到结果寄存器中（N-Bit Regster）中，这样我们读出这个数字值，根据量化对应关系就可以计算出电压。这就是逐次比较（逼近）型的ADC工作原理。

注意：单片机中的多路ADC一定要让采用保持电路保持一定的时间，各个通道之间也要有几个ADC的时钟间隔。这样可以保证各个通道之间不相互干扰，采集的电压相对比较准确。当然硬件设计的过程中也要注意阻抗匹配问题，和参考电压稳定准确、PCB的布局布线的问题，因为 这些因素都会导致你的ADC采集电压的准确性。

SAR也就是逐次比较型ADC，可以看出它的分辨率比较高，位数有14-20位，量化后的线性度比较好、精度比较高，采样延时低，但是采样速率最快2-5M。单片机可以有12.5M、25M等，采样速度一高我们的信噪比就越高，采集的信号质量就越好。

Σ-Δ型ADC也是比较火热的一种ADC芯片，它的主要工作原理如下：

这种类型的ADC没有了采样保持电路，输入的信号经过高频信号的调制会变成方波信号（大学里的信号与系统和通信原理有讲哦！有兴趣的可以翻一翻，大学课程其实是有用的，只是我们不知道用在哪里而已），然后我们对高频信号进行降噪处理，也就是高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、陷波器等这些知识了。调制过程如下图所示：

上图就是具体的调制过程，量化噪声e(n)经过一个高通滤波器（HPF），输入有效信号VIN经过一个低通滤波器（LPF），后端再数字滤波器即低通滤波器去除掉噪声就行。

过处理后的数字信号解调处理，就会恢复出我们需要的真实信号了。将最终的结果放在我们的结果寄存器中，所以这种方法大大提高了我们信号的信噪比！！！但是也是由于加入滤波器（滤波器阶数越高幅频特性越好，但是也越耗时）、调制解调，导致我们采集的电压实时性不强！！！（相对其他两种ADC）

分辨率可以做很高，有的可以32位，噪声低，也就是信噪比高，信号质量比较好，数据稳定性可靠性高！典型的就是TI的ADS1X系列的ADC了。

流水线（Pipelined）型ADC是新型ADC，具有高速和高带宽的特性，但是位数低分辨率低，功耗比较大，主要用在高速场合与FPGA联合使用。

今天的知识点就分享到这里了，后面我们说一下ADC的性能参数！