飞凌嵌入式-ELFBOARD ADC基础知识

eefocus_3945399

在现实世界中，常见的信号大都是模拟量，像温度、声音、气压等，但在信号的处理与传输中，为了减少噪声的干扰，较多使用的是数字量。因此我们经常会将现实中的模拟信号，通过 ADC 转换为数字信号进行运算、传输、储存，再通过 DAC 转换为模拟信号，呈现出来。

但要注意的是，现实中的模拟量连续的，意味着它有无限的分辨率，但转换为数字量之后，将会丢失一定的精度，在时间和幅度上都会变成离散的值。

ADC 基本原理

ADC（Analog-to-Digital Converter）指模拟 / 数字转换器，可将真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。

采样

因为输入的模拟信号是连续的，而将要输出的数字信号是离散的，所以只能进行瞬时采样，再将采样值转换为输出的数字量，再重新开始下一轮的采样。

为了能准确无误用信号Vs 表示出模拟输入信号 V1，至少需要满足采样定理，即采样频率 fs 在模拟输入信号最高频率分量 fi(max) 的 2 倍以上（通常会取 3~5 倍，但太高的频率需要更快的工作速度，需要综合成本考虑）：

只要满足了采样定理，即可用低通滤波器，将 Vs 还原为 V1。滤波器电压传输系数应在低于 fi(max) 时保持不变，在 fs−fi(max)前迅速下降为 0。

保持

保持电路能够采样结束后，让信号保持一段时间，使 ADC 有充分时间进行转换。一般采样脉冲频率越高、采样越密，采样值就越多，采样保持电路的输出信号就越接近输入信号的波形。采样 - 保持电路的基本形式如下：

采样 - 保持的基本步骤：

1. 当采样控制信号 VL 为高电平时，使 MOS 管 T 导通，V1 经过电阻 R1 和 MOS管 T，给电容 Ch 充电。

2. 若取 R1=RF，则充电结束后 V0=VC=−V1。

3. 当采样控制信号 VL 跌落回电平时，MOS 管 T 截止，电容 Ch 上的电压不会突变，所以 V0 也能保持一段时间，采样结果得以被记录下来。

量化

采样得到的数字量，必须为某个规定的最小数值单位的整数倍，这个转换过程称为量化，所取的最小数量单位称为量化单位 Δ。数字信号最低有效位 LSB 的 1 所代表的数量大小就等于 Δ。

因为模拟电压是连续的，不一定能被 Δ 整除，因此会出现量化误差。

量化级越细，量化误差就越小，所用二进制代码的位数就越多，电路也越复杂。

编码

将量化的结果用二进制（或其他进制）表示出来，称为编码。

ADC 常见类型
并联比较型（Flash）

并联比较型 ADC 又称 Flash ADC，属于直接 ADC，能将输入的模拟电压直接转换为输出的数字量，不需要经过中间变量转换。它由一系列电压比较器组成，每个比较器将输入信号与唯一的分压后的参考电压进行比较。比较器的输出连接编码器电路的输入，产生二进制的输出。

不仅在操作理论方面是最简单的，而且在速度方面也是最有效的 ADC 技术，仅受比较器和栅极传播延迟的限制。不幸的是，对于任何给定数量的输出位，它是最密集的组件

并联比较型 ADC 的转换速度是最快的，但缺点是需要使用很多电压比较器和大规模的代码转换电路（常见的并联比较型输出大都在 8 位以下）。

逐次逼近型

逐次逼近型（Successive Approximation）ADC 采用的是一种反馈比较型电路结构。由比较器、DAC、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等组成：

其原理是，设定一个数字量，通过 DAC 得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟电压信号从最高位开始顺序地相比较，如果两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。其过程像用天平去称量位置重量的物体，先加大砝码，再逐次添加或换用小砝码。

逐次逼近型 ADC 的优点是速度高，功耗低，在低分辨率（12 位）下具有性价比优势；缺点是转换速率一般，电路规模中等。

双积分型（V-T）

双积分型 ADC 是一种间接 ADC，它首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，随后在此时间宽度内，对固定频率的时钟进行脉冲计数，计数的值就是正比于模拟输入电压的数字信号。因此，也将这种 ADC 称为电压 - 时间变换型（V-T）ADC。

双积分型 ADC 由积分器、比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号源组成，如图：

双积分型 ADC 的优点是工作性能稳定（两次积分，排除 RC 参数差异）、抗干扰能力强（积分受噪声影响不大）；缺点是转换速率低（转换精度依赖于积分时间）。

Σ-Δ 型

Σ-Δ 调制型 ADC 的原理与上文的并联型与逐次逼近型 ADC 不同，它不是将采样信号的绝对值进行量化编码，而是将两次相邻采样值之差（增量）进行量化与编码的。其基本结构如下：

它由线性电压积分器、1 位输出量化器、1 位输入 DAC 和一个求和电路组成。经过量化器处理输出的数字信号 V0，经过 DAC 转换为模拟信号 VF，并负反馈至输入端的求和电路，与输入信号 V1 相减，得到差值 VD。积分器对 VD 作线性积分，输出电压 VINT 至量化器，由量化器量化为 1 位的数字量输出。由于采用 1 为输出的量化器，所以在连续工作的状态下，输出信号 V0 是由 0 和 1 组成的数据流。

Σ-Δ 调制型 ADC 的优点是可以容易地做到高分辨率测量；缺点是转换速率低、电路规模大。

电压 - 频率变换型（V-F）

电压 - 频率变换型（V-F）ADC 是一种间接 ADC。主要由 V-F 变换器（也称为压控振荡器 Voltage Controlled Oscillator，简称 VCO）、计数器及其时钟信号控制闸门、寄存器、单稳态触发器等几部分构成：

其原理是：

· 将输入的模拟电压信号转换为对应的频率信号。

· 在固定的时间内对频信号率计数。

· 计数结果正比于输入电压的幅值。

ADC 主要参数

· 分辨率：输出数字量变化一个相邻数值所需输入模拟电压的变化量，一般用二进制的位数表示，分辨率为 n 表示是满刻度 Fs 的 2 的 n 次方分之一。

· 量化误差：ADC 的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。要准确表示模拟量，ADC 的位数需要很大甚至无穷大，所以 ADC 器件都有量化误差。一个分辨率有限的 ADC 的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的 ADC 转化特性曲线之间的最大偏差就是量化误差。

· 转换速率：每秒进行转换的次数。

· 转换量程：ADC 所能测量的最大电压，一般等于参考电压，超过此电压有可能损毁 ADC。当信号较小时可以考虑降低参考电压来提高分辨率，改变参考电压后，对应的转换值也会改变，计算实际电压时需要将参考电压考虑进去，所以说一般参考电压都要做到很稳定且不带有高次谐波。

· 偏移误差：ADC 输入信号为 0 时，但 ADC 转换输出信号不为 0 的值。

· 满刻度误差：ADC 满刻度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

· 线性度：实际 ADC 的转移函数和理想直线的最大偏移。