引言與說明

為了將生活中的溫度、壓力、光強(qiáng)、聲音模擬信號(hào)送入數(shù)字設(shè)備進(jìn)行處理，必須先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。能夠?qū)⑦B續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)的器件就為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-Digital Converter,ADC)。

圖1. 生活中的一些模擬信號(hào)

一般ADC根據(jù)轉(zhuǎn)換形式可以分為直接A/D轉(zhuǎn)換和間接A/D轉(zhuǎn)化，如表1所示。

表1. 不同ADC的特性

如表1所示為各類ADC的特性。可以了解到逐次逼近型ADC (Successive Approximation ADC)相比與并聯(lián)比較型雖然轉(zhuǎn)換速度慢了點(diǎn)，但相較于其他ADC轉(zhuǎn)換速度又快很多，且電路規(guī)模又小于并聯(lián)比較型，是現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛的一種。下面將以SAR-ADC為例介紹工作原理和實(shí)際的工作電路

SAR-ADC的工作原理

圖2. 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，SAR-ADC采用的是一種反饋比較型電路。基本思想：取一個(gè)數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，這樣可以得出相對(duì)應(yīng)的輸出模擬電壓，將這個(gè)模擬電壓與輸入的模擬電壓進(jìn)行比較，如果兩者不等，則調(diào)整數(shù)字量，直到2者的模擬電壓相同，最后確定的數(shù)字量就是相對(duì)應(yīng)的輸入模擬量。

實(shí)際的工作流程：

步驟1：先將寄存器清零

步驟2：轉(zhuǎn)換控制信號(hào)  變?yōu)楦唠娖介_始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘CLK先將寄存器最高位置置1，使得寄存器輸出1000…0000。這個(gè)數(shù)字量是DAC轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的模擬電壓 ，并送入比較器和輸入模擬量 進(jìn)行比較。

步驟3：若，則表明數(shù)字量設(shè)置偏大，將1去掉；若 ,則說明數(shù)字量設(shè)置偏小，1需要保留，

循環(huán)步驟2和3，直到最低位比較完成，這時(shí)寄存器所保存的數(shù)碼為模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

3位SAR-ADC的實(shí)現(xiàn)電路

圖3. 3位SAR-ADC的電路原理圖

圖3所示，一個(gè)簡單3位SAR-ADC的電路原理圖，是由比較器C、DAC轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘脈沖源和控制邏輯5個(gè)部分構(gòu)成。

圖4.3位SAR-ADC輸出狀態(tài)變化圖

如圖4所示，假設(shè)模擬輸入的 對(duì)應(yīng)的數(shù)字量110。初始化，控制邏輯電路為 。當(dāng)一個(gè)CLK時(shí)鐘信號(hào)來時(shí)的先置1，與進(jìn)行比較，規(guī)則依據(jù)上節(jié)的工作原理，可以得110>000,則的1需要保留，后續(xù)的 和按此步驟操作即可。可以看出，3位的SAR-ADC需要5個(gè)CLK周期，如果是N位的，則需要N+2個(gè)CLK周期。

性能評(píng)價(jià)

一般使用轉(zhuǎn)換精度(分辨率)和轉(zhuǎn)換速度來評(píng)價(jià)ADC器件的性能。例如復(fù)旦微電子集團(tuán)的推出的FM33LE0xx系列的MCU片上外設(shè)擁有12-bit SAR-ADC，采樣率最高可達(dá)2Msps (支持可編程采樣時(shí)間)，支持過采樣硬件平均，在一定程度上提高分辨率，支持offset自校準(zhǔn)，可提高精度。