ADC內部電路介紹

1.ADC的定義

ADC即模擬數(shù)字轉換器（英語：Analog-to-digital converter）是用于將模擬形式的連續(xù)信號轉換為數(shù)字形式的離散信號的一類設備。

2.ADC輸入的內部電路介紹

ADC主要有以下幾種采樣電路：流水線式ADC、逐次逼近型SAR ADC、積分型ADC、并行比較ADC、壓頻變換型ADC等多種

下面分別就典型的流水線式ADC、逐次逼近型SAR ADC、積分型ADC三種介紹

2.1.流水線式ADC電路結構以及介紹

下圖以分辨率為8位的ADC舉例

其中：

R為分壓電阻，取值都相等；

A1~A256為比較器，選擇輸入電壓小放大倍數(shù)高的運放較宜；

VCC為供電電壓，5V；

Vin為輸入電壓。

D1,D2為鉗位二極管，以硅管為例，在ADC端口可以嵌位到-0.7V~5.7V.

根據(jù)歐姆定律，各比較器負端輸入的電壓可由分壓可得

V（A1-）=VCC*1/256=0.02V

V（A2-）=VCC*2/256=0.04V

V（A3-）=VCC*3/256=0.06V

…

V（A254-）=VCC*254/256=4.96V

V（A255-）=VCC*255/256=4.98V

V（A255-）=VCC*256/256=5.00V

列表為

此時VIN與256個比較器V(A-)分別比較

1）如果VIN>V(A-)，比較器輸出Vo=高電平計入寄存器；

2）如果VIN

舉例

假設Vin=3.20V，那么Vin>V(A163-)=3.18V，那么比較器器1163輸出高電平，比較器164256輸出為低電平。再通過編碼器（256轉8）輸入給8路寄存器供軟件讀出。

關于編碼器、譯碼器、寄存器等工作原理后續(xù)文章再說明。

流水線式ADC電路優(yōu)缺點如下

優(yōu)點：

1）比較器同時比較，效率高以及速度快，可以用在快速ADC的端口上，如爆震傳感器ADC采集

缺點：

1）使用比較器多，8位ADC是256個比較器，16位就是65536個比較器，會導致功耗增大非常多。

2）分辨率較低，一般分辨率設為8位到12位，再高比較器數(shù)量倍數(shù)增加，如分辨率增加到32位ADC，那么需要接近43億個比較器。下表為分辨率與比較器數(shù)量關系

3）成本較高，原因是比較器多

2.2逐次逼近型SAR(successive approximation register) ADC

下圖以分辨率為8位的ADC舉例

其中

虛框內為DAC控制

D1~D7為控制器控制，打開時為VCC，關閉時為高阻態(tài)

計算如下

根據(jù)運放虛短特性，A1兩端的VA1(+)=VA1(-)=GND

根據(jù)運放虛斷特性，A1的負相端開路，那么可以簡化為下圖

計算如下

(Vo1-GND)/0.5R=(VCC-GND)/Rx

化簡為

Vo1=VCC*0.5R/Rx

那么可以通過控制D1~D7的導通來得到不同的Rx，進而得到不同的Vo1。

舉例

如僅有D1導通，那么Vo1=VCC*0.5R/128R=5/256=0.02V

如僅有D4導通，那么Vo1=VCC*0.5R/16R=5/32=0.16V

如僅有D7導通，那么Vo1=VCC*0.5R/2R=5/4=1.25V

如僅有D8導通，那么Vo1=VCC*0.5R/R=5/2=2.5V

根據(jù)計算可得出以下表格

逐次比較型SAR ADC是如何工作的呢？

假設VIN=3.25V，工作步驟如下

1）先僅打開D8，此時VA2(-)=Vo1=2.5V；

2）VIN(3.25V)=VA2(+)>VA2(-)=2.5V,此時Vo=高電平，寄存器記錄，軟件識別VIN的電壓是大于2.5V的。比較第1次

3）DAC再取2.5V~5V的中間值Vo1=3.75V,查表可知曉此時僅閉合D8和D7,此時VA2(-)=Vo1=3.75V

4）VIN(3.25V)=VA2(+)

5）DAC再取2.5V~3.75V中間值Vo1=3.125V,查表可知曉此時僅閉合D8和D6,此時VA2(-)=Vo1=3.13V

6）VIN(3.25V)=VA2(+)>VA2(-)=Vo1=3.125V, 此時Vo=高電平，寄存器記錄，軟件識別VIN的電壓是大于3.13V，小于3.75V的。比較第3次

7）DAC再取3.13V~3.75V中間值Vo1=3.44V,查表可知曉此時僅閉合D8、D6和D5,此時VA2(-)=Vo1=3.44V

8）VIN(3.25V)=VA2(+)

9）DAC再取3.13V~3.44V中間值Vo1=3.285V,查表可知曉此時僅閉合D8、D6和D4,此時VA2(-)=Vo1=3.28V

10） VIN(3.25V)=VA2(+)

11） DAC再取3.13V~3.28V中間值Vo1=3.205V,查表可知曉此時僅閉合D8、D6和D3,此時VA2(-)=Vo1=3.2V

12） VIN(3.25V)=VA2(+)>VA2(-)=Vo1=3.2V, 此時Vo=高電平，寄存器記錄，軟件識別VIN的電壓是大于3.2V，小于3.28V的。比較第6次

13） DAC再取3.2V~3.28V中間值Vo1=3.24V,查表可知曉此時僅閉合D8、D6、D3和D2此時VA2(-)=Vo1=3.24V

14） VIN(3.25V)=VA2(+)>VA2(-)=Vo1=3.24V, 此時Vo=高電平，寄存器記錄，軟件識別VIN的電壓是大于3.24V，小于3.28V的。比較第7次

15） DAC再取3.24V~3.28V中間值Vo1=3.26V,查表可知曉此時僅閉合D8、D6、D3、D2和D1此時VA2(-)=Vo1=3.26V

16） VIN(3.25V)=VA2(+)

17） 因為8位分辨率的SAR ADC識別區(qū)間在20mV,故只能判斷Vin在3.24~3.26V之間，軟件可取中間值3.25V.與真實的Vin很接近?？梢钥闯鲆还脖容^8次才采集到輸入電壓。

流水線式ADC電路優(yōu)缺點如下

優(yōu)點：只有DAC與比較器等主要器件，成本較低，功耗也較低，常用于一般ADC端口

缺點：采樣速率一般，需要比較多次才能得出電壓值

2.3積分型ADC

下圖以分辨率為8位的ADC舉例，那么每LSB的電壓為5V/256=0.01953V=19.53mV

假設R2=1000K,R3=1K，R1=50K,C1=0.22u

利用A2虛斷特性，VA2(+)=VCC*R3/(R2+R3)=0.004995V

利用A2虛短特性，VA2(-)=VA2(+)=0.004995V，那么VA3(+)=Vo2=VA2(-)=VA2(+)=0.004995V

其實A2就是電壓跟隨器，設計原因為與原始電壓隔離，抗干擾能力增強.

那么積分ADC是怎么工作的呢？

步驟如下

1）首先SW在1-2端閉合，將電容的電荷全部釋放，保持清零狀態(tài)。

2）SW在1-3端閉合，此時開始R1,C1開始積分

利用A1虛短特性：VA1(+)=VA1(-)=GND

利用A1虛斷特性

I=I(R1)=I(C)=VIN/R1

I=C*du(C1)/dt=VIN/R1

Vo1=((-1/(R1*C1))∫VINdt

因為VIN是固定值，是常數(shù)，故可化簡為Vo1=VIN*((-1/(R1 C1)) (T1-T0)

其中T0為定時起始時間為0，故再可化簡為Vo1=VIN*((-1/(R1*C1))*T1

3）從SW閉合1-3端開始定時器計時，

當VA3(+)>VA3(-),定時器計時結束時間為T1,我們取零界點Vo1=VA3(-)=0.004995V。

1. 004995V =VIN*(-1/(50000*0.22/1000000)*T1

T1=0.00544554 /VIN

VIN=0.00544554 /T1

4）可以列出VIN與T1之間的關系表

通過上表，通過定時器的時間T1可以查表得出輸入電壓VIN大小,并且區(qū)分度比較分開，可以識別。

舉例，如T=24.25us，那么VIN=2265.63mV。

積分式ADC電路優(yōu)缺點如下

優(yōu)點：精度高，抗干擾能力強，可實現(xiàn)高分辨率的ADC，如16位或16位以上

缺點：采樣速率慢，8位時的最快采樣周期2.8mS，如果位數(shù)增加的采樣周期增大明顯，如下表，同樣的ADC電路，最快采樣周期已經(jīng)到2.88s

綜上：積分式ADC大多應用于要求精度較高而轉換速度要求不高的儀器儀表