圖解說(shuō)明什么是Flash, SAR, Sigma-Delta型ADC

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC是連接現(xiàn)實(shí)世界模擬量和數(shù)字量之間的橋梁，它的轉(zhuǎn)換精度經(jīng)?？梢詻Q定一個(gè)產(chǎn)品的品質(zhì)。現(xiàn)在單片機(jī)上一般都會(huì)集成ADC，我們?nèi)绾胃鶕?jù)自己的應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品呢？怎么實(shí)現(xiàn)高的性價(jià)比，讓產(chǎn)品在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地呢？下面我們從常用的幾種ADC類(lèi)型的特點(diǎn)，到使用中的注意事項(xiàng)，逐一探討一下。

ADC類(lèi)型

常用的ADC基本上可以分為三種類(lèi)型： Flash型，SAR型，Sigma-Delta型。下面我們來(lái)了解一下它們的工作原理與性能特點(diǎn)。單片機(jī)中最常采用的是SAR型，在一些高精度場(chǎng)合會(huì)用到Sigma-Delta型，而Flash型很少會(huì)集成在MCU內(nèi)部，如果需要一般需要通過(guò)串行或并行總線外擴(kuò)。

1.Flash型

這種ADC使用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，輸入的電壓會(huì)同時(shí)與分壓網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)參考電壓比較，比較器的輸出通過(guò)編碼器輸出2進(jìn)制的數(shù)字輸出。這種ADC速度快，精度高，但缺點(diǎn)是隨著輸出位數(shù)的增加，它需要的分壓電阻和比較器成指數(shù)增長(zhǎng)，體積和成本隨之迅速增加。

2.SAR逐次逼近型

SAR（Successive Approximation Register）型ADC仍然使用電壓比較的方法，它使用數(shù)字電路控制DAC輸出一個(gè)變化的電壓，并用此電壓和輸入電壓比較，經(jīng)過(guò)多次比較逐漸使DAC輸出接近輸入電壓，從而得出數(shù)字輸出。

舉例如下：

假設(shè)ADC參考電壓為0-5V，輸入為3.2V。

壓控寄存器最高位置為1，其余位為0，DAC輸出參考電壓一半2.5V，輸入3.2 》 2.5，比較器輸出1，壓控寄存器最高位1保留。然后次高位置1，DAC輸出3.75V，此時(shí)3.2V 《 3.75V，比較器輸出0，壓控寄存器次高位置0。之后與3.125V比較得到1，與3.4375V比較得到0。

這樣如果是8位ADC，最后就得到數(shù)字輸出 10100011。SAR型ADC以較低的成本實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換速度和分辨率，比較常用的可以達(dá)到1MHz的轉(zhuǎn)換速度和12-Bit的分辨率，得到了比較廣泛的應(yīng)用。如果單片機(jī)手冊(cè)沒(méi)有特別注明，一般都是集成的這種類(lèi)型的ADC。

3.Sigma Delta型

下圖為一個(gè)簡(jiǎn)化的原理電路。左半部分為模擬調(diào)制電路，它的作用為根據(jù)輸入電壓的大小輸出位寬為1bit的比特流。右半部分為數(shù)字濾波和裁決器，根據(jù)比特流輸出數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果。

工作過(guò)程如下：輸入電壓減去DAC輸出后的差值經(jīng)過(guò)積分器后和0V電壓比較，如果大于等于0V輸出1，否則輸出0。以一定的頻率控制比較器輸出形成比特流，控制DAC輸出電壓，1控制DAC輸出+Vref參考電壓，0控制DAC輸出-Vref參考電壓。當(dāng)DAC在比較器輸出的比特流控制下高速切換時(shí)，類(lèi)似于PWM在輸出端產(chǎn)生一個(gè)平均電壓。容易看出，全1的比特流對(duì)應(yīng)的平均電壓為+Vref，全0的比特流對(duì)應(yīng)的電壓為-Vref，如果1和0各占一半，那么對(duì)應(yīng)的電壓是0V。

當(dāng)平均電壓Vadc小于輸入Vin時(shí)，趨向于輸出更多的1來(lái)增大Vadc。當(dāng)平均電壓Vadc大于Vin時(shí)，趨向于輸出0來(lái)減小Vadc。這樣一個(gè)合適的1，0比率的比特流會(huì)使Vadc最接近Vin，達(dá)到平衡狀態(tài)。后級(jí)的數(shù)字濾波和裁決器從1，0的比率就可以推斷出輸入電壓Vin的大小。

Sigma Delta原理動(dòng)畫(huà)演示鏈接：

http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html

Sigma Delta型單片機(jī)可以達(dá)到很高的分辨率，但轉(zhuǎn)換速度慢很多。比較典型的如24-Bit，輸出速率幾十到幾百HZ。集成此類(lèi)ADC的單片機(jī)一般用于計(jì)量，儀表等。如TI的MSP430AFE253。

4.Pipeline型

這種類(lèi)型的ADC，結(jié)合了Flash型和SAR型，先用分壓電阻比較法，快速判斷輸入電壓落入的范圍，然后用逐次逼近法在此范圍內(nèi)取得精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。此類(lèi)型ADC很少在單片機(jī)中采用。

參考資料：

ADI： The Data Conversion Handbook

ADI： Sigma-Delta ADC Tutorial

編輯：jq