這篇文章主要彌補上一篇關(guān)于ADC的不足，更加深入了解ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作原理，舉例常見的三種ADC，分別為Flash ADC&流水線ADC&逐次逼近型SAR ADC。
【物聯(lián)網(wǎng)】深入了解AD/DA轉(zhuǎn)換技術(shù)：模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換

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一、模擬信號和數(shù)字信號

• 模擬信號是一種連續(xù)變化的信號，它可以在一定范圍內(nèi)取任意數(shù)值。在電子設備中，模擬信號通常由電壓或電流的變化來表示。
  

• 數(shù)字信號是一種離散的信號，它只能取有限個數(shù)值。在數(shù)字設備中，通常使用二進制來表示數(shù)字信號，即用0和1來表示不同的狀態(tài)。

舉個例子：

假設從0V到8V，連續(xù)的過程就是模擬信號，如果每間隔1V識別一次電壓，對應的電壓值用二進制數(shù)表示，則對二進制數(shù)就是數(shù)字信號。

那我們要思考一個問題就是，一個連續(xù)變化的模擬信號是怎樣變成數(shù)字信號的呢？
這就要使用我們ADC中最重要的部分——ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

二、ADC轉(zhuǎn)換芯片

1、Flash ADC

Flash ADC（快閃式模數(shù)轉(zhuǎn)換器）是一種高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。Flash ADC的原理是基于比較器和編碼器的工作原理。

Flash ADC包含了一系列比較器，每個比較器都與一個參考電壓相關(guān)聯(lián)。當輸入的模擬信號通過比較器進行比較時，每個比較器都會產(chǎn)生一個數(shù)字輸出，表示輸入信號與參考電壓的大小關(guān)系。這些數(shù)字輸出經(jīng)過編碼器進行編碼，最終輸出一個二進制數(shù)字，表示輸入模擬信號的大小。

由于Flash ADC中的比較器數(shù)量很大，因此它可以實現(xiàn)非常高的轉(zhuǎn)換速度。然而，由于需要大量的比較器和編碼器，F(xiàn)lash ADC的成本和功耗較高，因此在實際應用中通常用于需要高速轉(zhuǎn)換的場合。

實現(xiàn)的細節(jié)：

同樣是使用上面0V到8V的例子，先將8V電壓接地，中間接上8個相同阻值的電阻，點一個點7/8電阻得到7V，下一個點6/8個電阻得到6V…以此類推，得出7個電位的電壓，然后在電阻間加上比較器，也就是1V電壓到反相端，另一端接上輸入信號，接入輸入比1V高，比較器輸出高電平1，相反，如果比1V小，就輸出低電平0，以此類推在所有的電阻間都加上比較器，將所有輸入引腳接在一起，假設輸入的是5.1V，下面的5個比較器輸出1，上面的比較器輸出0，得到的二進制數(shù)字就是0011111，同理假設是4.9V，輸出的二進制數(shù)字是0001111，按照這個規(guī)律得到每個區(qū)間的電壓對應的二進制數(shù)字。

理論上模擬信號有無盡的小數(shù)，與基準電壓不可能完全相等，所以并不會發(fā)生要沖裁的情況。

下一個環(huán)節(jié)就是加上D型鎖存器，將所有控制端拉到外面來控制，當控制端是1，那輸入端是多少，鎖存器就輸出相同的結(jié)果，這個過程會出現(xiàn)輕微震蕩，會出現(xiàn)輸出也跟著跳變，當控制端為0時，所有結(jié)果就會被鎖定，這時候不論前面怎么變，后面輸出都不會改變，所以可以把鎖存器的控制端:

1理解為讀取指令
0理解為鎖定指令

下一步將這些結(jié)果轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)

0-1V-----000
1-2V-----001
2-3V-----010
3-4V-----011
4-5V-----100
5-6V-----101
6-7V-----110
7-8V-----111

正好八種結(jié)果用3bit二進制數(shù)表示，那么這部分就是要用編碼器來完成。

上面使用的是3bit分辨率，所以只能識別1V的電壓，要想精度更高，就需要更多位

分辨率為4bit，精度為0.5V，16個比較器和觸發(fā)器
分辨率為10bit，精度為0.0078V，1023個比較器觸發(fā)器
分辨率到16bit，精度為0.00012V，65535個比較器和觸發(fā)器

所以Flash ADC的缺點就是精度越高，內(nèi)部元器件越多，內(nèi)部功耗和面積就會增大，要解決這個問題外面可以用流水線ADC。

2、流水線ADC

流水線ADC是一種高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。它的工作原理基于流水線結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)高速的并行轉(zhuǎn)換。

1. Sample and Hold（采樣保持）：首先，輸入的模擬信號會經(jīng)過采樣保持電路，這個電路會對模擬信號進行采樣并且在一定時間內(nèi)保持這個采樣值。

2. 分段轉(zhuǎn)換：流水線ADC將整個轉(zhuǎn)換過程分成了多個階段，每個階段都負責對輸入信號的一部分進行轉(zhuǎn)換。每個階段包含了一個比較器和一個數(shù)字編碼器。比較器會將輸入信號與參考電壓進行比較，然后輸出一個比較結(jié)果。數(shù)字編碼器會將比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。

3. Pipeline Stages（流水線階段）：每個階段的轉(zhuǎn)換結(jié)果會傳遞給下一個階段，這樣整個轉(zhuǎn)換過程被分成了多個階段，每個階段都可以并行地進行轉(zhuǎn)換。這樣可以大大提高轉(zhuǎn)換速度。

4. 數(shù)字輸出：最后，每個階段的數(shù)字輸出會被整合起來，形成最終的數(shù)字輸出。

舉例說明：

我們以4bit分辨率舉例，參考電壓為1V，0.5V為基準電壓，超過0.5V輸出1，低于0.5V輸出0；假設我們檢測0.7V，

• 第一層大于0.5V，所以應該輸出1；
• 然后將（0.7V-基準電壓0.5V）乘以2倍得到0.4V，這個時候第二層0.4V小于基準電壓0.5V，所以輸出0；
• 將上一層的0.4乘以2倍得到0.8V，所以第三層大于0.5V，輸出1；
• 然后將（0.8V-基準電壓）乘以2倍得到0.6V，所以第四層大于基準電壓0.5V，所以輸出的是1；

得到所有的的二進制數(shù)為1011，遵循的公式就是大于基準電壓0.5V就減去基準電壓再乘以二倍，小于基準電壓直接乘以二倍。

Flash ADC和流水線ADC相比，同樣是4bit，流水線只需要4個比較器，而普通Flash ADC需要16個比較器，功耗降低，體積變小，但是對制作工藝和電路要求高很多。

3、逐次逼近型SAR ADC

逐次逼近型SAR（Successive Approximation Register） ADC是一種常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。它的工作原理是通過逐步逼近的方式來確定模擬輸入信號的數(shù)字表示。

1. 采樣保持：首先，輸入的模擬信號會經(jīng)過采樣保持電路，這個電路會對模擬信號進行采樣并在一定時間內(nèi)保持這個采樣值。

2. DAC輸出：采樣保持后的模擬信號會被送入一個數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），DAC會將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并將這個數(shù)字信號送入逐次逼近邏輯電路。

3. 逐次逼近邏輯：逐次逼近邏輯會根據(jù)DAC輸出的數(shù)字信號逐步逼近輸入模擬信號的大小。它首先將DAC輸出的最高位設置為1，然后將這個數(shù)字與輸入模擬信號進行比較。如果DAC輸出的數(shù)字大于輸入模擬信號，逐次逼近邏輯將保持這個最高位為1，否則將其置為0。然后它會將次高位設置為1，再次進行比較。這個過程會一直持續(xù)下去，直到所有位都被確定。

4. 數(shù)字輸出：一旦逐次逼近邏輯確定了所有位的值，它就會產(chǎn)生一個完整的數(shù)字輸出，表示輸入模擬信號的大小。

舉例說明：

以5bit分辨率為例，也就是2的5次方32個區(qū)間，假設參考電壓為32mv，正好每個區(qū)間1mv，假設測量21.5mV，用32的一半16mV做比較，比它大首位輸出1，下一個用16-32mV的一半24mV做比較，比它小輸出0，再下一位用16-24mV的一半20mV作比較，比它大輸出1，同理得到最終結(jié)果為10101。

逐次逼近型SAR ADC的優(yōu)點是具有較高的分辨率和較低的功耗。它在許多應用中都有廣泛的應用，比如傳感器接口、音頻處理和通信系統(tǒng)等領域。然而，由于逐次逼近的特性，它的轉(zhuǎn)換速度通常比較慢，因此在一些需要高速轉(zhuǎn)換的應用中可能不適用。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-751882.html

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