ADC内部电路介绍

1.ADC的定义

ADC即模拟数字转换器（英语：Analog-to-digital converter）是用于将模拟形式的连续信号转换为数字形式的离散信号的一类设备。

2.ADC输入的内部电路介绍

ADC主要有以下几种采样电路：流水线式ADC、逐次逼近型SAR ADC、积分型ADC、并行比较ADC、压频变换型ADC等多种

下面分别就典型的流水线式ADC、逐次逼近型SAR ADC、积分型ADC三种介绍

2.1.流水线式ADC电路结构以及介绍

下图以分辨率为8位的ADC举例

其中：

R为分压电阻，取值都相等；

A1~A256为比较器，选择输入电压小放大倍数高的运放较宜；

VCC为供电电压，5V；

Vin为输入电压。

D1,D2为钳位二极管，以硅管为例，在ADC端口可以嵌位到-0.7V~5.7V.

根据欧姆定律，各比较器负端输入的电压可由分压可得

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

列表为

此时VIN与256个比较器V(A-)分别比较

1）如果VIN>V(A-)，比较器输出Vo=高电平计入寄存器；

2）如果VIN

举例

假设Vin=3.20V，那么Vin>V(A163-)=3.18V，那么比较器器1163输出高电平，比较器164256输出为低电平。再通过编码器（256转8）输入给8路寄存器供软件读出。

关于编码器、译码器、寄存器等工作原理后续文章再说明。

流水线式ADC电路优缺点如下

优点：

1）比较器同时比较，效率高以及速度快，可以用在快速ADC的端口上，如爆震传感器ADC采集

缺点：

1）使用比较器多，8位ADC是256个比较器，16位就是65536个比较器，会导致功耗增大非常多。

2）分辨率较低，一般分辨率设为8位到12位，再高比较器数量倍数增加，如分辨率增加到32位ADC，那么需要接近43亿个比较器。下表为分辨率与比较器数量关系

ADC分辨率	比较器数量
4位ADC	16
8位ADC	256
10位ADC	1024
12位ADC	4096
16位ADC	65536
32位ADC	4294967296

3）成本较高，原因是比较器多

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

下图以分辨率为8位的ADC举例

其中

虚框内为DAC控制

D1~D7为控制器控制，打开时为VCC，关闭时为高阻态

计算如下

根据运放虚短特性，A1两端的VA1(+)=VA1(-)=GND

根据运放虚断特性，A1的负相端开路，那么可以简化为下图

计算如下

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

化简为

Vo1=VCC*0.5R/Rx

那么可以通过控制D1~D7的导通来得到不同的Rx，进而得到不同的Vo1。

举例

如仅有D1导通，那么Vo1=VCC*0.5R/128R=5/256=0.02V

如仅有D4导通，那么Vo1=VCC*0.5R/16R=5/32=0.16V

如仅有D7导通，那么Vo1=VCC*0.5R/2R=5/4=1.25V

如仅有D8导通，那么Vo1=VCC*0.5R/R=5/2=2.5V

根据计算可得出以下表格

逐次比较型SAR ADC是如何工作的呢？

假设VIN=3.25V，工作步骤如下

1）先仅打开D8，此时VA2(-)=Vo1=2.5V；

2）VIN(3.25V)=VA2(+)>VA2(-)=2.5V,此时Vo=高电平，寄存器记录，软件识别VIN的电压是大于2.5V的。比较第1次

3）DAC再取2.5V~5V的中间值Vo1=3.75V,查表可知晓此时仅闭合D8和D7,此时VA2(-)=Vo1=3.75V

4）VIN(3.25V)=VA2(+)

5）DAC再取2.5V~3.75V中间值Vo1=3.125V,查表可知晓此时仅闭合D8和D6,此时VA2(-)=Vo1=3.13V

6）VIN(3.25V)=VA2(+)>VA2(-)=Vo1=3.125V, 此时Vo=高电平，寄存器记录，软件识别VIN的电压是大于3.13V，小于3.75V的。比较第3次

7）DAC再取3.13V~3.75V中间值Vo1=3.44V,查表可知晓此时仅闭合D8、D6和D5,此时VA2(-)=Vo1=3.44V

8）VIN(3.25V)=VA2(+)

9）DAC再取3.13V~3.44V中间值Vo1=3.285V,查表可知晓此时仅闭合D8、D6和D4,此时VA2(-)=Vo1=3.28V

10） VIN(3.25V)=VA2(+)

11） DAC再取3.13V~3.28V中间值Vo1=3.205V,查表可知晓此时仅闭合D8、D6和D3,此时VA2(-)=Vo1=3.2V

12） VIN(3.25V)=VA2(+)>VA2(-)=Vo1=3.2V, 此时Vo=高电平，寄存器记录，软件识别VIN的电压是大于3.2V，小于3.28V的。比较第6次

13） DAC再取3.2V~3.28V中间值Vo1=3.24V,查表可知晓此时仅闭合D8、D6、D3和D2此时VA2(-)=Vo1=3.24V

14） VIN(3.25V)=VA2(+)>VA2(-)=Vo1=3.24V, 此时Vo=高电平，寄存器记录，软件识别VIN的电压是大于3.24V，小于3.28V的。比较第7次

15） DAC再取3.24V~3.28V中间值Vo1=3.26V,查表可知晓此时仅闭合D8、D6、D3、D2和D1此时VA2(-)=Vo1=3.26V

16） VIN(3.25V)=VA2(+)

17） 因为8位分辨率的SAR ADC识别区间在20mV,故只能判断Vin在3.24~3.26V之间，软件可取中间值3.25V.与真实的Vin很接近。可以看出一共比较8次才采集到输入电压。

流水线式ADC电路优缺点如下

优点：只有DAC与比较器等主要器件，成本较低，功耗也较低，常用于一般ADC端口

缺点：采样速率一般，需要比较多次才能得出电压值

2.3积分型ADC

下图以分辨率为8位的ADC举例，那么每LSB的电压为5V/256=0.01953V=19.53mV

假设R2=1000K,R3=1K，R1=50K,C1=0.22u

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

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

其实A2就是电压跟随器，设计原因为与原始电压隔离，抗干扰能力增强.

那么积分ADC是怎么工作的呢？

步骤如下

1）首先SW在1-2端闭合，将电容的电荷全部释放，保持清零状态。

2）SW在1-3端闭合，此时开始R1,C1开始积分

利用A1虚短特性：VA1(+)=VA1(-)=GND

利用A1虚断特性

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

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

Vo1=((-1/(R1*C1))∫VINdt

因为VIN是固定值，是常数，故可化简为Vo1=VIN*((-1/(R1 C1)) (T1-T0)

其中T0为定时起始时间为0，故再可化简为Vo1=VIN*((-1/(R1*C1))*T1

3）从SW闭合1-3端开始定时器计时，

当VA3(+)>VA3(-),定时器计时结束时间为T1,我们取零界点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与T1之间的关系表

通过上表，通过定时器的时间T1可以查表得出输入电压VIN大小,并且区分度比较分开，可以识别。

举例，如T=24.25us，那么VIN=2265.63mV。

积分式ADC电路优缺点如下

优点：精度高，抗干扰能力强，可实现高分辨率的ADC，如16位或16位以上

缺点：采样速率慢，8位时的最快采样周期2.8mS，如果位数增加的采样周期增大明显，如下表，同样的ADC电路，最快采样周期已经到2.88s

综上：积分式ADC大多应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表

采样分辨率	T1(mS)	VIN(uV)
8	2.81	19531.25
10	11.25	4882.81
12	45.01	1220.70
16	720.18	76.29
18	2880.70	19.07