模擬轉(zhuǎn)換器原理

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即ADC(Analog to?Digital?Converter)，是一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的器件(電路)，例如將溫度、濕度、壓力、位置（都是基于電阻，電容上面產(chǎn)生的電壓信號(hào)）等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。但由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。因此所有ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程中都需要一個(gè)參考模擬量（REF）作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)。

而對(duì)于SAR ADC，即逐次逼近型ADC是一種直接ADC。由于其采樣速率中等，分辨率中等，且位數(shù)較多時(shí)使用元器件較少等原因（成本較低），所以被廣泛應(yīng)用于集成ADC中。例如集成在各種ARM內(nèi)核的MCU中。

AD轉(zhuǎn)換原理與步驟

A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時(shí)間、幅值連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間、幅值離散的數(shù)字信號(hào)。所以，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化及編碼四個(gè)過(guò)程。

采樣和保持(Sampling and Holding)

采樣是指在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化，即是將時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)為一系列等時(shí)間間隔的信號(hào)離散序列。其中離散信號(hào)脈沖的幅度取決于輸入模擬量。下圖列舉了一個(gè)模擬信號(hào)從采樣到保持的過(guò)程。

采樣需要滿足香農(nóng)定理: 采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率成分的兩倍時(shí)，采樣值才能不失真的反映原來(lái)模擬信號(hào)。

量化和編碼(Quantizing and Encoding)

量化是用有限個(gè)幅度值近似原來(lái)連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。而編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進(jìn)制數(shù)字表示。

下圖列舉了12bits ADC FSR為3V時(shí)的量化到編碼的過(guò)程

n:分辨率，用于對(duì)輸入進(jìn)行量化的位數(shù)
FSR: Full-Scale Range，滿量程
LSB: Least Significant Bit，最低有效位
MSB: Most Significant Bit，最高有效位

分辨率

理論上，n位輸出的ADC能區(qū)分2^n個(gè)不同等級(jí)的模擬輸入電壓。如上圖所示，能分辨的最小輸入電壓步長(zhǎng)LSB = FSR / 2^n = 732uV。

量化誤差

量化誤差是由于量化過(guò)程引入的誤差，通常是以輸出誤差的最大值形式標(biāo)出。表示ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論輸出數(shù)字量之間的誤差。使用“四舍五入法”時(shí)，ADC 轉(zhuǎn)換器的量化誤差是 ±? LSB。

轉(zhuǎn)換時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間是指ADC從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)觸發(fā)開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。該時(shí)間受ADC類型、ADC時(shí)鐘和外部輸入阻抗等因素影響。