1.ADC的定義

ADC即模擬數字轉換器（英語：Analog-to-digital converter）是用于將模擬形式的連續信號轉換為數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文章再說明。

流水線式ADC電路優缺點如下

優點：

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，再高比較器數量倍數增加，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

計算如下

根據運放虛短特性，A1兩端的VA1(+)=VA1(-)=GND

根據運放虛斷特性，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。可以看出一共比較8次才采集到輸入電壓。

流水線式ADC電路優缺點如下

優點：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。

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，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電路優缺點如下

優點：精度高，抗干擾能力強，可實現高分辨率的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