模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）是一種設(shè)備，可幫助我們從數(shù)字角度處理混亂的現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)。為了理解溫度、濕度、壓力、位置等現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)，我們需要傳感器，所有這些傳感器都會(huì)測(cè)量某些參數(shù)并以電壓和電流的形式向我們返回電信號(hào)。由于我們現(xiàn)在的大多數(shù)設(shè)備都是數(shù)字的，因此有必要將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這就是 ADC 的用武之地，盡管有許多不同類(lèi)型的 ADC，但在本文中，我們將討論一種最常用的 ADC 類(lèi)型，即逐次逼近型 ADC。在早期的文章中，我們討論了在 Arduino 的幫助下建立 ADC 的基礎(chǔ)，如果您是電子產(chǎn)品新手并想了解更多關(guān)于 ADC 的信息，您可以檢查一下。

什么是逐次逼近型 ADC？

逐次逼近型 ADC是低成本中高分辨率應(yīng)用的首選 ADC，SAR ADC 的分辨率范圍為 8 - 18 位，采樣速度高達(dá)每秒 5 兆樣本 （Msps）。此外，它可以構(gòu)造成小尺寸和低功耗，這就是這種類(lèi)型的 ADC 用于便攜式電池供電儀器的原因。

顧名思義，這個(gè) ADC 應(yīng)用二進(jìn)制搜索算法來(lái)轉(zhuǎn)換值，這就是為什么內(nèi)部電路可能以幾兆赫茲運(yùn)行，但由于逐次逼近算法，實(shí)際采樣率要低得多。

逐次逼近型ADC的工作原理

封面圖片顯示了基本的逐次逼近 ADC 電路。但是為了更好地理解工作原理，我們將使用它的 4 位版本。下圖正好說(shuō)明了這一點(diǎn)。

如您所見(jiàn)，該 ADC 由一個(gè)比較器、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器和一個(gè)逐次逼近寄存器以及控制電路組成?，F(xiàn)在，每當(dāng)新的對(duì)話開(kāi)始時(shí)，采樣和保持電路就會(huì)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。并將該信號(hào)與 DAC 的特定輸出信號(hào)進(jìn)行比較。

現(xiàn)在假設(shè)采樣輸入信號(hào)為 5.8V。ADC 的參考電壓為 10V。轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，逐次逼近寄存器將最高有效位設(shè)置為 1，將所有其他位設(shè)置為零。這意味著該值變?yōu)?1， 0， 0， 0，這意味著對(duì)于 10V 參考電壓，DAC 將產(chǎn)生一個(gè) 5V 的值，它是參考電壓的一半。現(xiàn)在，該電壓將與輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較器的輸出，改變逐次逼近寄存器的輸出。下面的圖片將更清楚地說(shuō)明它。此外，您可以查看通用參考表以了解有關(guān) DAC 的更多詳細(xì)信息。以前我們已經(jīng)制作了許多關(guān)于ADC和DAC的項(xiàng)目，您可以查看這些項(xiàng)目以獲取更多信息。

這意味著如果 Vin 大于 DAC 的輸出，則最高有效位將保持不變，并將設(shè)置下一位以進(jìn)行新的比較。否則，如果輸入電壓小于 DAC 值，最高有效位將設(shè)置為零，下一位將設(shè)置為 1 以進(jìn)行新的比較。現(xiàn)在，如果您看到下圖，DAC 電壓為 5V，并且由于它小于輸入電壓，最高有效位之前的下一位將設(shè)置為 1，其他位將設(shè)置為零，此過(guò)程將一直持續(xù)到最接近輸入電壓的值達(dá)到。

這就是逐次逼近型 ADC 一次更改 1 位以確定輸入電壓并產(chǎn)生輸出值的方式。無(wú)論四次迭代中的值是多少，我們都將從輸入值中獲得輸出數(shù)字代碼。最后，四位逐次逼近型 ADC的所有可能組合列表如下所示。

逐次逼近型 ADC 的轉(zhuǎn)換時(shí)間、速度和分辨率

轉(zhuǎn)換時(shí)間：

一般來(lái)說(shuō)，我們可以說(shuō)對(duì)于一個(gè) N 位 ADC，它需要 N 個(gè)時(shí)鐘周期，這意味著這個(gè) ADC 的轉(zhuǎn)換時(shí)間將變?yōu)?-

Tc = N x Tclk

*Tc 是轉(zhuǎn)換時(shí)間的縮寫(xiě)。

與其他 ADC 不同的是，該 ADC 的轉(zhuǎn)換時(shí)間與輸入電壓無(wú)關(guān)。

由于我們使用的是 4 位 ADC，為了避免混疊效應(yīng)，我們需要在 4 個(gè)連續(xù)的時(shí)鐘脈沖之后進(jìn)行采樣。

轉(zhuǎn)換速度：

此類(lèi) ADC 的典型轉(zhuǎn)換速度約為每秒 2 - 5 兆次采樣 （MSPS），但很少能達(dá)到 10 （MSPS）。Linear Technologies的LTC2378就是一個(gè)例子。

解析度：

這種類(lèi)型的 ADC 的分辨率可以在 8 - 16 位左右，但有些類(lèi)型可以達(dá)到 20 位，例如 Analog Devices 的ADS8900B。

逐次逼近 ADC 的優(yōu)缺點(diǎn)

這種類(lèi)型的 ADC 與其他 ADC 相比具有許多優(yōu)勢(shì)。它具有高精度和低功耗，同時(shí)易于使用和低延遲時(shí)間。延遲時(shí)間是信號(hào)采集開(kāi)始的時(shí)間和數(shù)據(jù)可用于從 ADC 獲取的時(shí)間，通常此延遲時(shí)間以秒為單位定義。但也有一些數(shù)據(jù)表將此參數(shù)稱為轉(zhuǎn)換周期，在特定的 ADC 中，如果數(shù)據(jù)可在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)獲取，我們可以說(shuō)它具有一個(gè)會(huì)話周期延遲。如果數(shù)據(jù)在 N 個(gè)周期后可用，我們可以說(shuō)它有一個(gè)轉(zhuǎn)換周期的延遲。SAR ADC的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其設(shè)計(jì)復(fù)雜性和生產(chǎn)成本。

SAR ADC 的應(yīng)用

由于這是最常用的 ADC，它被用于許多應(yīng)用，例如可植入患者體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，使用這些類(lèi)型的 ADC 是因?yàn)樗牡墓β史浅Ｉ?。此外，許多智能手表和傳感器都使用這種類(lèi)型的 ADC。

綜上所述，我們可以說(shuō)這種 ADC 的主要優(yōu)點(diǎn)是低功耗、高分辨率、小尺寸和精度。這種類(lèi)型的字符使其適用于集成系統(tǒng)。主要限制可能是其低采樣率以及構(gòu)建此 ADC 所需的部件，即 DAC 和比較器，這兩者都需要非常準(zhǔn)確地工作才能獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。