模擬轉(zhuǎn)換器原理

模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即ADC(Analog to?Digital?Converter)，是一個將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的器件(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）等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。但由于數(shù)字信號本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個相對大小。因此所有ADC轉(zhuǎn)換過程中都需要一個參考模擬量（REF）作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)。

而對于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)換的作用是將時間、幅值連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間、幅值離散的數(shù)字信號。所以，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化及編碼四個過程。

采樣和保持(Sampling and Holding)

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

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

量化和編碼(Quantizing and Encoding)

量化是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(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時的量化到編碼的過程

n:分辨率，用于對輸入進(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個不同等級的模擬輸入電壓。如上圖所示，能分辨的最小輸入電壓步長LSB = FSR / 2^n = 732uV。

量化誤差

量化誤差是由于量化過程引入的誤差，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，ADC 轉(zhuǎn)換器的量化誤差是 ±? LSB。

轉(zhuǎn)換時間

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