介紹

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字（用于計算機(jī)，如微控制器）。ADC具有特定的分辨率，以及正基準(zhǔn)電壓和負(fù)基準(zhǔn)電壓。例如，10位ADC將輸入電壓轉(zhuǎn)換為0-1023之間的數(shù)字（1023是可以用10位表示的最大數(shù)字）。

如果負(fù)基準(zhǔn)電壓為0V，正基準(zhǔn)電壓為5V，則ADC結(jié)果為0表示0V，ADC結(jié)果為1023表示5V。ADC結(jié)果為511意味著2.5V，依此類推。每個數(shù)值步長（分辨率）相當(dāng)于大約4.9mV （5V/1024）。

存在許多不同類型的ADC，在本文中，我們將研究逐次逼近[寄存器]或SAR ADC。SAR ADC是微控制器中最常見的類型，可為典型分辨率提供良好（相對較快）的轉(zhuǎn)換時間（低延遲）。

SAR ADC組成

（1）采樣保持電路

（2）DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）

（3）比較器

(驅(qū)動DAC的逐次逼近寄存器本身可以被看作是第四個組成部分）

采樣保持電路采集輸入電壓的樣本，然后在轉(zhuǎn)換完成時將其存儲（保持恒定和穩(wěn)定）。從概念上講，這只是一個開關(guān)和一個電容器;開關(guān)閉合，將電容充電至輸入電壓，然后再次開路，讓電容保持采樣電壓。

實際上，一些緩沖運(yùn)算放大器（參見我們的運(yùn)算放大器文章）用于防止電壓失真。

開關(guān)通過一個晶體管實現(xiàn)。

然后使用DAC和比較器執(zhí)行二分搜索算法以近似輸入值。

二分搜索算法

SAR ADC二分搜索的工作方式相同，使用DAC生成要搜索的數(shù)字集，并使用比較器將輸入值與當(dāng)前搜索位置進(jìn)行比較。

假設(shè)我們有一個4位ADC，分辨率為16步（值0-15），正基準(zhǔn)電壓為+5V（負(fù)基準(zhǔn)電壓為0V），輸入電壓為3.6V。

我們從逐次逼近寄存器中的二進(jìn)制值1000開始，也就是十進(jìn)制的8（剛剛超過一半）。

DAC的輸出電壓是2.67V（8/15 x 5V）。比較器檢查并發(fā)現(xiàn)3.6V的輸入電壓>2.67V，所以我們將第3位保留為1，并繼續(xù)到第2位，現(xiàn)在我們也將其設(shè)置為1（當(dāng)我們移動到下一個位時，我們總是將其設(shè)置為1）。

現(xiàn)在DAC的輸出是4V，所以比較器檢查并看到3.6V的輸入<4V，所以我們把位2設(shè)置為0，并移到位1，也設(shè)置為1。

現(xiàn)在DAC的輸出是3.33V，所以比較器檢查并看到3.6V的輸入>3.3V，所以我們將位1保留為1，并轉(zhuǎn)到位0，也將其設(shè)置為1。

DAC的輸出現(xiàn)在是3.67V，所以比較器檢查并看到3.6V的輸入<3.67V，所以我們把位0設(shè)置為0，現(xiàn)在轉(zhuǎn)換完成。

4位ADC上的3.6V輸入、正基準(zhǔn)電壓為+5V（負(fù)基準(zhǔn)電壓為0V）轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制值1010（十進(jìn)制10）。

換一種方式展示，這個過程如下所示：

下面是另一個例子，輸入電壓為1.10V：

請注意，二分搜索算法始終需要固定數(shù)量的步驟才能完成，這意味著運(yùn)行轉(zhuǎn)換始終需要相同的時間。

總結(jié)

SAR ADC是一種流行的模數(shù)轉(zhuǎn)換器類型，對于典型分辨率具有相對較快的轉(zhuǎn)換時間。由于這些ADC使用的二進(jìn)制搜索算法始終采用固定的步數(shù)，因此轉(zhuǎn)換時間是可預(yù)測的。

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