1、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。

2、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。

3、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)。

4、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

5、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。

6、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。

7、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。

8、STM32中的SAR ADC

STM32中的ADC是逐次逼近型ADC(Successive Approximation ADC)，是逐個(gè)產(chǎn)生比較電壓Vref，并逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的。而其中的用來(lái)產(chǎn)生Vref的電路就是DAC電路。 因此一般DAC電路比較容易設(shè)計(jì)，而DAC在采樣速度和精度的權(quán)衡上會(huì)比較復(fù)雜。

SAR ADC的轉(zhuǎn)換原理是把輸入的模擬信號(hào)按規(guī)定的時(shí)間間隔采樣（采樣），并與一系列標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)相比較，數(shù)字信號(hào)逐次收斂，直至兩種信號(hào)相等為止（量化完成），最后輸出代表此信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)（編碼）。

9、SAR ADC結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)上主要包括采樣保持電路(S/H)，比較器(COMPARATOR，COMP)，SAR邏輯控制電路、時(shí)鐘(CLOCK)和時(shí)序(TIMING)控制電路及DAC電路。

10、S/H電路

為了達(dá)到快速的采樣，被采樣的脈沖寬度一般是很短的，在下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前，要暫時(shí)保持所采得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)換。所以，在采樣電路之后和比較電路之間要加保持電路。它的原理是通過(guò)一個(gè)開關(guān)連接一個(gè)電容，通過(guò)給電容進(jìn)行充電來(lái)保持模擬信號(hào)的幅值信息。

11、DAC電路

大多SAR ADC的DAC都使用電容式DAC來(lái)提供內(nèi)在的跟蹤/保持功能。電容式DAC是采用電荷再分配原理來(lái)產(chǎn)生模擬輸出電壓的。電容式DAC由N個(gè)具有二進(jìn)制權(quán)重值的電容器陣列再加上一個(gè)“虛擬LSB”電容器組成。

首先通過(guò)Sa開關(guān)連接VIN，并將所有S1-S11的開關(guān)連接到VIN，給所有并聯(lián)的電容進(jìn)行充電，這樣就將所有電容充滿，并且充電電壓為VIN。

然后通過(guò)將Sa開關(guān)連接到Vref，并且通過(guò)數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)到S1-S11的開關(guān)上，也就是關(guān)閉一些電容的開關(guān)連接到GND上，斷開電容，對(duì)地放電。

此時(shí)對(duì)于Vref上的電壓就會(huì)根據(jù)斷開電容的容量使得輸出電壓降低，從而將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬信號(hào)。

• 電容器陣列容量總量要等于2C。

12、轉(zhuǎn)換步驟

轉(zhuǎn)換步驟數(shù)等于 ADC的分辨率，比如12bits ADC就有12個(gè)轉(zhuǎn)換步驟，每個(gè) ADC 時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)位。

13、采樣狀態(tài)

該狀態(tài)下，電容充電至電壓VIN。Sa切換至VIN，采樣期間Sb開關(guān)閉合。

14、保持狀態(tài)

該狀態(tài)下，輸入斷開，電容保持輸入電壓。Sb開關(guān)打開，然后S1-S11切換至接地，且Sa切換至VREF。

15、轉(zhuǎn)換(量化和編碼)狀態(tài)

該狀態(tài)下，每個(gè) ADCCLK 執(zhí)行一個(gè)步驟，每一步完成后 ADC 輸出一位數(shù)。采用二分法進(jìn)行逐次逼近到 ADC 的精度（位數(shù)）。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程如下圖所示。