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AD模数转换
- by wittx 2022-06-24
1、信号为何要相互转换？
模拟信号容易受到干扰，难以存储和处理，保密性差，数字信号可以解决这些问题。
2、从模拟到数字的转换步骤
ADC的转换过程分为四步：抗混叠滤波、采样保持、量化、编码，后三步都是在芯片内部自动完成。
ADC转换过程 抗混叠滤波器
混叠效应：不同的信号频率在相同的采样频率下，可以得到相同的采样波形。
奈奎斯特采样定理：采样频率fs.max大于或等于有效信号的最大频率fmax的两倍，采样值就可以包含原始信号的所有信息，被采样的信号就可以不失真地还原成原始信息。
采样保持
在图片 ADC转换过程 的图片中，模拟电子开关S在采样脉冲CPs的控制下重复地开关，S接通时，Us(t)对 C 充电，为采样过程；S断开时，C上地电压保持不变，为保持过程。
量化和编码
量化：将幅度地模拟量转化为数字量。
编码：数字化编码电路转换成一组 N 位的二进制数输出。
分辨率（精度） LSB = FSR/2^N
采样率即转换速率
量化过程 分辨率和采样率都高，才能较好还原波形。分辨率高还原的波形电压分布平缓，采样率高还原的波形时间上平滑。采用精准的参考电压也是提高精度的方法之一。
参考电压
V = A/2^N * Vref
可选择ADC0804用来制作ADC模块学习ADC知识。
3、各种ADC的工作原理
3.1 计数器型ADC
计数型ADC组成原理 组成部分：比较器、计数器、DAC、控制器、锁存器
工作原理：计数器不断计数驱动DA生成不断增加的模拟量，这个模拟量再不断和输入电压做比较，一旦大于输入电压，则锁存和清零计数器，此时计数器的值就是输入电压的数字量，计数器清零后准备下一次转换。
特点：
计数器从零开始增加，被测电压越高，计数器花费时间越长；
DA的位数决定了ADC的位数，位数越多，一次采样时间越长；
每次采样后计数器清零。
3.2 跟踪型ADC
跟踪型ADC组成原理 组成部分：比较器、计数器、DAC、控制器、锁存器
工作原理：和计数器型ADC原理相似，减少了清零步骤，在计数器增加了向上和向下计数，这样就可以跟随输入电压的变化而改变计数器的值。
特点：
和计数器型ADC相比，提高了采样速度。
3.2 逐次逼近型ADC
逐次逼近型ADC组成原理 组成部分：采样保持电路、比较器、控制逻辑电路、 SAR寄存器、DAC
工作原理：模拟输入电压(VIN)由采样/保持电路保持。为实现二进制搜索算法，N位寄存器首先设置在中间刻度(即：100... .00，MSB设置为1)。这样，DAC输出(VDAC)被设为VREF/2，VREF是提供给ADC的基准电压。然后，比较判断VIN是小于还是大于VDAC。如果VIN大于VDAC，则比较器输出逻辑高电平或1，N位寄存器的MSB保持为1。相反，如果VIN小于VDAC，则比较器输出逻辑低电平，N位寄存器的MSB清0。随后，SAR控制逻辑移至下一位，并将该位设置为高电平，进行下一次比较。这个过程一直持续到LSB。上述操作结束后，也就完成了转换，N位转换结果储存在寄存器内。
二分法逐次逼近 
SAR寄存器每次比较路径 特点：
采样速率低于5Msps,一般为8位至16位；
具有低功耗、小尺寸等特点,通过二进制搜索算法实现。
3.3 Flash型/并行ADC
Flash型ADC组成原理 组成部分：分压电阻、比较器、优先级编码器
工作原理：2^N个电阻串联，节点之间接入比较器的反相输入端，输入电压接入比较器的同相输入端，如果电阻节点的电压比输入电压大，比较器输出1，小则输出0，优先级编码器采集到2^N输入电平，输出N位数。
特点：
功耗大；
比较器和分压电阻的精度要求高；
采样速度非常快；
因为需要 2^N-1 个比较器，分辨率每提高一位，电路规模增大一倍，所以位数不能做多。
3.3 Half Flash ADC
组成部分：采样保持电路、减法器、Flash ADC、DAC、锁存器
工作原理：输入信号经过采样保持，先经过第一个Flash ADC进行粗采样，将高位MSB保存和送入DAC，DAC处理后将模拟电压与输入信号比较，输入信号减去DAC的模拟信号，差值为小于第一个Flash ADC一个单位的值，此时再将差值送入第二个Flash ADC转换后得到LSB，MSB加上LSB极为最终结果。第二个Flash ADC的参考电压为第一个Flash ADC的一个单位的电压值。
特点：
与Flash ADC相比，大大减少了比较器的数量；
但是转换速度更小了。
3.4 Pipelined ADC
Pipelined ADC组成原理 组成部分：采样保持电路、减法器、乘法器、Flash ADC、DAC、锁存器
工作原理：相当于多个Half Flash ADC级联，保存每一级的粗采样，再将差值乘ADC位数后作为下一级的模拟信号输入。
多个Half Flash ADC级联 特点：
精度相比于Half Flash ADC更高；
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