选择正确的模数转换器 (ADC)，什么是ADC

将模拟输入带入微处理器的常用方法是使用模数转换器 (ADC)。以下是选择此类零件并对其进行校准以满足您的需求的一些提示。

什么是模数转换器?

模数转换器 (ADC) 接受模拟输入 - 电压或电流 - 并将其转换为可由微处理器读取的数字值。

显示了一个简单的电压输入 ADC。这个假设部分有两个输入：参考和要测量的信号。它有一个输出，一个代表输入值的 8 位数字字。

参考电压是 ADC 可以转换的最大值。我们的示例 8 位 ADC 可以将值从 0V 转换为参考电压。该电压范围分为 256 个值或步长。步长的大小由下式给出：

电压/256

其中 V ref是参考电压。转换器的步长定义了转换器的分辨率。对于 5V 参考，步长为：

5V/256 = 0.0195V 或 19.5mV

我们的 8 位转换器将模拟输入表示为数字字。该字的最高有效位指示输入电压是否大于参考电压的一半(2.5V，使用 5V 参考电压)。每个后续位代表前一个位范围的一半。

.625 + .156 + .078 = .859 伏

ADC 的分辨率由参考输入和字宽决定。分辨率定义了 ADC 可以测量的最小电压变化。如前所述，分辨率与最小步长相同，可以通过将参考电压除以可能的转换值的数量来计算。

对于我们目前使用的示例，分辨率为 19.5mV。这意味着任何低于 19.5mV 的输入电压将导致输出 0。19.5mV 和 39mV 之间的输入电压将导致输出 1。在 39mV 和 58.6mV 之间，输出将为 2。

可以通过减少参考输入来提高分辨率。将其从 5V 更改为 2.5V 可得到 2.5/256 或 9.7mV 的分辨率。但是，现在可以测量的最大电压是 2.5V 而不是 5V。

在不减小范围的情况下提高分辨率的唯一方法是使用具有更多位的 ADC。一个 10 位 ADC 有 2个 10或 1,024 个可能的输出代码。所以分辨率为5V/1,024，即4.88mV;对于相同的参考，12 位 ADC 的分辨率为 1.22mV。

ADC的类型

ADC 有不同的速度，使用不同的接口，并提供不同程度的准确度。最常见的 ADC 类型是闪存、逐次逼近和 sigma-delta。

闪存 ADC(最快)

闪存 ADC 是可用的最快类型。闪存 ADC 使用比较器，每个电压阶跃一个，以及一串电阻器。一个 4 位 ADC 将有 16 个比较器，一个 8 位 ADC 将有 256 个比较器。所有比较器输出都连接到一个逻辑块，该逻辑块根据哪些比较器为低电平和哪些为高电平来确定输出。

Flash ADC的转换速度是比较器延迟和逻辑延迟的总和(逻辑延迟通常可以忽略不计)。闪存 ADC 速度非常快，但会占用大量 IC 空间。此外，由于需要比较器的数量，它们往往是耗电的，会消耗大量电流。一个 10 位闪存 ADC 可能消耗半安培。

闪存转换器的一种变体是半闪存，它使用内部数模转换器 (DAC) 和减法来减少内部比较器的数量。半闪存转换器比真正的闪存转换器慢，但比其他类型的 ADC 快。我们将它们归为闪存转换器类别。

逐次逼近转换器

逐次逼近转换器使用比较器和计数逻辑来执行转换。转换的第一步是查看输入是否大于参考电压的一半。如果是，则设置输出的最高有效位 (MSB)。然后从输入中减去该值，并检查结果是否为参考电压的四分之一。这个过程一直持续到所有的输出位都被设置或复位。逐次逼近型 ADC 需要与输出位一样多的时钟周期来执行转换。

Σ-Δ

sigma-delta ADC 使用 1 位 DAC、滤波和过采样来实现非常精确的转换。转换精度由输入参考和输入时钟速率控制。

sigma-delta 转换器的主要优点是高分辨率。闪存和逐次逼近型 ADC 使用梯形电阻器或电阻器串。这些问题是电阻器的精度直接影响转换结果的精度。尽管现代 ADC 使用非常精确的激光微调电阻网络，但电阻梯仍然存在一些不准确之处。sigma-delta 转换器没有梯形电阻器，而是采用大量样本来收敛于结果。

sigma-delta 转换器的主要缺点是速度。因为转换器通过对输入进行过采样来工作，所以转换需要很多时钟周期。对于给定的时钟速率，sigma-delta 转换器比其他转换器类型慢。或者，换句话说，对于给定的转换率，sigma-delta 转换器需要更快的时钟。

sigma-delta 转换器的另一个缺点是将占空比信息转换为数字输出字的数字滤波器的复杂性。sigma-delta 转换器已经变得更加普遍，它能够将数字滤波器或 DSP 添加到 IC 芯片中。