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圖解說明什么是Flash, SAR, Sigma-Delta型ADC

FPGA之家 ? 來源:TopSemic嵌入式 ? 作者:TopSemic ? 2021-06-01 10:51 ? 次閱讀

模數轉換模塊ADC是連接現實世界模擬量和數字量之間的橋梁,它的轉換精度經常可以決定一個產品的品質。現在單片機上一般都會集成ADC,我們如何根據自己的應用選擇恰當的產品呢?怎么實現高的性價比,讓產品在激烈的市場競爭中立于不敗之地呢?下面我們從常用的幾種ADC類型的特點,到使用中的注意事項,逐一探討一下。

ADC類型

常用的ADC基本上可以分為三種類型: Flash型,SAR型,Sigma-Delta型。下面我們來了解一下它們的工作原理與性能特點。單片機中最常采用的是SAR型,在一些高精度場合會用到Sigma-Delta型,而Flash型很少會集成在MCU內部,如果需要一般需要通過串行或并行總線外擴。

1.Flash型

這種ADC使用電阻分壓網絡,輸入的電壓會同時與分壓網絡中的多個參考電壓比較,比較器的輸出通過編碼器輸出2進制的數字輸出。這種ADC速度快,精度高,但缺點是隨著輸出位數的增加,它需要的分壓電阻和比較器成指數增長,體積和成本隨之迅速增加。

2.SAR逐次逼近型

SAR(Successive Approximation Register)型ADC仍然使用電壓比較的方法,它使用數字電路控制DAC輸出一個變化的電壓,并用此電壓和輸入電壓比較,經過多次比較逐漸使DAC輸出接近輸入電壓,從而得出數字輸出。

舉例如下:

假設ADC參考電壓為0-5V,輸入為3.2V。

壓控寄存器最高位置為1,其余位為0,DAC輸出參考電壓一半2.5V,輸入3.2 》 2.5,比較器輸出1,壓控寄存器最高位1保留。然后次高位置1,DAC輸出3.75V,此時3.2V 《 3.75V,比較器輸出0,壓控寄存器次高位置0。之后與3.125V比較得到1,與3.4375V比較得到0。

這樣如果是8位ADC,最后就得到數字輸出 10100011。SAR型ADC以較低的成本實現較高的轉換速度和分辨率,比較常用的可以達到1MHz的轉換速度和12-Bit的分辨率,得到了比較廣泛的應用。如果單片機手冊沒有特別注明,一般都是集成的這種類型的ADC。

e6bc0e66-c238-11eb-9e57-12bb97331649.jpg

3.Sigma Delta型

下圖為一個簡化的原理電路。左半部分為模擬調制電路,它的作用為根據輸入電壓的大小輸出位寬為1bit的比特流。右半部分為數字濾波和裁決器,根據比特流輸出數字轉換結果。

工作過程如下:輸入電壓減去DAC輸出后的差值經過積分器后和0V電壓比較,如果大于等于0V輸出1,否則輸出0。以一定的頻率控制比較器輸出形成比特流,控制DAC輸出電壓,1控制DAC輸出+Vref參考電壓,0控制DAC輸出-Vref參考電壓。當DAC在比較器輸出的比特流控制下高速切換時,類似于PWM在輸出端產生一個平均電壓。容易看出,全1的比特流對應的平均電壓為+Vref,全0的比特流對應的電壓為-Vref,如果1和0各占一半,那么對應的電壓是0V。

當平均電壓Vadc小于輸入Vin時,趨向于輸出更多的1來增大Vadc。當平均電壓Vadc大于Vin時,趨向于輸出0來減小Vadc。這樣一個合適的1,0比率的比特流會使Vadc最接近Vin,達到平衡狀態。后級的數字濾波和裁決器從1,0的比率就可以推斷出輸入電壓Vin的大小。

Sigma Delta原理動畫演示鏈接:

http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html

Sigma Delta型單片機可以達到很高的分辨率,但轉換速度慢很多。比較典型的如24-Bit,輸出速率幾十到幾百HZ。集成此類ADC的單片機一般用于計量,儀表等。如TIMSP430AFE253。

4.Pipeline型

這種類型的ADC,結合了Flash型和SAR型,先用分壓電阻比較法,快速判斷輸入電壓落入的范圍,然后用逐次逼近法在此范圍內取得精確的轉換結果。此類型ADC很少在單片機中采用。

參考資料

ADI: The Data Conversion Handbook

ADI: Sigma-Delta ADC Tutorial

編輯:jq

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原文標題:單片機外圍模塊漫談之一,圖解說明什么是Flash, SAR, Sigma-Delta型ADC

文章出處:【微信號:zhuyandz,微信公眾號:FPGA之家】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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