選擇正確的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，什么是ADC

將模擬輸入帶入微處理器的常用方法是使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。以下是選擇此類(lèi)零件并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)以滿足您的需求的一些提示。

什么是模數(shù)轉(zhuǎn)換器?

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 接受模擬輸入 - 電壓或電流 - 并將其轉(zhuǎn)換為可由微處理器讀取的數(shù)字值。

顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓輸入 ADC。這個(gè)假設(shè)部分有兩個(gè)輸入：參考和要測(cè)量的信號(hào)。它有一個(gè)輸出，一個(gè)代表輸入值的 8 位數(shù)字字。

參考電壓是 ADC 可以轉(zhuǎn)換的最大值。我們的示例 8 位 ADC 可以將值從 0V 轉(zhuǎn)換為參考電壓。該電壓范圍分為 256 個(gè)值或步長(zhǎng)。步長(zhǎng)的大小由下式給出：

電壓/256

其中 V ref是參考電壓。轉(zhuǎn)換器的步長(zhǎng)定義了轉(zhuǎn)換器的分辨率。對(duì)于 5V 參考，步長(zhǎng)為：

5V/256 = 0.0195V 或 19.5mV

我們的 8 位轉(zhuǎn)換器將模擬輸入表示為數(shù)字字。該字的最高有效位指示輸入電壓是否大于參考電壓的一半(2.5V，使用 5V 參考電壓)。每個(gè)后續(xù)位代表前一個(gè)位范圍的一半。

.625 + .156 + .078 = .859 伏

ADC 的分辨率由參考輸入和字寬決定。分辨率定義了 ADC 可以測(cè)量的最小電壓變化。如前所述，分辨率與最小步長(zhǎng)相同，可以通過(guò)將參考電壓除以可能的轉(zhuǎn)換值的數(shù)量來(lái)計(jì)算。

對(duì)于我們目前使用的示例，分辨率為 19.5mV。這意味著任何低于 19.5mV 的輸入電壓將導(dǎo)致輸出 0。19.5mV 和 39mV 之間的輸入電壓將導(dǎo)致輸出 1。在 39mV 和 58.6mV 之間，輸出將為 2。

可以通過(guò)減少參考輸入來(lái)提高分辨率。將其從 5V 更改為 2.5V 可得到 2.5/256 或 9.7mV 的分辨率。但是，現(xiàn)在可以測(cè)量的最大電壓是 2.5V 而不是 5V。

在不減小范圍的情況下提高分辨率的唯一方法是使用具有更多位的 ADC。一個(gè) 10 位 ADC 有 2個(gè) 10或 1,024 個(gè)可能的輸出代碼。所以分辨率為5V/1,024，即4.88mV;對(duì)于相同的參考，12 位 ADC 的分辨率為 1.22mV。

ADC的類(lèi)型

ADC 有不同的速度，使用不同的接口，并提供不同程度的準(zhǔn)確度。最常見(jiàn)的 ADC 類(lèi)型是閃存、逐次逼近和 sigma-delta。

閃存 ADC(最快)

閃存 ADC 是可用的最快類(lèi)型。閃存 ADC 使用比較器，每個(gè)電壓階躍一個(gè)，以及一串電阻器。一個(gè) 4 位 ADC 將有 16 個(gè)比較器，一個(gè) 8 位 ADC 將有 256 個(gè)比較器。所有比較器輸出都連接到一個(gè)邏輯塊，該邏輯塊根據(jù)哪些比較器為低電平和哪些為高電平來(lái)確定輸出。

Flash ADC的轉(zhuǎn)換速度是比較器延遲和邏輯延遲的總和(邏輯延遲通?？梢院雎圆挥?jì))。閃存 ADC 速度非?？欤珪?huì)占用大量 IC 空間。此外，由于需要比較器的數(shù)量，它們往往是耗電的，會(huì)消耗大量電流。一個(gè) 10 位閃存 ADC 可能消耗半安培。

閃存轉(zhuǎn)換器的一種變體是半閃存，它使用內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 和減法來(lái)減少內(nèi)部比較器的數(shù)量。半閃存轉(zhuǎn)換器比真正的閃存轉(zhuǎn)換器慢，但比其他類(lèi)型的 ADC 快。我們將它們歸為閃存轉(zhuǎn)換器類(lèi)別。

逐次逼近轉(zhuǎn)換器

逐次逼近轉(zhuǎn)換器使用比較器和計(jì)數(shù)邏輯來(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的第一步是查看輸入是否大于參考電壓的一半。如果是，則設(shè)置輸出的最高有效位 (MSB)。然后從輸入中減去該值，并檢查結(jié)果是否為參考電壓的四分之一。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到所有的輸出位都被設(shè)置或復(fù)位。逐次逼近型 ADC 需要與輸出位一樣多的時(shí)鐘周期來(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)換。

Σ-Δ

sigma-delta ADC 使用 1 位 DAC、濾波和過(guò)采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)非常精確的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換精度由輸入?yún)⒖己洼斎霑r(shí)鐘速率控制。

sigma-delta 轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)是高分辨率。閃存和逐次逼近型 ADC 使用梯形電阻器或電阻器串。這些問(wèn)題是電阻器的精度直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度。盡管現(xiàn)代 ADC 使用非常精確的激光微調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)，但電阻梯仍然存在一些不準(zhǔn)確之處。sigma-delta 轉(zhuǎn)換器沒(méi)有梯形電阻器，而是采用大量樣本來(lái)收斂于結(jié)果。

sigma-delta 轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是速度。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器通過(guò)對(duì)輸入進(jìn)行過(guò)采樣來(lái)工作，所以轉(zhuǎn)換需要很多時(shí)鐘周期。對(duì)于給定的時(shí)鐘速率，sigma-delta 轉(zhuǎn)換器比其他轉(zhuǎn)換器類(lèi)型慢?；蛘撸瑩Q句話說(shuō)，對(duì)于給定的轉(zhuǎn)換率，sigma-delta 轉(zhuǎn)換器需要更快的時(shí)鐘。

sigma-delta 轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)缺點(diǎn)是將占空比信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出字的數(shù)字濾波器的復(fù)雜性。sigma-delta 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)變得更加普遍，它能夠?qū)?shù)字濾波器或 DSP 添加到 IC 芯片中。