模拟转换器ADC的原理和一般步骤介绍

模拟转换器原理
模数转换器,即adc(analog to digital converter),是一个将模拟信号转换为数字信号的器件(电路),例如将温度、湿度、压力、位置(都是基于电阻,电容上面产生的电压信号)等信息转换为数字信号。但由于数字信号本身不具有实际意义,仅仅表示一个相对大小。因此所有adc转换过程中都需要一个参考模拟量(ref)作为转换的标准。
而对于sar adc,即逐次逼近型adc是一种直接adc。由于其采样速率中等,分辨率中等,且位数较多时使用元器件较少等原因(成本较低),所以被广泛应用于集成adc中。例如集成在各种arm内核的mcu中。
ad转换原理与步骤
a/d转换的作用是将时间、幅值连续的模拟信号转换为时间、幅值离散的数字信号。所以,a/d转换一般要经过采样、保持、量化及编码四个过程。
采样和保持(sampling and holding)
采样是指在时间上将模拟信号离散化,即是将时间上连续的信号转为一系列等时间间隔的信号离散序列。其中离散信号脉冲的幅度取决于输入模拟量。下图列举了一个模拟信号从采样到保持的过程。
采样需要满足香农定理: 采样频率大于模拟信号中最高频率成分的两倍时,采样值才能不失真的反映原来模拟信号。
量化和编码(quantizing and encoding)
量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值,把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。而编码则是按照一定的规律,把量化后的值用二进制数字表示。
下图列举了12bits adc fsr为3v时的量化到编码的过程
n:分辨率,用于对输入进行量化的位数
fsr: full-scale range,满量程
lsb: least significant bit,最低有效位
msb: most significant bit,最高有效位
分辨率
理论上,n位输出的adc能区分2^n个不同等级的模拟输入电压。如上图所示,能分辨的最小输入电压步长lsb = fsr / 2^n = 732uv。
量化误差
量化误差是由于量化过程引入的误差,通常是以输出误差的最大值形式标出。表示adc实际输出的数字量和理论输出数字量之间的误差。使用“四舍五入法”时,adc 转换器的量化误差是 ±½ lsb。
转换时间
转换时间是指adc从转换控制信号触发开始,到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。该时间受adc类型、adc时钟和外部输入阻抗等因素影响。

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