模数转换

wqs6050626 · 发表于 2016-11-7 21:22:46

模数转换的原理是什么样的？

K.O.Carnivist · 发表于 2016-11-7 21:22:47

本帖最后由 K.O.Carnivist 于 2016-11-10 15:29 编辑

（只是锻炼一下自己的总结表达能力，详细理论请看书）
常见的转换原理（以N=8位为例）：
【Flash】
利用255个比较器，把输入模拟量与256分度的每个数值做比较，就得到8位数字输出量了。
特点：转换时间是1；元件复杂度是N的几何级数，所以做高位数很难。
【SAR（逐次逼近）】
利用一个DAC和一个比较器。DAC先输出10000000，与输入量比较，如果输入量更大，那么输出数字量的最高位就确定是1了（反之最高位是0）；然后DAC再输出11000000与输入量比较，这样可以确定输出数字量的第二位；依此类推直到最低位……
特点：转换时间是N；元件复杂度差不多是N（主要是DAC），高位数的精度不容易保证。一般单片机内置ADC或者串行接口的ADC芯片是这种。
【Pipelined】
输入量用2位的Flash ADC转换，得到输出量的高2位，同时用2位DAC再把这2位结果转换成模拟量，与输入量相减得到误差。
把这个误差×4，然后再用2位的Flash ADC转换，得到输出量的接下来2位，以及用DAC和减法器得到误差，依此类推……
每一级可以不是2位（比如3位）。
特点：速度和元件复杂度应该介于Flash和SAR之间。一般高速ADC是这种。
【Sigma-Delta】
首先看这样一个结构：输入模拟量和一个模拟锯齿波比较，这样会产生一个PWM信号，其占空比正比于输入模拟量，这时如果用类似定时器捕获的方法得到占空比就可以得到数字输出量，这样就做成了一个“PWM ADC”。
但PWM有个缺点，比如用256KHz的时钟来生成精度8位、占空比50%的PWM，那么周期是1KHz、每周期有连续128个0和128个1；但实际上用256KHz的时钟明明可以生成周期128KHz、每周期只有1个0和1个1的波形，精度和刚才的一样，但时间分辨率却高很多。Sigma-Delta调制就是后面这一种调制方式，用它来代替刚才“PWM ADC”中的PWM发生器就是Sigma-Delta ADC。
特点：转换时间是N的几何级数，元件复杂度差不多是1（不随N而变化）。一般高位数ADC是这种。

转换器（尤其是SAR）需要保证转换过程中输入电压是不变的，因此输入之前一般会有采样保持。
采样保持最基本的结构是一个电容，一端接地，另一端通过一个开关接模拟输入引脚。采样过程中，开关闭合，电容电压与输入引脚相等；保持（转换）过程中，开关断开，电容电压保持不变。