《ADC原理及应用深入解析》

什么是
ADC
？

ADC，Analog-to-Digital Converter 的缩写，指模/数转换器或者模数转换 器。是指将
连续变化的模拟信号
转换为
离散的数位讯号的器件
。真实世界的模拟 信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射 的数字形式，模/数转换器可以实现这个功能。

AD
转换的过程（原理）

①抗混叠滤波(Anti-aliasing)，可以理解为一个低通滤波器

②采样保持电路(Sample and hold)

③量化 (Quantizer)

④编码(Coder)

量化和编码

模拟信号通过 ADC 转换成数字信号的这一过程称为量化，由于量化输出的数字信号位数有限，所以输出的数字信号和你采样得到的模拟信号会有一个误差，被称为量化误差,对于一个 N 位 ADC 来说，假设其满量程电压为 Vref , V
ref被 ADC分为 2^
N个区间，区间宽度(精度 分辨率)用 LSB (lastsignificant bit)表示, LSB=V
ref
/(2^
N)
。

例如：H743为 16位 ADC，满量程电压位为 3.3V，所以 LSB为 3.3/65535=0.05mv

ADC
的分类

①逐次比较型 ADC

基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是:初始化时将逐次逼近寄存器各位清零;转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 DIA 转换器，经 DIA 转换后生成的模拟星送入比较器，称为 Vo，与送入比较器的待转换的模拟量 V 进行比较，若 Vo<Vi，该位 1 被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为 1，将寄存器中新的数字量送 DIA 转换器，输出的 Vo 再与 V 比较，若 Vo<Vi，该位 1 被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。
简单说就是开启转换后，将
逐次逼近寄存器
各位清零（逐次逼近寄存器的位 数取决于 ADC 转换结果的精度），然后再将该寄存器从高到低依次置 1，每次置位完成后 D/A 转换器会将当前
逐次逼近寄存器
的值转换成对应大小模拟量，转换后的模拟量会和待转换的电压进行比较，如果转换后的模拟量大于待转换的电压则该位的值被保留，否则该位将置 0。随后进行低一位的置位、转换、比较过程，到最低位也比较完成。（
逐次比较型 ADC 是先比较高电压
）

②双积分式 ADC

基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把时间间隔转换成数字量，属于间接转换。转换过程是:先将开关接通待转换的模拟量 V，Vi 采样输入到积分器，积分器从零开始固定时间 T 的正向积分，时间 T 到后，开关再接通与 V 极性相反的基准电压 Vref,将 Vref 输入到积分器进行反向积分，直到输出位 OV 时停止积分。Vi 越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是模拟电压 Vi 所对应的数字量，实现了 A/D 转换。

 ③全并行/串并行 ADC

ADC
的参数

①分辨率

数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与 2"的比值，通常以数字信号的位数来表示。 最大输入电压/(2^ADC 转换精度-1)

②转换速率

转换速率是指 AD 转换一次所需要时间的倒数，即单位时间内完成 A/D 转换的次数 1s/[(采样时间+转换时间)*1 个 ADC 时钟周期对应的时间]

③采样速率

采样速率是两次采样（两次转换）的间隔时间的倒数，为了保证转换的正确完成，一般采样速率必须小于等于转换速率，即采样时间大于等于转换时间。 1s/(采样时间*1 个 ADC 时钟周期对应的时间)

STM32的ADC

3个逐次逼近型ADC，最高分辨率16位，最大转换速率4.5Mhz（0.22us 12位分辨率时）。ADC时钟不能超过36M，否则导致结果准确度下降。

SAR ADC
内部结构

STM32微控制器中内置的ADC使用SAR（逐次逼近）原则，分多步执行转换。转换步骤数等于ADC转换器中的位数。每个步骤均由ADC时钟驱动。每个ADC时钟从结果到输出产生一 位。ADC的内部设计基于切换电容技术。下面的图介绍了ADC的工作原理。下面的示例仅显示 了逼近的前面几步，但是该过程会持续到LSB为止 SAR切换电容ADC的基本原理（10位ADC示例）

带数字输出的ADC基本原理图

 采样状态

采样状态：电容充电至电压
VIN
。
Sa
切换至
VIN
，采样期间
Sb
开关闭合

保持状态

保持状态：输入断开，电容保持输入电压。
Sb
开关打开，然后
S1-S11
切换至接地且Sa切换至
VREF
。

 逐次逼近

1、第一个逼近步骤。S1切换至VREF。VIN与VREF/2比较

 2、如果MSB = 0，则与¼VREF进行比较，S1切换回接地。S2切换至VREF。

3、如果MSB = 1，则与¾VREF进行比较，S1保持接地。S2切换至VREF。

 重复如上步骤，直到LSB为止。可以简单理解为二分法逐次进行输入电压与参考电压的比较。首次于VREF/2比较，下次比较根据上次比较结果决定，如果MSB=1则与¾VREF比较。如果MSB=0则与¼VREF比较。后面决定与1/8VREF 3/8VREF、 5/8VREF、7/8VREF之一做比较。循环直到输出LSB为止。