一篇易懂的模数转换器（ADC）学习笔记

lichengwan

最近在了解下ADC，整理学习笔记在此分享，本文写的ADC基础概念知识，希望对你有所帮助。1 ADC概念
现在我们对测温习以为常，电子温度计对着你手腕，或额头，或耳朵，滴的一声，温度就显示出了，这个过程就涉及本文要介绍的模数转换。

模数转换，即Analog-to-Digital Converter，常称ADC，是指将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件，比如将模温度感器产生的电信号转为控制芯片能处理的数字信号0101，这样ADC就建立了模拟世界的传感器和数字世界的信号处理与数据转换的联系。

(1 条消息) 模拟信号为什么被叫做模拟信号？模拟了什么？- 知乎 (zhihu.com)

在汽车上，温度传感器和压力传感器通常都采用模拟信号形式，会使用ADC将传感器信号转换成ECU可识别的二进制格式的数字信号。即：首先，这些传感器将温度和压力转换为一定范围内的电压信号；然后通过线束和接插件将电压信号传给ECU，最后ECU的ADC模块将电压信号转换为数字量。



这里，传感器信号在输入到ADC模块前，需要经过调理电路处理，因为传感器产生的电压信号可能只有几十mV，必须要经过调理电路放大到0-5V，才能输入到ADC。



关于信号调理电路，可参考以上两个链接，再了解ADC概念之后，接下来详细了解ADC处理的基础内容。

2 ADC处理


ADC处理一般要经过采样，保持，量化和编码四个步骤，如下所示：



source: Analog to Digital Converters.pdf

2.1 采样和保持

采样是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。这里采样需遵循采样定理，即当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。



source: Analog to Digital Converters.pdf

模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲，如上右上图。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，如上右下图，以便进行转换。因此，在采样电路之后须加保持电路。



source: （推荐）采样保持电路 (renrendoc.com)

2.2 量化和编码

输入的模拟信号电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍然是一个可以连续取值的模拟量。但n位数字量只能保持2的n次方个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。将采样后的样值脉冲电平归化到与之接近的离散电平之上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平 Uq，两个量化电平之间的差值称为量化单位Δ ，即1LSB，位数越多，量化等级越细小，Δ就越小。



source: Analog to Digital Converters.pdf













3 ADC技术参数
3.1 转换精度(1) 分辨率resolution
ADC的分辨率表示ADC对输入信号的分辨能力，其根据满程电压和ADC输出二进制数的位数决定，如下所示：不同的满程电压下，分辨率不同；不同的ADC输出二进制数的位数，分辨率也不同。



（2）转换误差

转换误差通常是以输出误差的最大值形式（即上面所述的量化误差）给出。它表示ADC实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。例如量化误差为±Δ/2或±LSB/2。这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于±Δ/2或±LSB/2。

3.2 转换速率


转速速率是指ADC从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间的倒数。ADC的转换速率与转换电路的类型有关，不同类型的转换器转换速度相差甚远。这里所提到的转换电路，也就是ADC实现的电路将在下面SAR ADC部分介绍。总体来说不同的分辨率和转换速率的对比情况，如下所示：



source: [2]

附：若想更深入了解未提及的如下所示关键内容和参数：



source: [2]

4 SAR ADC

根据采样定理，要准确的恢复出原来的信号，采样频率至少为信号带宽的两倍。信号带宽的两倍称为奈奎斯特采样率。而采样率高出奈奎斯特采样率时，称为过采样。通常据此将 ADC 分为两类：奈奎斯特 ADC 和过采样ADC，其中奈奎斯特ADC主要包括Flash ADC， 逐次逼近型ADC（Successive approximation register ADC, SAR ADC）和 流水线型ADC等；过采样ADC以sigma-delta ADC为主。本文主要介绍汽车ECU最常用的ADC类型：SAR ADC。

SAR ADC实质上是实现一种二进制搜索算法，其原理类似于天平称物重，如下:



source: [5]

将被称物放入天平一端，另一端先试放最重的砝码1，与被称物比较，若物体重于砝码1，则砝码1保留，否则移去。再加上第二个次重砝码1/2，由物体的重量是否大于两砝码的重量之和决定砝码1/2的去留，若小于则移去砝码1/2。再加上砝码1/4，到被称物与砝码重量之和平衡，这样将所有留下的砝码重量相加，就得此物体的重量。类似于该思路,SAR ADC就是将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。SAR ADC采用了相当简单的电路结构：一个逐次逼近寄存器SAR，比较器和DAC和控制逻辑电路，如下图所示。



source: [5]





source: [5]





source: [5]这就是SAR ADC的工作原理，关于电路方面更详细实现过程，可参考[2]。以上就介绍ADC的基本概念和原理，重要技术参数和SAR ADC的概念和工作原理，这将有助于了解ADC如何在汽车ECU的软硬件层面实现。