BMS采样芯片AFE中的ADC类型有哪些

huangguang

这次初步聊一聊ADC的相关知识。
BMS中会用到ADC，例如集成在单片机内部的，或者独立的；比较有代表性的就是AFE中的ADC，由于AFE做了太多的工作，反而弱化了大家对其ADC的感知。


在AFE中主要存在两种类型的ADC：即SAR型与Sigma-Delta型，下面分别介绍。
SAR型ADCSAR(Successive approximation register)，即逐次逼近型ADC，例如美信的MAX17823使用的就是此类型ADC。


一个基本的逐次逼近型ADC的原理框图如下：由采样保持电路（SHA）、控制逻辑电路、时序发生电路、D/A转换电路、电压比较电路等组成。


基本原理类似天平称重：如下图所示，假设一个6bit的SAR ADC，则全量程的数字量为64，为容易理解，假设对应的模拟量也是64。


那么对模拟量X=45进行AD转换：首先将X与32进行比较（0.5倍FSR，通过DAC设置），因为X＞32，则对应最高bit位置为1；接着X与48进行比较（0.75倍FSR），因为X＜48，则次高位置0；以此方法继续向下类推，最后得到一个6位的二级制代码。即X=101101，这样就完成了模拟量到数字量的过程。Sigma-Delta型ADC也称作Σ-Δ型ADC，当然也有人叫做Δ-Σ型ADC，实际这两种叫法都有人在用，前者可能更贴切；SAR型ADC是直接测量模拟量，而Σ-Δ型ADC是属于间接测量模拟量。在ADI的LTC68XX系列使用的就是此种类型ADC，内部带有可编程的数字滤波器。


一个典型的Σ-Δ型ADC原理框图如下：包括了一个简单的模拟调制电路（积分器、比较器、开关、DAC、求和电路）和一个复杂的数字电路（数字滤波器、数字信号处理器）；其中这个模拟调制电路将模拟信号转换为数字bit流，而数字电路进一步把数字bit流转换为代表模拟输入幅值的数字编码。


Σ-Δ型ADC的信号转换流程如下图：把模拟输入电平最终转换成了数字量输出，根据数字量输出大小，可以换算出模拟量的幅值。


进一步地，单独把模拟调制部分拿出来，如下图：


我们仔细看上图，其实整个环路是一个负反馈的闭合回路；由于负反馈的存在，X5处的电平总是抑制积分器的累加值输出X3在0V上下波动，这样其实理论上X5处的平均值就等于输入信号X1，时间越长，X5的平均值越接近X1；而这种关系其实是映射到了X4处输出的1的个数。
下面为实际的例子，假设输入X1为0或0.5*Vref，波形A为积分器输出X3，波形B为比较器输出X4，就有如下的对应关系：1的数量越多，代表X1越大。


具体计算的话，以上图中的输入X1=0.5Vref为例，我们在输出信号X4处取4个采样点，其中有3个1和1个0，那么转换为模拟量=3/4*2*Vref-Vref=0.5Vref，与输入X1相等。
当你的采样点数量越多，转换出来的值就越准确，所以Σ-Δ型ADC就会进行过采样，这也就造成了其转换速度慢的特点。假如输入是一个正弦波，那么此时X1与X4的对应关系就如下图：同样地，1的密度大的地方代表X1幅值大。


后面的数字电路部分就针对前面得到的bit流进行滤波、抽样、处理等操作，最终得到一个AD量输出给单片机。
这里再简单提一下Σ-Δ型ADC为什么精度高？如下图，左图是普通的ADC量化产生的噪声水平，右边是Σ-Δ型ADC量化产生的噪声水平，一目了然，Σ-Δ型ADC更加优秀；至于怎么推导出来的就比较复杂了，先记住这个结论即可。


总结：
话说查资料时，一定不能只输入ADC，要不查出来都是英雄联盟相关的内容；ADC的分类有很多种的，我只挑选了两种有代表性的拿出来学习；以上所有，仅供参考。