一個(gè)基本的逐次逼近型 ADC 原理框圖解析

這次初步聊一聊 ADC 的相關(guān)知識(shí)。

BMS 中會(huì)用到 ADC，例如集成在單片機(jī)內(nèi)部的，或者獨(dú)立的；比較有代表性的就是 AFE 中的 ADC，由于 AFE 做了太多的工作，反而弱化了大家對(duì)其 ADC 的感知。

在 AFE 中主要存在兩種類(lèi)型的 ADC：即 SAR 型與 Sigma-Delta 型，下面分別介紹。

SAR 型 ADCSAR（Successive approximation register），即逐次逼近型 ADC，例如美信的 MAX17823 使用的就是此類(lèi)型 ADC。

一個(gè)基本的逐次逼近型 ADC 的原理框圖如下：由采樣保持電路（SHA）、控制邏輯電路、時(shí)序發(fā)生電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、電壓比較電路等組成。

基本原理類(lèi)似天平稱(chēng)重：如下圖所示，假設(shè)一個(gè) 6bit 的 SAR ADC，則全量程的數(shù)字量為 64，為容易理解，假設(shè)對(duì)應(yīng)的模擬量也是 64。

那么對(duì)模擬量 X=45 進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換：首先將 X 與 32 進(jìn)行比較（0.5 倍 FSR，通過(guò) DAC 設(shè)置），因?yàn)?X＞32，則對(duì)應(yīng)最高 bit 位置為 1；接著 X 與 48 進(jìn)行比較（0.75 倍 FSR），因?yàn)?X＜48，則次高位置 0；以此方法繼續(xù)向下類(lèi)推，最后得到一個(gè) 6 位的二級(jí)制代碼。即 X=101101，這樣就完成了模擬量到數(shù)字量的過(guò)程。Sigma-Delta 型 ADC 也稱(chēng)作Σ-Δ型 ADC，當(dāng)然也有人叫做Δ-Σ型 ADC，實(shí)際這兩種叫法都有人在用，前者可能更貼切；SAR 型 ADC 是直接測(cè)量模擬量，而Σ-Δ型 ADC 是屬于間接測(cè)量模擬量。在 ADI 的 LTC68XX 系列使用的就是此種類(lèi)型 ADC，內(nèi)部帶有可編程的數(shù)字濾波器。

一個(gè)典型的Σ-Δ型 ADC 原理框圖如下：包括了一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬調(diào)制電路（積分器、比較器、開(kāi)關(guān)、DAC、求和電路）和一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電路（數(shù)字濾波器、數(shù)字信號(hào)處理器）；其中這個(gè)模擬調(diào)制電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字 bit 流，而數(shù)字電路進(jìn)一步把數(shù)字 bit 流轉(zhuǎn)換為代表模擬輸入幅值的數(shù)字編碼。

Σ-Δ型 ADC 的信號(hào)轉(zhuǎn)換流程如下圖：把模擬輸入電平最終轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量輸出，根據(jù)數(shù)字量輸出大小，可以換算出模擬量的幅值。

進(jìn)一步地，單獨(dú)把模擬調(diào)制部分拿出來(lái)，如下圖：

我們仔細(xì)看上圖，其實(shí)整個(gè)環(huán)路是一個(gè)負(fù)反饋的閉合回路；由于負(fù)反饋的存在，X5 處的電平總是抑制積分器的累加值輸出 X3 在 0V 上下波動(dòng)，這樣其實(shí)理論上 X5 處的平均值就等于輸入信號(hào) X1，時(shí)間越長(zhǎng)，X5 的平均值越接近 X1；而這種關(guān)系其實(shí)是映射到了 X4 處輸出的 1 的個(gè)數(shù)。

下面為實(shí)際的例子，假設(shè)輸入 X1 為 0 或 0.5*Vref，波形 A 為積分器輸出 X3，波形 B 為比較器輸出 X4，就有如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系：1 的數(shù)量越多，代表 X1 越大。

具體計(jì)算的話(huà)，以上圖中的輸入 X1=0.5Vref 為例，我們?cè)谳敵鲂盘?hào) X4 處取 4 個(gè)采樣點(diǎn)，其中有 3 個(gè) 1 和 1 個(gè) 0，那么轉(zhuǎn)換為模擬量=3/4*2*Vref-Vref=0.5Vref，與輸入 X1 相等。

當(dāng)你的采樣點(diǎn)數(shù)量越多，轉(zhuǎn)換出來(lái)的值就越準(zhǔn)確，所以Σ-Δ型 ADC 就會(huì)進(jìn)行過(guò)采樣，這也就造成了其轉(zhuǎn)換速度慢的特點(diǎn)。假如輸入是一個(gè)正弦波，那么此時(shí) X1 與 X4 的對(duì)應(yīng)關(guān)系就如下圖：同樣地，1 的密度大的地方代表 X1 幅值大。

后面的數(shù)字電路部分就針對(duì)前面得到的 bit 流進(jìn)行濾波、抽樣、處理等操作，最終得到一個(gè) AD 量輸出給單片機(jī)。

這里再簡(jiǎn)單提一下Σ-Δ型 ADC 為什么精度高？如下圖，左圖是普通的 ADC 量化產(chǎn)生的噪聲水平，右邊是Σ-Δ型 ADC 量化產(chǎn)生的噪聲水平，一目了然，Σ-Δ型 ADC 更加優(yōu)秀；至于怎么推導(dǎo)出來(lái)的就比較復(fù)雜了，先記住這個(gè)結(jié)論即可。

總結(jié)：

話(huà)說(shuō)查資料時(shí)，一定不能只輸入 ADC，要不查出來(lái)都是英雄聯(lián)盟相關(guān)的內(nèi)容；ADC 的分類(lèi)有很多種的，我只挑選了兩種有代表性的拿出來(lái)學(xué)習(xí)；以上所有，僅供參考。

編輯：hfy