圖解Flash，SAR和Sigma-Delta型ADC

模數轉換模塊ADC是連接現實世界模擬量和數字量之間的橋梁，它的轉換精度經常可以決定一個產品的品質?，F在單片機上一般都會集成ADC，我們如何根據自己的應用選擇恰當的產品呢？怎么實現高的性價比，讓產品在激烈的市場競爭中立于不敗之地呢？下面我們從常用的幾種ADC類型的特點，到使用中的注意事項，逐一探討一下。

ADC類型

常用的ADC基本上可以分為三種類型： Flash型，SAR型，Sigma－Delta型。下面我們來了解一下它們的工作原理與性能特點。單片機中最常采用的是SAR型，在一些高精度場合會用到Sigma－Delta型，而Flash型很少會集成在MCU內部，如果需要一般需要通過串行或并行總線外擴。

1．Flash型

這種ADC使用電阻分壓網絡，輸入的電壓會同時與分壓網絡中的多個參考電壓比較，比較器的輸出通過編碼器輸出2進制的數字輸出。這種ADC速度快，精度高，但缺點是隨著輸出位數的增加，它需要的分壓電阻和比較器成指數增長，體積和成本隨之迅速增加。

2．SAR逐次逼近型

SAR（Successive Approximation Register）型ADC仍然使用電壓比較的方法，它使用數字電路控制DAC輸出一個變化的電壓，并用此電壓和輸入電壓比較，經過多次比較逐漸使DAC輸出接近輸入電壓，從而得出數字輸出。

舉例如下：

假設ADC參考電壓為0－5V，輸入為3．2V。

壓控寄存器最高位置為1，其余位為0，DAC輸出參考電壓一半2．5V，輸入3．2 ＞ 2．5，比較器輸出1，壓控寄存器最高位1保留。然后次高位置1，DAC輸出3．75V，此時3．2V ＜ 3．75V，比較器輸出0，壓控寄存器次高位置0。之后與3．125V比較得到1，與3．4375V比較得到0。這樣如果是8位ADC，最后就得到數字輸出 10100011。SAR型ADC以較低的成本實現較高的轉換速度和分辨率，比較常用的可以達到1MHz的轉換速度和12－Bit的分辨率，得到了比較廣泛的應用。如果單片機手冊沒有特別注明，一般都是集成的這種類型的ADC。

3．Sigma Delta型

下圖為一個簡化的原理電路。左半部分為模擬調制電路，它的作用為根據輸入電壓的大小輸出位寬為1bit的比特流。右半部分為數字濾波和裁決器，根據比特流輸出數字轉換結果。

工作過程如下：輸入電壓減去DAC輸出后的差值經過積分器后和0V電壓比較，如果大于等于0V輸出1，否則輸出0。以一定的頻率控制比較器輸出形成比特流，控制DAC輸出電壓，1控制DAC輸出＋Vref參考電壓，0控制DAC輸出－Vref參考電壓。當DAC在比較器輸出的比特流控制下高速切換時，類似于PWM在輸出端產生一個平均電壓。容易看出，全1的比特流對應的平均電壓為＋Vref，全0的比特流對應的電壓為－Vref，如果1和0各占一半，那么對應的電壓是0V。

當平均電壓Vadc小于輸入Vin時，趨向于輸出更多的1來增大Vadc。當平均電壓Vadc大于Vin時，趨向于輸出0來減小Vadc。這樣一個合適的1，0比率的比特流會使Vadc最接近Vin，達到平衡狀態(tài)。后級的數字濾波和裁決器從1，0的比率就可以推斷出輸入電壓Vin的大小。

Sigma Delta型單片機可以達到很高的分辨率，但轉換速度慢很多。比較典型的如24－Bit，輸出速率幾十到幾百HZ。集成此類ADC的單片機一般用于計量，儀表等。如TI的MSP430AFE253。

4．Pipeline型

這種類型的ADC，結合了Flash型和SAR型，先用分壓電阻比較法，快速判斷輸入電壓落入的范圍，然后用逐次逼近法在此范圍內取得精確的轉換結果。此類型ADC很少在單片機中采用。

參考資料：

ADI： The Data Conversion Handbook

ADI： Sigma－Delta ADC Tutorial

責任編輯：xj