逐次逼近型ADC的工作原理及优缺点

模数转换器 （ADC）是一种设备，可帮助我们从数字角度处理混乱的现实世界数据。为了理解温度、湿度、压力、位置等现实世界的数据，我们需要传感器，所有这些传感器都会测量某些参数并以电压和电流的形式向我们返回电信号。由于我们现在的大多数设备都是数字的，因此有必要将这些信号转换为数字信号。这就是 ADC 的用武之地，尽管有许多不同类型的 ADC，但在本文中，我们将讨论一种最常用的 ADC 类型，即逐次逼近型 ADC。在早期的文章中，我们讨论了在 Arduino 的帮助下建立 ADC 的基础，如果您是电子产品新手并想了解更多关于 ADC 的信息，您可以检查一下。

什么是逐次逼近型 ADC？

逐次逼近型 ADC是低成本中高分辨率应用的首选 ADC，SAR ADC 的分辨率范围为 8 - 18 位，采样速度高达每秒 5 兆样本 （Msps）。此外，它可以构造成小尺寸和低功耗，这就是这种类型的 ADC 用于便携式电池供电仪器的原因。

顾名思义，这个 ADC 应用二进制搜索算法来转换值，这就是为什么内部电路可能以几兆赫兹运行，但由于逐次逼近算法，实际采样率要低得多。

逐次逼近型ADC的工作原理

封面图片显示了基本的逐次逼近 ADC 电路。但是为了更好地理解工作原理，我们将使用它的 4 位版本。下图正好说明了这一点。

如您所见，该 ADC 由一个比较器、一个数模转换器和一个逐次逼近寄存器以及控制电路组成。现在，每当新的对话开始时，采样和保持电路就会对输入信号进行采样。并将该信号与 DAC 的特定输出信号进行比较。

现在假设采样输入信号为 5.8V。ADC 的参考电压为 10V。转换开始时，逐次逼近寄存器将最高有效位设置为 1，将所有其他位设置为零。这意味着该值变为 1， 0， 0， 0，这意味着对于 10V 参考电压，DAC 将产生一个 5V 的值，它是参考电压的一半。现在，该电压将与输入电压进行比较，并根据比较器的输出，改变逐次逼近寄存器的输出。下面的图片将更清楚地说明它。此外，您可以查看通用参考表以了解有关 DAC 的更多详细信息。以前我们已经制作了许多关于ADC和DAC的项目，您可以查看这些项目以获取更多信息。

这意味着如果 Vin 大于 DAC 的输出，则最高有效位将保持不变，并将设置下一位以进行新的比较。否则，如果输入电压小于 DAC 值，最高有效位将设置为零，下一位将设置为 1 以进行新的比较。现在，如果您看到下图，DAC 电压为 5V，并且由于它小于输入电压，最高有效位之前的下一位将设置为 1，其他位将设置为零，此过程将一直持续到最接近输入电压的值达到。

这就是逐次逼近型 ADC 一次更改 1 位以确定输入电压并产生输出值的方式。无论四次迭代中的值是多少，我们都将从输入值中获得输出数字代码。最后，四位逐次逼近型 ADC的所有可能组合列表如下所示。

逐次逼近型 ADC 的转换时间、速度和分辨率

转换时间：

一般来说，我们可以说对于一个 N 位 ADC，它需要 N 个时钟周期，这意味着这个 ADC 的转换时间将变为 -

Tc = N x Tclk

*Tc 是转换时间的缩写。

与其他 ADC 不同的是，该 ADC 的转换时间与输入电压无关。

由于我们使用的是 4 位 ADC，为了避免混叠效应，我们需要在 4 个连续的时钟脉冲之后进行采样。

转换速度：

此类 ADC 的典型转换速度约为每秒 2 - 5 兆次采样 （MSPS），但很少能达到 10 （MSPS）。Linear Technologies的LTC2378就是一个例子。

解析度：

这种类型的 ADC 的分辨率可以在 8 - 16 位左右，但有些类型可以达到 20 位，例如 Analog Devices 的ADS8900B。

逐次逼近 ADC 的优缺点

这种类型的 ADC 与其他 ADC 相比具有许多优势。它具有高精度和低功耗，同时易于使用和低延迟时间。延迟时间是信号采集开始的时间和数据可用于从 ADC 获取的时间，通常此延迟时间以秒为单位定义。但也有一些数据表将此参数称为转换周期，在特定的 ADC 中，如果数据可在一个转换周期内获取，我们可以说它具有一个会话周期延迟。如果数据在 N 个周期后可用，我们可以说它有一个转换周期的延迟。SAR ADC的一个主要缺点是其设计复杂性和生产成本。

SAR ADC 的应用

由于这是最常用的 ADC，它被用于许多应用，例如可植入患者体内的生物医学设备，使用这些类型的 ADC 是因为它消耗的功率非常少。此外，许多智能手表和传感器都使用这种类型的 ADC。

综上所述，我们可以说这种 ADC 的主要优点是低功耗、高分辨率、小尺寸和精度。这种类型的字符使其适用于集成系统。主要限制可能是其低采样率以及构建此 ADC 所需的部件，即 DAC 和比较器，这两者都需要非常准确地工作才能获得准确的结果。