A/D 轉(zhuǎn)換電路:原理、類型與工程實踐(二)
主流類型:架構(gòu)差異與性能側(cè)重
A/D 轉(zhuǎn)換器按工作原理可分為逐次逼近型、積分型、流水線型、Σ-Δ 型等多種類型,不同架構(gòu)在速度、精度、功耗等方面各有側(cè)重,適用于不同應(yīng)用場景。
逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)
逐次逼近型是中小型嵌入式系統(tǒng)中最常用的類型,其核心是通過 “二分法” 逐步逼近輸入電壓。電路由比較器、D/A 轉(zhuǎn)換器(DAC)、逐次逼近寄存器(SAR)組成,工作流程如下:
轉(zhuǎn)換開始時,SAR 最高位置 1,其余位為 0,DAC 輸出對應(yīng)電壓(Vref/2);
比較器將輸入電壓與 DAC 輸出比較,若輸入電壓更高,則保留最高位 1,否則清零;
依次對次高位、低位重復(fù)上述過程,直至所有位判斷完畢,SAR 中的值即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。
8 位 SAR ADC 的轉(zhuǎn)換時間約為 1μs,16 位約為 10μs,屬于中速轉(zhuǎn)換器,精度適中(8~16 位),功耗較低(通常 mW 級),適合傳感器數(shù)據(jù)采集(如溫度、濕度)、電池供電設(shè)備等場景。其優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單、成本低,缺點是轉(zhuǎn)換速度受位數(shù)限制,難以實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換(>1MHz)。
積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器(雙積分 ADC)
積分型 ADC 通過測量輸入信號在固定時間內(nèi)的積分值實現(xiàn)轉(zhuǎn)換,具有極強的抗干擾能力,尤其適合工頻(50Hz/60Hz)環(huán)境下的精密測量。其工作過程分為兩個階段:
采樣階段:開關(guān)接輸入信號,積分器對輸入電壓 Vin 積分固定時間 T1,輸出電壓 V1=-(1/RC)∫Vin dt(0~T1);
比較階段:開關(guān)接反向參考電壓 Vref,積分器反向積分,同時計數(shù)器開始計數(shù),直到積分器輸出為 0,計數(shù)時間 T2 與 Vin 成正比(T2=Vin×T1/Vref),通過 T2 計算輸入電壓。
積分型 ADC 的轉(zhuǎn)換精度高(12~24 位),對高頻噪聲和電源干擾抑制能力強(抑制比可達 100dB 以上),但轉(zhuǎn)換速度慢(通常 < 1kHz),適合萬用表、電能表等對精度要求高但速度要求低的設(shè)備。
流水線型 A/D 轉(zhuǎn)換器(Pipelined ADC)
流水線型 ADC 采用多級級聯(lián)結(jié)構(gòu),每級完成部分量化(如 2~4 位),通過流水線操作實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換。第一級對輸入信號進行粗量化并輸出 2 位結(jié)果,同時產(chǎn)生殘差信號(輸入與粗量化值的差值)傳遞給下一級;后續(xù)各級重復(fù)此過程,最終通過數(shù)字校正電路合并各級結(jié)果,得到完整的高分辨率輸出。
這種架構(gòu)的轉(zhuǎn)換速度極快(采樣率可達 100MHz~1GHz),精度較高(10~16 位),但功耗較大(通常 > 100mW),適合高速數(shù)據(jù)采集(如通信基站、雷達信號處理)。其核心優(yōu)勢是通過流水線并行操作突破單級轉(zhuǎn)換速度限制,每級轉(zhuǎn)換時間可短至 ns 級。