代码收藏家技术教程 2024-06-30

【物联网】深入探讨Flash ADC的ADC模拟转数字原理

文章目录

一、模拟信号和数字信号

二、ADC转换芯片

1、Flash ADC

2、流水线ADC

3、逐次逼近型SAR ADC

一、模拟信号和数字信号

模拟信号是一种连续变化的信号，它可以在一定范围内取任意数值。在电子设备中，模拟信号通常由电压或电流的变化来表示。

数字信号是一种离散的信号，它只能取有限个数值。在数字设备中，通常使用二进制来表示数字信号，即用0和1来表示不同的状态。

举个例子：

假设从0V到8V，连续的过程就是模拟信号，如果每间隔1V识别一次电压，对应的电压值用二进制数表示，则对二进制数就是数字信号。

那我们要思考一个问题就是，一个连续变化的模拟信号是怎样变成数字信号的呢？
这就要使用我们ADC中最重要的部分——ADC模数转换芯片。

二、ADC转换芯片

1、Flash ADC

Flash ADC（快闪式模数转换器）是一种高速的模数转换器，它能够将模拟信号转换为数字信号。Flash ADC的原理是基于比较器和编码器的工作原理。

Flash ADC包含了一系列比较器，每个比较器都与一个参考电压相关联。当输入的模拟信号通过比较器进行比较时，每个比较器都会产生一个数字输出，表示输入信号与参考电压的大小关系。这些数字输出经过编码器进行编码，最终输出一个二进制数字，表示输入模拟信号的大小。

由于Flash ADC中的比较器数量很大，因此它可以实现非常高的转换速度。然而，由于需要大量的比较器和编码器，Flash ADC的成本和功耗较高，因此在实际应用中通常用于需要高速转换的场合。

实现的细节：

同样是使用上面0V到8V的例子，先将8V电压接地，中间接上8个相同阻值的电阻，点一个点7/8电阻得到7V，下一个点6/8个电阻得到6V…以此类推，得出7个电位的电压，然后在电阻间加上比较器，也就是1V电压到反相端，另一端接上输入信号，接入输入比1V高，比较器输出高电平1，相反，如果比1V小，就输出低电平0，以此类推在所有的电阻间都加上比较器，将所有输入引脚接在一起，假设输入的是5.1V，下面的5个比较器输出1，上面的比较器输出0，得到的二进制数字就是0011111，同理假设是4.9V，输出的二进制数字是0001111，按照这个规律得到每个区间的电压对应的二进制数字。

理论上模拟信号有无尽的小数，与基准电压不可能完全相等，所以并不会发生要冲裁的情况。

下一个环节就是加上D型锁存器，将所有控制端拉到外面来控制，当控制端是1，那输入端是多少，锁存器就输出相同的结果，这个过程会出现轻微震荡，会出现输出也跟着跳变，当控制端为0时，所有结果就会被锁定，这时候不论前面怎么变，后面输出都不会改变，所以可以把锁存器的控制端:

1理解为读取指令
0理解为锁定指令

下一步将这些结果转化为二进制数

0-1V-----000
1-2V-----001
2-3V-----010
3-4V-----011
4-5V-----100
5-6V-----101
6-7V-----110
7-8V-----111

正好八种结果用3bit二进制数表示，那么这部分就是要用编码器来完成。

上面使用的是3bit分辨率，所以只能识别1V的电压，要想精度更高，就需要更多位

分辨率为4bit，精度为0.5V，16个比较器和触发器
分辨率为10bit，精度为0.0078V，1023个比较器触发器
分辨率到16bit，精度为0.00012V，65535个比较器和触发器

所以Flash ADC的缺点就是精度越高，内部元器件越多，内部功耗和面积就会增大，要解决这个问题外面可以用流水线ADC。

2、流水线ADC

流水线ADC是一种高速的模数转换器，它将模拟信号转换为数字信号。它的工作原理基于流水线结构，可以实现高速的并行转换。

Sample and Hold（采样保持）：首先，输入的模拟信号会经过采样保持电路，这个电路会对模拟信号进行采样并且在一定时间内保持这个采样值。
分段转换：流水线ADC将整个转换过程分成了多个阶段，每个阶段都负责对输入信号的一部分进行转换。每个阶段包含了一个比较器和一个数字编码器。比较器会将输入信号与参考电压进行比较，然后输出一个比较结果。数字编码器会将比较结果转换为数字输出。
Pipeline Stages（流水线阶段）：每个阶段的转换结果会传递给下一个阶段，这样整个转换过程被分成了多个阶段，每个阶段都可以并行地进行转换。这样可以大大提高转换速度。
自我介绍一下，小编13年上海交大毕业，曾经在小公司待过，也去过华为、OPPO等大厂，18年进入阿里一直到现在。

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