SAR ADC 的基本操作及工作原理

在要求采樣率低于 10 MSPS 的應(yīng)用中，最常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換器之一是SAR ADC。該 ADC 非常適合需要 8-16 位分辨率的應(yīng)用。SAR ADC 是最容易理解的模數(shù)轉(zhuǎn)換器之一，一旦我們知道這種類型的 ADC 的工作原理，它的優(yōu)缺點(diǎn)就很明顯了。

SAR ADC 的基本操作

基本逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器如下圖所示：

SAR ADC 為每個樣本執(zhí)行以下操作：? ? ? ? ??

模擬信號被采樣并保持。? ? ? ? ? ?

對于每一位，SAR 邏輯向 DAC 輸出一個二進(jìn)制代碼，該代碼取決于正在審查的當(dāng)前位和已經(jīng)近似的先前位。比較器用于確定當(dāng)前位的狀態(tài)。? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

逼近所有位后，將在轉(zhuǎn)換結(jié)束 (EOC) 時輸出數(shù)字逼近。

SAR 操作最好解釋為二分搜索算法?？紤]下面顯示的代碼。在此代碼中，正在審查的當(dāng)前位設(shè)置為 1。由此產(chǎn)生的二進(jìn)制代碼輸出到 DAC。這與模擬輸入進(jìn)行比較。如果從模擬輸入中減去 DAC 輸出的結(jié)果小于 0，則審查位設(shè)置為 0。

%8?bit digital output is all zeros
digital output = zeros(1,8);
%Normalised to one for example
reference voltage = 1;
for i=1:8
 %current output bit set to 1:
 digital output(i)=1;
 compare threshold = 0;
 %Output digital output in current form to DAC:
 for j=1:i
  compare threshold = compare threshold+digital output(j)*reference voltage/(2?j);
 end
 %Comparator compares analog input to DAC output:
 if (input voltage?compare threshold<0)
  digital output(i)= 0;
 end
end

如果我們考慮 0.425 V 的模擬輸入值和 1 V 的參考電壓的示例，我們可以將 8 位 ADC 的輸出近似如下：

將 8 位輸出的第一位設(shè)置為 1，因此輸出到 DAC 為 0.5

0.425 減去 0.5 小于 0，所以將輸出的第一位設(shè)置為 0

將 8 位輸出的第二位設(shè)置為 1，因此輸出到 DAC 為 0.25

0.425 減去 0.25 大于 0，所以輸出的第二位是 1

將 8 位輸出的第三位設(shè)置為 1，因此輸出到 DAC 為 0.375

0.425 減去 0.375 大于 0，所以輸出的第三位是 1

對所有 8 位重復(fù)此過程，直到確定輸出為：

01101100

從這個過程中可以明顯看出，N 位 SAR ADC 必須需要 N 個時鐘周期才能成功逼近輸出。因此，盡管這些 ADC 功耗低且需要的空間很小，但它們不適合高速、高分辨率應(yīng)用。由于這些 ADC 需要的空間非常小，因此它們通常被用作微控制器內(nèi)部的外設(shè)或采用極小的封裝。

功耗與采樣率成比例的事實(shí)可能不太直觀。因此，這些 ADC 非常適用于需要 ADC 不經(jīng)常進(jìn)行采樣的低功耗應(yīng)用。

在此架構(gòu)中需要注意的一件事是缺少管道以及與此相關(guān)的延遲。因此，SAR ADC 適用于多路復(fù)用應(yīng)用。

定義 ADC 整體特性的 ADC 的兩個特性并不奇怪，DAC 和比較器。

電容式 DAC

電容式 DAC 包含 N 個電容器，用于 N 位分辨率，并添加了第二個最低有效位電容器。電容式 DAC 的示例如下所示：

在采集過程中，公共端通過關(guān)閉 S11 接地，模擬輸入 (Ain) 對電容器進(jìn)行充電和放電。如果通過打開 S1 斷開輸入，則會出現(xiàn)保持模式。然后打開 S11，將公共端驅(qū)動到-Ain。如果 S2 然后連接到 Vref，則等于 Vref/2 的電壓被添加到 -Ain。在此之后確定關(guān)于最高有效位的決定。

容性 DAC 的最大穩(wěn)定時間由最高有效位的穩(wěn)定時間決定。這是因?yàn)?DAC 輸出的最大變化發(fā)生在這個最高有效位上。

您可能會認(rèn)為 16 位 SAR ADC 產(chǎn)生輸出所需的時間是 8 位 SAR ADC 的兩倍，因?yàn)檩敵鑫皇瞧鋬杀?。?shí)際上，16 位 SAR ADC 中內(nèi)部 DAC 的建立時間比 8 位版本的建立時間要長得多。因此，與低分辨率版本相比，高分辨率 SAR ADC 的采樣率顯著降低。

整個 ADC 的線性度取決于內(nèi)部 DAC 的線性度。因此，ADC 分辨率受到內(nèi)部 DAC 分辨率的限制也就不足為奇了。

比較器

比較器需要既準(zhǔn)確又快速。與 DAC 一樣，比較器必須具有至少與 SAR ADC 一樣好的分辨率也就不足為奇了。與比較器相關(guān)的噪聲必須小于 SAR ADC 的最低有效位。

總結(jié)

SAR ADC 的優(yōu)勢

低功耗

體型小

SAR ADC 的弱點(diǎn)

高分辨率的低采樣率

由于 DAC 和比較器的限制，分辨率有限

大小隨位數(shù)增加? ? ? ? ? ? ?

SAR ADC 的應(yīng)用

非常適合采樣頻率低于 10 MHz 且分辨率在 8-16 位之間的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

編輯：黃飛

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