一文解析逐次通近型寄存器ADC

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字（用于計算機(jī)，如微控制器）。ADC具有特定的分辨率，以及正負(fù)基準(zhǔn)電壓。例如，10位ADC將輸入電壓轉(zhuǎn)換為0-1023之間的數(shù)字（1023是可以用10位表示的最大數(shù)字）。如果負(fù)基準(zhǔn)電壓為0V，正基準(zhǔn)電壓為5V，則ADC結(jié)果0表示0V，ADC結(jié)果1023表示5V。511的ADC結(jié)果意味著2.5V，依此類推。每個數(shù)值步長（分辨率）相當(dāng)于大約4.9毫伏（5V/1024）。

　　存在許多不同類型的ADC，本文將研究逐次逼近型［寄存器］或SAR ADC。SAR ADCs是微控制器中最常見的類型，對于典型分辨率，它具有良好的（相對較快的）轉(zhuǎn)換時間（低延遲）。

　　SAR ADC剖析

　　SAR ADCs由3個元件組成：

　　采樣保持電路。

　　數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

　　比較器。

　　（驅(qū)動DAC的逐次逼近型寄存器本身可以視為第四個元件）

　　采樣保持電路對輸入電壓進(jìn)行采樣，然后在轉(zhuǎn)換完成時將其存儲（保持恒定和穩(wěn)定）。從概念上講，這只是一個開關(guān)和一個電容器；開關(guān)閉合，將電容充電至輸入電壓，然后再次打開，讓電容保持采樣電壓。

　　實(shí)際上，一些緩沖運(yùn)算放大器（參見我們的運(yùn)算放大器文章）用于防止電壓失真。

　　開關(guān)是通過晶體管實(shí)現(xiàn)的。

　　使用DAC和比較器，然后執(zhí)行二分搜索法以逼近輸入值。

　　二進(jìn)位檢索

　　二分搜索法是一種搜索算法，它通過不斷將搜索域一分為二（二進(jìn)制）并檢查輸入落在搜索域的哪一側(cè)來縮小搜索結(jié)果。換句話說，該算法檢查輸入是大于還是小于搜索域中間的值。這可能最容易用一個例子來解釋：

　　假設(shè)我們有一組數(shù)字，從最小到最大排序，我們需要將另一個數(shù)字插入到該組中，同時保持該組排序。計算機(jī)如何計算出在哪里插入數(shù)字？

　　將55插入以下集合，保持從最小到最大的順序。

　　2、7、15、33、40、45、77、89

　　一種方法是簡單地從集合的開頭開始，一個接一個地檢查每個數(shù)字，直到我們找到一個大于我們輸入的數(shù)字（或者直到我們到達(dá)集合的結(jié)尾），然后在它之前插入數(shù)字。對于較小的數(shù)字集合，這種方法可能足夠快，但是隨著集合的大小增加（增加到成百上千個條目），搜索算法在大多數(shù)情況下會快得多。

　　使用二分搜索法算法，我們將搜索域分為2，然后檢查我們的輸入是否大于或小于中間的數(shù)字。沒有確切的中間值，所以我們執(zhí)行一個規(guī)則，規(guī)定我們使用正好在中間值右邊的數(shù)字：

　　55 》 45，所以我們知道對于這個集合，這個數(shù)字正好落在45的右邊。

　　對于一組8個號碼，該過程將總是需要總共3個搜索步驟。

　　二分搜索法合成孔徑雷達(dá)ADC

　　SAR ADC二分搜索法以同樣的方式工作，使用DAC產(chǎn)生要搜索的一組數(shù)字，使用比較器將輸入值與當(dāng)前搜索位置進(jìn)行比較。

　　假設(shè)我們有一個4位ADC，分辨率為16級（值0-15），正基準(zhǔn)電壓為+5V（負(fù)基準(zhǔn)電壓為0V），輸入電壓為3.6V。

　　我們從逐次逼近寄存器中的二進(jìn)制值1000開始，它是十進(jìn)制的8（剛好在一半以上）。

　　正基準(zhǔn)電壓為+5V（負(fù)基準(zhǔn)電壓為0V）的4位ADC上的3.6V輸入轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制值1010（十進(jìn)制10）。

　　換句話說，這個過程如下所示：

　　下面是另一個例子，對于1.10V的輸入電壓：

　　請注意，二分搜索法算法總是需要固定數(shù)量的步驟來完成，這意味著它總是需要相同的時間來運(yùn)行轉(zhuǎn)換。

　　摘要

　　SAR ADCs是一種常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在典型分辨率下具有相對較快的轉(zhuǎn)換時間。由于這些ADC使用的二分搜索法算法總是需要固定的步驟數(shù)，因此轉(zhuǎn)換時間是可以預(yù)測的。

　　審核編輯：黃飛