助力通关硬件开发基础面专刊<12/30>--第三章 最小系统---ADC
3.2ADC
3.2.1ADC转换的基本原理
【考点映射】》》》能说下模数转换原理吗？有哪些步骤？
》》》采样定理是什么？
【出现频度】⭐⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
ADC转换的基本功能就是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，这个过程称为模数转换。
完成模数转换的电路称为模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）。
实现模数转换的步骤：
模数转换通常要经过采样、保持和量化、编码这四个步骤。
采样过程中，存在一个采样定理。
采样定理(香农采样定律、奈奎斯特采样定律)：模拟/数字信号的转换过程中，为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍，即：fs.max>=2fmax，则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般取2.56-4倍的信号最大频率。
3.2.2ADC的类型
【考点映射】》》》ADC有哪些种类？
》》》你用的是什么ADC，其工作原理是？
【出现频度】⭐⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
ADC分类如下图：
ADC分成间接型ADC和直接型ADC。
直接型ADC 是将模拟量直接转换成数字量，常用的有并行比较型 ADC 和逐次逼近型 ADC。间接型ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，例如，中间量为时间的双积分型 ADC、中间量为压频变换型。
这里列举4个比较典型：
1、逐次逼近型
逐次逼近型ADC结构上包括比较器、数模转换器、逐次逼近寄存器和逻辑控制单元。将采样电压与参考电压进行比较，然后进行输出；通常，N位转换需要N个时钟周期。
优点：价格低，功耗也比较低，应用广泛。
缺点：分辨率大于12位时，信号需进行调理，使成本上升。
2、双积分型ADC
双积分型ADC结构上包括带有模拟积分器、比较器和计数单元。将电压进行两次积分，然后转化为跟平均值成比例的时间间隔。然后计数单元对时间进行计数，进而输出ADC转换结果。
优点：在低速的应用中，价格低，功耗低，同时分辨率可以做的很高。
缺点：转换速率低。
3、并型比较型ADC
并联比较型ADC结构上包括比较器和编码器，各量级同时并行比较，输出码也是同时并行产生。
优点：速度非常快，且与位数无关。适用于高速的场合
缺点：价格贵，功耗大。
4、∑-Δ型ADC
∑-Δ型ADC结构上包括∑-Δ调制器和数字抽取滤波器，其根据前后量值的差值来进行编码，进而输出编码
优点：价格低，同时由于内部存在滤波，可以降低外围电路复杂度。同时分辨率和转换速率可以做的比较高。
缺点：功耗比较高
总结：ADC的主要看重采样速度和分辨率这两个指标，现将上述四种ADC对比汇总如下：
3.2.3ADC关键指标
【考点映射】》》》你对ADC的指标有哪些了解，哪些比较关键？
【出现频度】⭐⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
1、分辨率通常以二进制位数表示对信号分辨能力的高低，位数越多，分辨能力越高。
例子：输入电压的为 0～3.3 V，8位分辨的最小模拟电压：3.3V/2^8 ≈13mV；
2、采样精度
采样精度是用来描述ADC采样的准确度。
采样精度跟分辨率无必然关系，分辨率高的ADC，采样精度不一定高。
例如：ADC采集的电压为1.234V，分辨率很高，但实际电压为2.5V，其采样精度就很差了。
3、转换误差
在进行转换时，分别计算实际输入模拟量和数字编码对应的电压的误差，其中最大的误差作为转换误差。
并以 LSB 为单位表示。LSB:Least Significant Bit,在二进制数中意为最低有效位
4、转换速度
转换速度为转换时间的倒数，转换时间为一次模数转换所需要的时间。
转换时间有ns、us、ms级别的，不同转换电路类型转换速度不一样。
5、偏移误差
6、满刻度误差
7、线性度
3.2.4ADC误差分析
【考点映射】》》》ADC误差有哪些来源？
》》》什么是量化误差？
【出现频度】⭐⭐⭐
【难度】★★
【参考答案】
ADC误差来源广泛，主要存在这三种：
1、量化误差
量化是将电压用离散编码进行表示，这会导致存在量化误差，这个是基本误差，指编码与实际电压之间的误差。
2、孔径误差
在ADC进行转换的时候，切换至保持状态时，会存在一段时间，模拟信号会变化，这就会产生误差，称之为孔径误差。
3、非线性误差
如果ADC具有线性特征，那么非线性误差是ADC存在的内在误差。
线性度有两种类型的误差：它们是差分非线性和积分非线性， 通常分别称为DNL和INL。
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