模数转换器(ADC) -如何工作，类型，应用

模数转换器(ADC)是一种将模拟信号转换为数字信号的集成电路。这篇文章将讨论什么是模数转换器(ADC)，它的各种类型，它是如何工作的，应用，优缺点。

什么是模数转换器(ADC)

模数转换器(ADC)主要是将模拟性质的物理变量转换为数字信号进行处理。它们转换效率高，耗电少。物理变量的例子包括音频信号、温度、压力等。

图1 -模数转换器简介

它也可以被定义为一种提供数字输出的设备，它是输入电压或电流水平的表示。

图2 - ADC原理图

模数转换器的类型

不同类型的模数转换器(adc)有:

• Flash ADC
• 管线式ADC
• Sigma Delta ADC
• 逐次逼近ADC

Flash ADC

Flash ADC的运算速度是所有ADC中最快的。因此，Flash adc被用于需要高速和大带宽的应用。它也被称为并行ADC。

下面的图3展示了模数转换器(ADC)的框图，其中模拟输入连接到所有比较器，从而同时产生输出。参考电压(Vref)通过外部电源提供给比较器。比较器的数字输出作为编码器的输入。编码器将代码从比较器转换为二进制代码。

图3 - Flash ADC框图

管线式ADC

流水线模数转换器是使用两个或多个低分辨率Flash adc设计的。该结构分为若干级，每级由采样保持电路组成。该电路对模拟信号进行采样，并在短时间间隔内保持采样值。该信号被馈送到Flash ADC以获得二进制输出。从每个阶段生成的二进制输出被时间对齐(流水线)到移位寄存器，并进一步使用数字错误校正逻辑进行错误检测和纠正，以获得最终的二进制输出。

图4流水线ADC框图

Sigma Delta ADC

Sigma-Delta (Σ-Δ)转换器，也称为过采样转换器的架构非常简单。让我们考虑图5。它包括两个主要部分，即:

• 迴路
• 数字滤波器

迴路

该模块由积分器、比较器和单位DAC组成。

数字滤波器

来自Sigma-Delta Modulator的输出充当此块的输入。数字过滤器顾名思义，过滤数据并将其转换为二进制代码。

图5 - Sigma Delta ADC的框图

逐次逼近ADC

这种类型的模数转换器结合逐次逼近算法将模拟输入转换为数字二进制代码。图6为逐次逼近ADC的框图，由比较器、逐次逼近寄存器(逐次逼近寄存器)、采样保持电路和DAC组成。

图6逐次逼近ADC的框图

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模数转换器如何工作

为了理解模数转换器的工作原理，让我们考虑下面的图7。它是逐次逼近模数转换器的原理图，由比较器、SAR寄存器、采样保持电路(S/H)、时钟、n位DAC组成。SAR寄存器与二分搜索算法相结合。

图7 -逐次逼近ADC的示意图

寄存器的值最初被设置，即MSB(最高有效位)被设置为“1”，所有其他位被设置为“0”。输入电压V_在和时钟应用和V_裁判为DAC的参考电压。当施加电压和时钟时，DAC (V_DAC）变成一半的参考电压(V_裁判)．输入电压V_在与V相比较_DAC比较国。

比较器的输出将被设置为“1”，如果V_在大于V_DAC．最初设置的MSB保持不变，即为“1”。如果输入电压V_在小于V_DAC．寄存器的控制逻辑将MSB设置为“0”，下一位设置为“1”。这个比较过程一直持续到生成LSB和n位数字输出并存储在寄存器中。

让我们来了解一下5位adc的操作，在哪里V_在= 0.6V和V_裁判＝1 v

ADC的应用

模数转换器(adc)有几种应用，下面列出了几种:

• 它们用于音频/视频设备。
• 它们被用于手机。
• 它们被用于数字万用表，PLC的(编程逻辑控制器)。
• 它们被用于雷达处理，数字示波器。
• 它们被广泛用于移动应用的CMOS图像传感器。
• 它们被用于医疗仪器和医学成像。

ADC的优势

模数转换器的优点包括:

• 与其他模数转换器相比，Flash adc是最快的。
• 与其他转换器相比，Sigma Delta adc以低成本提供高分辨率。
• 逐次近似adc运行速度快，可靠性高。
• Sigma-Delta adc具有更高的噪声整形能力，并提供高分辨率。
• 流水线adc还提供高速的高分辨率。

ADC的缺点

adc的缺点有:

• 电路复杂度随着Flash adc中比较器使用的增加而增加。
• 闪存adc价格昂贵。
• 使用Pipeline adc转换非周期信号可能很困难，因为它通常以周期性速率运行。
• 流水线adc对电路板布局非常敏感。
• 输入信号的管道延迟发生在管道adc中，这导致了偏移量和增益等参数的非线性。
• 用于较高分辨率的逐次近似转换器将较慢。

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