了解SARADC

摩尔学堂 2024-06-17 15:06

在要求采样率低于 10 MSPS 的应用中,最常见的模数转换器之一是SAR ADC。该 ADC 非常适合需要 8-16 位分辨率的应用。有关分辨率和采样率的更多信息,请参阅本系列文章的第一篇:解密分辨率和采样率SAR ADC 是最容易理解的模数转换器之一,一旦我们知道这种类型的 ADC 的工作原理,它的优缺点就很明显了。

SAR ADC 的基本操作

基本逐次逼近寄存器模数转换器如下图所示:

                       

SAR ADC 为每个样本执行以下操作:          

  1. 模拟信号被采样并保持。           

  2. 对于每一位,SAR 逻辑向 DAC 输出一个二进制代码,该代码取决于正在审查的当前位和已经近似的先前位。比较器用于确定当前位的状态。                    

  3. 逼近所有位后,将在转换结束 (EOC) 时输出数字逼近。

SAR 操作最好解释为二分搜索算法。考虑下面显示的代码。在此代码中,正在审查的当前位设置为 1。由此产生的二进制代码输出到 DAC。这与模拟输入进行比较。如果从模拟输入中减去 DAC 输出的结果小于 0,则审查位设置为 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/(2ˆj);
end
%Comparator compares analog input to DAC output:
if (input voltage−compare threshold<0)
digital output(i)= 0;
end
end

如果我们考虑 0.425 V 的模拟输入值和 1 V 的参考电压的示例,我们可以将 8 位 ADC 的输出近似如下:

  1. 将 8 位输出的第一位设置为 1,因此输出到 DAC 为 0.5

  2. 0.425 减去 0.5 小于 0,所以将输出的第一位设置为 0

  3. 将 8 位输出的第二位设置为 1,因此输出到 DAC 为 0.25

  4. 0.425 减去 0.25 大于 0,所以输出的第二位是 1

  5. 将 8 位输出的第三位设置为 1,因此输出到 DAC 为 0.375

  6. 0.425 减去 0.375 大于 0,所以输出的第三位是 1

对所有 8 位重复此过程,直到确定输出为:

01101100

从这个过程中可以明显看出,N 位 SAR ADC 必须需要 N 个时钟周期才能成功逼近输出。因此,尽管这些 ADC 功耗低且需要的空间很小,但它们不适合高速、高分辨率应用。由于这些 ADC 需要的空间非常小,因此它们通常被用作微控制器内部的外设或采用极小的封装。

功耗与采样率成比例的事实可能不太直观。因此,这些 ADC 非常适用于需要 ADC 不经常进行采样的低功耗应用。

在此架构中需要注意的一件事是缺少管道以及与此相关的延迟。因此,SAR ADC 适用于多路复用应用。

定义 ADC 整体特性的 ADC 的两个特性并不奇怪,DAC 和比较器。

电容式 DAC

电容式 DAC 包含 N 个电容器,用于 N 位分辨率,并添加了第二个最低有效位电容器。电容式 DAC 的示例如下所示:

在采集过程中,公共端通过关闭 S11 接地,模拟输入 (Ain) 对电容器进行充电和放电。如果通过打开 S1 断开输入,则会出现保持模式。然后打开 S11,将公共端驱动到-Ain。如果 S2 然后连接到 Vref,则等于 Vref/2 的电压被添加到 -Ain。在此之后确定关于最高有效位的决定。

容性 DAC 的最大稳定时间由最高有效位的稳定时间决定。这是因为 DAC 输出的最大变化发生在这个最高有效位上。

您可能会认为 16 位 SAR ADC 产生输出所需的时间是 8 位 SAR ADC 的两倍,因为输出位是其两倍。实际上,16 位 SAR ADC 中内部 DAC 的建立时间比 8 位版本的建立时间要长得多。因此,与低分辨率版本相比,高分辨率 SAR ADC 的采样率显着降低。

整个 ADC 的线性度取决于内部 DAC 的线性度。因此,ADC 分辨率受到内部 DAC 分辨率的限制也就不足为奇了。

比较器

比较器需要既准确又快速。与 DAC 一样,比较器必须具有至少与 SAR ADC 一样好的分辨率也就不足为奇了。与比较器相关的噪声必须小于 SAR ADC 的最低有效位。

总结

SAR ADC 的优势

  • 低功耗

  • 体型小

SAR ADC 的弱点

  • 高分辨率的低采样率

  • 由于 DAC 和比较器的限制,分辨率有限

  • 大小随位数增加             

SAR ADC 的应用

非常适合采样频率低于 10 MHz 且分辨率在 8-16 位之间的多通道数据采集系统。




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