模数转换器与嵌入式微处理器的接口技术

模数转换器主要包括Sigma-Delta型、逐次逼近型和闪速型，应用中工程师普遍关注的问题是如何提高转换精度？本文给出了按实际需要选择并校正模数转换器的一些软件和硬件的应用技巧。

模数转换器(ADC)接收模拟输入(电压或电流)，并转换为可被微处理器读取的数字值。图1给出了一个简单的电压输入ADC，假定该器件的输入由两部分组成：参考信号和测量信号，另外还带有一个输出和表示输入值的8位数字字。

参考电压是ADC所能转换的最大值，示例中的8位ADC可转换为介于0V和参考电压之间的任意电压，电压范围分为256个值或步长。步长的大小由下式给定：Vref/256,这里Vref表示参考电压，转换器的步长定义为转换器的分辨率。对于5V的参考电压，步长为：

5V/256=0.0195V或19.5mV

8位转换器将模拟输入表示为数字字，数字字的最高有效位指示输入电压是否大于参考电压的一半(5V参考电压的一半为2.5V)，后续的各位均表示前一位所表示范围的一半。

表1说明了这一点，将0010 1100中各位表示的电压相加，可以得到：

0.625+0.156+0.078 =0.859V

ADC的分辨率由参考输入和字宽决定，分辨率定义了可被ADC测量的最小电压变化。如前所述，分辨率的大小等于最小的步长大小，并可用参考电压除以转换值的数目加以计算。

上例的分辨率为19.5mV，这意味着任何低于19.5mV的输入电压得到的输出结果为0，介于19.5mV和39mV之间的输入电压得到的输出结果为1，介于39mV和58.6mV之间的输入电压得到的输出结果为2。

可以通过降低参考输入提高分辨率，如将参考输入由5V变成2.5V，那么分辨率将为2.5/256，或9.7mV。但这时可被测量的最大电压将为2.5V，而非5V。

既能提高分辨率，又不降低可测量电压范围的唯一方法是增加ADC的位数。10位的ADC具有210或1,024个可能的输出代码，因此此时的分辨率为5V/1024，即4.88mV；而相同的参考输入条件下，12位ADC具有1.22mV的分辨率。

ADC的类型

ADC具有各种速率，使用不同的接口电路，并可提供不同的精确度。最常用的ADC类型包括闪速ADC、逐次逼近ADC和sigma-delta ADC。

1. 闪速ADC

闪速ADC是转换速率最快的一类ADC。闪速ADC在每个电压阶跃中使用一个比较器和一组电阻。因此4位ADC具有16个比较器，8位ADC则具有256个比较器。所有的比较器输出连接到一块逻辑器件上，该逻辑器件根据比较器的电压高低确定输出。

闪速ADC的转换速率是比较器延迟和逻辑器件延迟(逻辑器件的延迟通常可以忽略不计)之和。闪速ADC的转换速率很快，但需要占据巨大的IC空间；而且由于所需的比较器数目很大，闪速ADC简直就是功率“黑洞”，需要消耗很高的电流强度。10位闪速ADC所需的电流约为0.5A。

闪速ADC的一种变形就是半闪速ADC，该ADC利用内置的数模转换器(DAC)减少了内部比较器的数目。半闪速转换器的转换速率低于真正的闪速转换器，但高于其它类型的ADC。这里将其归为闪速转换器类型。
2. 逐次逼近ADC

逐次逼近转换器采用一个比较器和计数逻辑器件完成转换。转换的第一步是检验输入是否高于参考电压的一半，如果高于，将输出的最高有效位(MSB)置为1。然后输入值减去输出参考电压的一半，再检验得到的结果是否大于参考电压的1/4，依此类推直至所有的输出位均置“1”或清零。逐次逼近ADC所需的时钟周期与执行转换所需的输出位数相同。

3. Sigma-delta ADC

Sigma-delta ADC采用1位DAC、滤波和附加采样来实现非常精确的转换，转换精度取决于参考输入和输入时钟频率。

Sigma-delta转换器的主要优势在于其较高的分辨率。闪速和逐次逼近ADC采用并联电阻或串联电阻，这些方法的问题在于电阻的精确度将直接影响转换结果的精确度。尽管新式ADC采用非常精确的激光微调电阻网络，但在电阻并联中仍然不甚精确。sigma-delta转换器中不存在电阻并联，但通过若干次采样可得到收敛的结果。

Sigma-delta转换器的主要劣势在于其转换速率。由于该转换器的工作机理是对输入进行附加采样，因此转换需要耗费更多的时钟周期。在给定的时钟速率条件下，Sigma-delta转换器的速率低于其它类型的转换器；或从另一角度而言，对于给定的转换速率，Sigma-delta转换器需要更高的时钟频率。

Sigma-delta转换器的另一劣势在于将占空(duty cycle)信息转换为数字输出字的数字滤波器的结构很复杂，但Sigma-delta转换器因其具有在IC裸片上添加数字滤波器或DSP功能而日益得到广泛应用。

ADC比较器

图2显示了sigma-delta、逐次逼近和闪速转换器的分辨率范围，同时还给出了每种转换器类型的最大转换速率。如图所示，sigma-delta ADC的转换速率在逐次逼近ADC的转换速率范围以内，但比不上转换速率最低的闪速转换ADC。表中没有给出速率和精确度的折衷结果。例如，可以找到8至16位的逐次逼近ADC，但在给定的系列产品中16位ADC的转换速率并不是最快的；而且在闪速ADC中，速率最快的不是12位ADC，而是6位或8位ADC。

上述图表简要描述了ADC技术的当前发展状况。随着CMOS工艺的不断改进，逐次逼近转换的时间已由以前的数十微秒迅速下降至数微秒。虽然并非所有的技术进步都将对所有类型的转换器产生影响，CMOS工艺的改进仍将提高各类转换器的速率，但在ADC芯片上添加更为复杂的DSP功能并不能改进逐次逼近转换器的性能。DSP功能可以改进sigma-delta型ADC，因为该产品可以在芯片上添加更好、更快，也更复杂的滤波器。