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AD(模数转换)采样原理,类型详细介绍

ADC包括三个基本功能：抽样、量化和编码。抽样过程是将模拟信号在时间上离散化，使之成为抽样信号；量化是将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；而编码则是将数字信号转换成数字系统所能接受的形式。如何实现这三个功能就决定了ADC的形式和性能。同时，ADC的分辨率越高，需要的转换时间就越长，转换速度就越低，故ADC的分辨率和转换速率两者总是相互制约的。所以在发展高分辨率ADC的同时要兼顾高速，在发展高速ADC的同时也要兼顾高分辨率，在此基础上还要考虑功耗、体积、便捷性、多功能、与计算机及通讯网络的兼容性以及应用领域的特殊要求等问题，这样也使得ADC的结构和分类错综复杂。

ADC具有不同的转换速率，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。

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闪速ADC

闪速ADC是转换速率最快的一类。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。

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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。

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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的功能而日益得到广泛应用。