ad转换器的类型逐次逼近型sigma-delta等

逐次逼近型（SAR）与Σ-Δ型（Sigma-Delta）模数转换器详解

模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）是现代电子系统中连接模拟世界与数字世界的桥梁，其核心任务是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字代码。根据不同的设计原理和性能特点，ADC可以分为多种类型，其中，逐次逼近型（Successive Approximation Register, SAR）和Σ-Δ型（Sigma-Delta，或称脉冲编码调制，Pulse Code Modulation）是两种应用广泛且各具特色的ADC技术。它们在转换速度、分辨率、功耗、成本以及抗干扰能力等方面存在显著差异，适用于不同的应用场景。

一、 逐次逼近型（SAR）模数转换器

逐次逼近型ADC是一种基于比较器和逐次逼近寄存器（SAR）的反馈式电压-数字转换器。其工作原理可以形象地理解为一个“猜数字”的过程。

1. 工作原理：

初始化：转换开始前，SAR寄存器被清零。模拟输入电压（Vin）被施加到比较器的输入端。

逐位逼近：转换过程通常在一个时钟周期内完成。时钟信号控制SAR寄存器从最高位（M）开始逐位进行试探。

比较与调整：对于每一位，SAR寄存器将该位的当前值设为“1”。然后，将这个由寄存器值产生的数字电压（通过DAC，即数模转换器，实现）与模拟输入电压Vin进行比较。比较器输出结果（比较结果为“大于”或“小于”输入电压）。

决策：如果比较结果显示数字电压大于输入电压，则该位被清零（表示“0”）；如果数字电压小于或等于输入电压，则该位保持为“1”（表示“1”）。这个决策过程反映了输入电压在当前位分辨率下的近似值。

迭代：这个过程从最高位（M）开始，依次进行到最低位（L）。每一位的决策都依赖于前一位及更高位的决策结果，因此称为“逐次逼近”。

结果输出：当所有位都处理完毕后，SAR寄存器中存储的代码即为模拟输入电压的数字近似值，并通过输出端口送出。

2. 关键特性：

结构相对简单：主要由一个比较器、一个SAR寄存器、一个DAC、一个时钟源和一个控制逻辑组成。电路规模较小。

转换速度较快：转换时间主要由时钟周期决定，对于N位转换器，其转换时间为N个时钟周期。对于中低分辨率（如8位、10位、12位）的ADC，其转换速度可以达到兆赫兹（MHz）甚至吉赫兹（GHz）级别。

分辨率可调：通过增加SAR寄存器的位数，可以方便地提高分辨率，但会相应增加转换时间和电路复杂度。

功耗适中：在中低分辨率下，功耗相对较低。

线性度较好：在正常工作范围内，其转换特性具有良好的线性度。

成本相对较低：对于中低分辨率，SAR ADC的制造成本通常比较经济。

主要缺点：对输入信号的采样率有限制，其采样率通常接近或等于其转换速率。对于高频信号或需要过采样的应用，性能会受到限制。它对噪声比较敏感，尤其是在输入端，需要良好的滤波来抑制噪声。

3. 应用领域：

由于其速度、分辨率和成本之间的良好平衡，SAR ADC广泛应用于消费电子（如数码相机、音频设备、电视）、汽车电子（如引擎控制单元、车身电子）、工业测量、数据采集系统（DAQ）等中低分辨率、中速的应用场景。

二、 Σ-Δ型（Sigma-Delta）模数转换器

Σ-Δ型ADC是一种高分辨率、高精度、低功耗的ADC技术，其核心思想是利用过采样（Over-sampling）和噪声整形（Noise Shaping）。

1. 工作原理：

核心结构：通常由一个积分器（Sigma部分）、一个比较器、一个1位DAC（或称为量化器）以及一个数字滤波器（通常为低通滤波器，即Delta部分）组成。其核心是一个负反馈回路。

过采样与量化：模拟输入电压Vin首先被送入积分器。积分器的输出被送入比较器，比较器将其与参考电压（通常是0V）进行比较，产生一个二进制（1位）的数字输出，这个输出由DAC转换回一个与输入电压极性相反的模拟电压。这个1位数字输出包含了输入电压信息，但噪声很大。

噪声整形：比较器的输出（1位数字信号）被反馈到积分器的输入端，与原始输入电压相加。由于比较器和DAC引入了量化噪声，这个反馈过程使得量化噪声被“整形”，即大部分噪声被推向了高频区域，而低频部分的噪声被显著抑制。

过采样优势：通过将采样率提高到奈奎斯特率（甚至更高）的许多倍（例如64倍、256倍、1024倍），Σ-Δ ADC可以利用数字滤波器（通常是FIR滤波器）有效地滤除被推向高频的量化噪声。滤波后的低频信号就是输入电压的精确数字表示。

数字输出：最终的数字输出通常是一个经过多级抽取（Decimation）处理后的低频高分辨率数字信号。

2. 关键特性：

高分辨率：通过过采样