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[原创] SAR ADC基本原理学习

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发表于 2017-2-18 09:17:57 | 显示全部楼层 |阅读模式

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今天我们来学习SAR ADC喽。逐次逼近寄存器型模数转换器(Successive-Approximation Analog to Digital Converter),是一种常用的A/D转换结构,其较低的功耗表现,还不错的转换速率,在有低功耗要求(可穿戴设备、物联网)的数据采集场景下广泛应用。

Sar ADC的历史可以追溯到16世纪,古人使用等比配重的方式称量物体重量。图1是1954年使用全真空管实现的11位 50KSPS的Sar ADC,也是首款商用的产品,歪果人真是厉害。在该领域ADI公司有着突出的表现和标志性产品,有兴趣的同学可以参考ADI的文档。

http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-021.pdf

ADC中1.jpg

图1

逐次逼近,顾名思义,多次转换和Bit计算中,A/D数字码输出逐渐逼近输入值。其算法核心就是“二分搜索(Binary Search)”,该算法能够高效快速的接近目标值。

举例说明,假如要请您猜测一个0~100范围内的被猜实数,您的每一次猜测,您只能得到猜测值被猜实数的比较结果,“高了”或者“低了”的答复。请在有限的猜测次数后,得到最接近被猜测实数猜测值。该过程可以用如图2所示的猜测过程来表示。

ADC中2.jpg

图2

在图2中,两个被猜实数分别为9.8和70.1。可以看到使用二分搜索的方式,第一步确定被猜实数是否大于50,根据第一次的猜测结果,决定下一次二分搜索的区域。通过4次判断,最终得到了6.25和68.75的猜测结果。这也是有限次数误差较小的一种猜测。

对于SAR A/D来说,其输出是二进制的数字码,结合图2的猜测过程,我们可以看到,二分搜索的过程需要首先确定MSB(Most Significant Bit)位的值,依次向低位搜索,直到LSB(Least Significant Bit)得到确定,其中需要有数字码到其代表的离散模拟量的转化过程(DAC实现),被猜测实值(模拟输入)和数字码对应的离散模拟量的判断(比较器实现)。其功能框图如图3所示。其中还包含了对输入的采样保持部分,控制逻辑及逐次逼近所需的数字电路部分。

ADC中3.jpg

图3

注意图2中用于和猜测结果比较的基准,等效为图3中DAC的输出。其输出结果的准确程度和均匀程度会直接影响到SAR ADC整体的性能, 因此需要选择合适的DAC架构实现。

目前常见的开关电容DAC,又称电荷再分配DAC。电容匹配精度仅受工艺过程中的光刻精度影响,容易实现SAR ADC精度和线性度的要求。该结构还有如下优点,将DAC和采样保持部分融合为一体,简化了电路的复杂度。

ADC中4.gif

图4

一个简易的4bit电荷再分配结构及工作过程如动图4所示。其中电容容值以2^N比例形式排列,b1~b5依次为最高位到最低位。其中Sample Phase用于采样输入信号,Hold Phase是采样完毕,等待转换的阶段,此过程结束后,输入电压Vin以电荷的形式存储在二进制排列的电容上。Bit Cycling是过程为逐比特确认的过程。各阶段Vx节点电压及逐比特计算的过程如图5所示。

ADC中5.jpg

图5

Sar ADC典型的时序如图6所示,通常对输入信号的采样Sample需要多个时钟周期,具体所需时间为受分辨率影响,采样后输入信号建立误差应小于1/2 LSB。保持Hold和转换过程,需要N个时钟周期,如果存在校准的过程,则需要更多的时钟周期。

ADC中6.jpg

图6

好了,这期的内容就先到这里了,更多往期内容可以关注小牛牛的公众号,谢谢大家的支持~

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发表于 2017-2-19 18:23:33 | 显示全部楼层
感谢分享。。。。
 楼主| 发表于 2017-2-22 19:54:10 | 显示全部楼层
回复 2# liudehua934


   谢谢
 楼主| 发表于 2017-2-22 19:55:46 | 显示全部楼层
回复 2# liudehua934


   谢谢
发表于 2017-6-5 13:44:37 | 显示全部楼层
thanks for sharing
发表于 2017-6-28 22:17:59 | 显示全部楼层
赞,期待LZ更多关于SAR ADC的相关学习分享!!
发表于 2017-6-30 14:38:31 | 显示全部楼层
看看分享
发表于 2017-6-30 23:53:32 | 显示全部楼层
謝謝 很清楚
发表于 2017-7-1 14:20:00 | 显示全部楼层
虽然没看懂,但是谢谢分享!
发表于 2017-7-8 11:59:42 | 显示全部楼层
Hi,请问学习异步SAR有什么比较好理解的材料吗?
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