ADC的前世今生
ADC,在游戲中,這叫attackdamage carry(物理傷害輸出類型英雄)。但是在神奇的電子電路中,它叫analogto digital converter(模數轉換器)。
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現實世界中的模擬信號,比如電壓、電流、溫度、壓力等信號如果需要被采集顯示,都是通過模數轉換器采集實現的。比如我們通常使用的示波器、萬用表。
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初代的ADC最早出現的是10bit的逐次逼近型,最初稱為反饋減損型。其原理與稱重序列算法一致。如下圖所示,有1、2、4、8、32的稱重序列。對于未知的重量,則利用不同的序列進行組合,直到測量到相鄰的序列一個大于未知重量,一個小于未知重量。從而確定當前物體的重量。
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以此映射到ADC上,其拓撲結構如圖所示,將輸入的電壓與1/8Vr~7/8Vref進行比較,通過比較器輸出得到一個序列,根據序列確定當前輸入的電壓值。但是由下述結構也可以看出這種類型的ADC實現起來電路復雜,同時如果追求更高的精度也需要更多的比較器,不僅占用面積,也會大大增加成本。
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基于上述存在的問題,增加DAC的逐次逼近型ADC誕生了。拓撲結構如下所示。
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其結構中只需要一個比較器,在進行電壓采集時,DAC會輸出一個Vref/2,輸入電壓與這個Vref/2進行比較,如果輸入電壓大,比較器輸出0,說明Vin>Vref/2;如果輸入電壓小,比較器輸出1,Vin
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隨著逐次逼近型ADC日益受歡迎,其分辨率、采樣速率、輸入/輸出選項和成本開始出現多樣化。現在,很多SARADC提供片上輸入多路復用器,非常適合多通道數據采集系統。但是因為本類型的ADC需要進行多次比較,對于日益增長的高速的采樣就有點力不從心。所以SARADC在分辨率和采樣速度上有一個折中。
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所以Σ-Δ型ADC就此產生。它通常包括兩個模塊:Σ-Δ調制器和數字信號處理模塊,后者通常是數字濾波器,Σ-Δ型ADC的簡要框圖和主要概念如下圖所示。
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Σ-Δ調制器是一種負反饋系統,與閉環放大器相似。環路包含低分辨率ADC和DAC,以及一個環路濾波器。輸出和反饋被粗略量化,常常只有一比特表示高電平或低電平的輸出。ADC的模擬系統實現了這種基本結構,量化器就是完成采樣的模塊。如果存在保證環路穩定的條件,那么輸出就是輸入的粗略表示。數字濾波器獲得該粗略輸出并重構模擬輸入的精確數字轉換結果。
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隨著對各種Σ-Δ電路拓撲結構的探索進一步深入以及新工藝的發展,Σ-Δ轉換器的動態范圍和采樣速率必將越來越高。但是Σ-Δ轉換器并不是解決目前所有數據采集問題的萬能鑰匙。采樣頻率存在上限,因此不適合視頻應用;由于內部數字濾波器的建立時間較長,多路復用輸入難以實現;超范圍信號可能導致內部調制器飽和。
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上述兩種即為當前比較流行的ADC架構。也是代表了通用高精度ADC的發展趨勢。