资源描述
3.2 模数转换器 (ADC) 参数及其电路形式
模数转换器(Analog-to-Digital Converter) 简称ADC它是一种将模拟信
号转换成相应的数字信号的装置或器件。 模拟信号是指那些在时间上和数值上都
是连续变化的信号。自然界中各种物理量，如声、光、力、热等，在时间上和量
的大小上也都是连续变化的。 这些物理量经过传感器可以被变换成电信号， 以便
用电子技术手段来处理。 而大多数传感器变换得到的电压、 电流信号仍然是连续
的。显然，这种连续变化的电压、电流信号属于模拟信号。模拟信号需要用模拟
仪表指示， 用模拟电路进行信号加工、 用模拟计算机进行处理。 而模拟系统对外
界电磁干扰、 环境温度的变化、 电子元器件的参数变化都是比较敏感的， 因此一
个高质量的模拟系统是非常昂贵的。
高速ADC勺速度已达1GHz^上，高精度ADC勺分辨率已达24位；高速DAC 的速度也高达500MHz高精度DAC勺分辨率己达18位。这样的指标已可以满足 绝大多数电子设备对器件的要求，包括某些特殊应用场合的要求。
模数转换过程
任何ADCfB包括三个基本功能：采样、量化和编码。①采样过程将模拟信号
在时间上离散化， 使之成为抽样信号； ②量化将抽样信号的幅度离散化使之成为
数字信号； ③编码则将数字信号最终表示成数字系统所能接受的的形式。 如何实
现这三个功能就决定了 ADC勺形式和性能。
采样定理规定： 采样频率应最少大于输入信号中最高频谱分量的两倍。 下图
是采样过程：
量化区间 4整。）
（3制）। （V）
叼 Q h 片 工6 t? tq tq t
oio ktw iw in m lie ioi on w wi
采样量也结果
静态特性指标
ADC的静态特性是指它的 实际量化特性。理想ADC役有电品&误差）的量化特 性仅由它的量化方式、输出数字的位数和码制决定的。但实际ADC±存在着各种 误差：①失调误差、②增益误差，③积分非线性、④微分非线性误差和⑤温度、 时间和电源变化所引起的误差漂移 等。
动态特性指标
ADC勺动态特性主要由转换时间和速率两个相关的技术指标来描述。
一.常用术语和主要技术指标
1 .位(Bit),字节(Byte),字(Word)
2 .最低有效位 Least Significant Bit( LSB 最高有效位 Most Significant Bit( MSB
3 .分辨率(Resolution)
分辨率指模数转换器在转换中所能分辨的最小量。 两种表示方法。①习惯上 用转换结果的位数表示。例如，称12位ADCM有12位分辨率。②分辨率有时也 用最低有效位LSB的量化步长表示。例如，把12位ADC勺分辨率说成1/212或1 /4096。
4 .输入信号的单极性方式(Unipolar Mode)、双极性方式(Bipolar Mode)
输出数字量的编码方式
①当ADC勺模拟输入电压只允许为正电压或只允许为负电压， 即为单极性方
式，转换结果简单地用无符号的二进制数表示。
例如：当摸拟输入信号为单极性时(如：0V〜+ 10V),八位ADC勺数字输出 采用无符号数表示，即：0000,0000B对应0V; 1111,1111B对应+ 10V。
②当ADC勺模拟输入电压既可为正电压，也可为负电压时，即为双极性方式， 转换结果有多种表示方式。下面以：输入—10V〜+10V的双极性信号的8位ADC 的转换输出码(三种)为例加以说明：
等效十进制数
原相(符号镌值)
偏移码
补碍
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01111111
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⑴.二进制原码
二进制原码的编码规则是：代码的最高位为符号位， 0 为正数； 1 为负数；
其它各位为数值位， 以常规二进制方式编码， 其大小与双极性摸拟输入电压的绝
对值相对应。这样的编码规则比较简单，易于阅读和理解。
⑵.二进制偏移码
二进制偏移码的编码规则是： 定义二进制代码序列的中点的编码对应于模拟
输入的零电压；二进制代码全 0 为负数最大值 ( 绝对值 ) ，对应于模拟输入的负
满度电压； 二进制代码全 1 为正数最大值， 对应于模拟输入的正满度电压。 这种
编码方式在电路上比较容易实现，因此在 ADC中得到广泛的应用。
⑶.二进制补码
二进制补码的编码规则是： 正数的补码与原码相同， 负数的补码等于与其对
应的数值位 ( 不包含符号位 ) 取反后加一。符号位与原码相同， 0 为正数， 1 为负
数。 采用补码的最大优点是在数字系统中可以用加法运算代替减法运算， 有利于
简化运算器的结构， 所以它在数字电路和计算机系统中得到广泛的应用。 二进值
补码的数值位与二进制偏移码的数值位完全相同， 唯一的差别是二者的符号位相
反。因此，二者之间的相互转换非常简单，只需把最高位取反。
5 . 满度范围 ( 量程 ) Full-Scale Range(Span)
满度范围、量程、输入范围 (Input range) 、输入量程 (Input span) 均指模
拟输入量的最大允许值与最小允许值之差，英文缩写为 FSR。
对 于双极性 ADC， 还把模拟输入量的正 向最大允许值称为 正满度值
(Positive Full-Scale) ，通常对应的二进制数全为 1；把负向最大 (绝对值 )允
许值称为负满度值 (Negative Full-Scale) 、通常对应的二进制数全为 0。
如：
12-Bit100kSPS
A/D Converter
AD1674*
FEATURES
Complete Monolithic 10 |is Sampling ADC
On-Board Sample-and-Hold Amplifier
Industry Standard Pinout
8- and 16-BiC Microprocessor Interface
AC and DC Specified and Tested
Unipolar and Bipolar Inputs
±5 V, 土10 V, 0 V-10 % 0 V-20 V Input Ranges
Commercial Industrial and Military Temperature Range Grades
MIL-STD-883 and SMD Compliant Versions Available
MIL-STD-883 :美国军标，高可靠性
SMD : Surface Mount Device 表面贴（标贴）器件
6 .量化误差(Quantizing Error)( 以下是理想特性)
C ， 尊 , B B 曷 Y糅F
(u)量化误差USB
由于ADC勺有限分辩率，量化误差是模拟输入量在量化取整过程中所引起的 误差，又称量化不确定度。量化误差是模数转换器固有的，具大小与分辨率直接 相关，通常为± 1/2LSB或± 1LSB模拟输入量。
(b)理想转换曲线，量化快差士(1/2)L5B
图3-1模数转换(3Bit)关系曲线
(如左图：输入模拟量在0T/8之间时都量化为数字量：000B)
(如右图：输入模拟量在0〜1/16之间时都量化为数字量：000B
输入模拟量在1/16〜2/16之间时都量化为数字量：001B)
两种量化方式的误差曲线：
7 .代码宽度(Code Width)
在模数转换曲线的相邻两个变迁点之间对应的 模拟输入量的差值称为代码
宽度，理想代码宽度是满度范围的1/2n,即1LSB
(如上图：为 2/8—1/8=1/8)
8 .零位误差(失调)Zero Error(Offset)
输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。
零位误差又称输入失调，为实际模数转换曲线中数字0的代码中点与理想模 数转换曲线(见图3-1)中数字0的代码中点的最大偏差。多数ADC可以通过外部 电路的调整，使零位误差减小到接近零。
当ADC工作在单极性方式时，从数字 0到数字1的变迁应发生在1/2 LSB 模拟输入电压处， 实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为单极性 失调
(Unipo1ar Offset)。当ADC工作在双极性方式时，从数字01仆・111到数字100… 000的变迁应发生在-1/2LSB模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的 偏差称为双极性零位误差(Bipolar zero error) 。
失调误差
9 .增益误差和满度误差 Gain error and Full-Scale error
满刻度误差(Full Scale Error )满度输出时对应的输入信号与理想输入 信号值之差。
理想ADCE接近满度的最后一次变迁应发生在比满度值低 1/2LSB模拟输入
量处。实际ADC!后一次变迁对应的模拟输入量与理想值之间的偏差称为满度误 差。增益误差则是指实际ADC在量程内的最后一次变迁与第一次变迁对应的模 拟输入量之差与理想值之间的偏差，通常用该偏差值相对于满度范围的百分比 (%FSR/示，也常用LSB的倍率表示。增益误差也可以定义为模数转换特性曲 线的实际斜率与理想斜率之间的偏差。多数ADCM以通过外部电路的调整，使增 益误差减小到接近零。
尸S
10 .相对精度 Relative accuracy
相对精度是指在满度范围被校准的情况下， 任意的数字量所对应的模拟量实
际值与理论值之间的偏差最大值，用相对于满度范围的百分比 (％FSR域LSB的
倍率表示。实际上，相对精度是积分非线性误差 的另一种说法。
11 .积分非线性误差 Integral NonLinearity error(INL)
从图3-1可以看出理想模数转换曲线的代码 中点的连线是一条直线，实际模 数转换曲线的代码中点与这条直线之间的最大偏差就是积分非线性误差
12 .微分非线性误差 Differential Non-Linearity error(DNL)
ADC勺实际代码宽度与理想代码宽度之间的最大偏差称为微分非线性误差， 常简称为微分误差，以LSB为单位。微分非线性误差也常用无失码分辨率表示。
13 .失码 Missing code
如果某个代码的微分非线性误差为-1LSB,表明该代码宽度等于零，从模数 转换特性曲线上看少了一个阶梯， 该代码丢失了，即失码。此时当模拟输入电压
在该代码附近变化时，该代码并不会出现。而直接跳到上一个代码，这表明该 ADC勺有效分辨率降低了一位。例如，当一个 12位ADCJ在1LSB的失码，则有
效分辨率为11位。这个有效分辨率又称为无失码分辨率，其含义是当把该 12
位ADCI■彳ll位分辨率时，就不存在失码了。如果一个12位ADC勺无失码分辨
率为 10 位，则说明最大的失码达 2LSB。
14 . 转换时间和转换速率 Conversion time and Conversion rate
ADC 完成一次转换所需的时间称为转换时间 （ 模数转换从启动到结束所用的
时间）。①对于大多数ADCfe说.转换时间的倒数即为转换速率（每秒转换次数）。 ②但某些高速ADC&口分级流水型）的转换速率可能高于转换时间的倒数， 这是因 为在前一次模数转换结束之前，就开始了下一次的转换。对于采样ADC来说，转 换速率应为转换时间和采样保持所需时间之和的倒数。
二.模数转换器（ADC）的分类
实现模数转换的方法很多，不同电路结构的ADC勺工作原理差异很大。性能 上的差异也可能很大。每一个实际的ADCB了必备的转换电路，还需要适当的模 拟输入信号处理电路、数字输出信号接口电路等。因此， ADC勺种类非常多，分
类问题也就比较复杂。 从不同的角度看， 存在不同的分法。 下面从不同的侧面出 发，对ADC8行粗略的分类，使大家对 ADC勺种类有一个初步了解。
1. 按转换信号的关系分类
（1） . 直接转换型 ：转换电路把模拟输入信号 （ —般是模拟电压 ） 直接转换成
数字信号，并经数字接口输出，转换过程中不出现中间
变量。如：并行比较型、逐次逼近型等 ADC匀属直接转
换型。
（2） . 间接转换型 ： 转换电路首先把模拟输入信号转换成某个中间变量， 然后
把这个中间变量再转换成数字信号并输出。 最常见的间接
转换型ADCT电压-时间型（VT型）和电压-频率型（VF型）。 前者中间变量是时间问隔（如：积分型ADC）;后者中间变 量是频率（如：压频转换型ADC）虽然转换过程经过中间 变量， 但由于模拟输入与中间变量之间以及中间变量与数
字输出之间的转换电路结构简单， 因此容易以较低的成本
达到较高的精度。
2. 按转换电路结构和工作原理分类
按不同的转换原理设计出结构各不相同的转换电路， 由于电路结构是影响转
换器性能的主要因素，因此，这是 最主要 的分类方法。
(1) 并行比较型 ( 闪烁型 )ADC( 数字输出是同时形成的 )
这种转换器包含 2n-1 个电压比较器，参考电压 Vref 被分压成 2n 阶， Vref
/2n, 2Vref/2n, 3Vref/2n,…，(2n-1)Vref /2n分别加到这些电压比较器的 参考端， 模拟输入电压同时加到所有电压比较器的输入端。 输入端电压高于参考
端电压的比较器输出为 1，否则输出为 0。 2n-1 个比较器的输出 ( 连同“零”有
2n 个输出 ) 经过数字编码获得 n 位二进制数、即数字输出值。这种转换器的工作
原理十分简单，转换器的 2n-1 个电压比较器完全是并行工作的，因此得名“并
行比较型”，习惯上也称为“全并行”。这类ADC的转换速率可高达几十兆次每秒， 是各类ADC^转换速度最高的，因此也有“闪烁(Flash)型” ADd称。
并行比较型ADC所含比较器的数量(关系列芯片尺才)与分辨率n呈指数关 系， 又由于要实现高速转换， 每个比较器都必须在相当高的功耗下工作， 构成分 压器的每个参考电阻的阻值也很低，以便向高速比较器提供足够大的偏置电流，
因此芯片尺寸和功耗将限制了这类转换器的分辨率。就目前 ADC 的制造工艺而
言.并行比较型ADC勺分辨率一般为6—8位，最高达10位。
特点：速度最高，分辨率低，功耗大。
(2) 分级型或分量程和流水线型 ADC
分级(Subranging)型ADG巴一个高分辨率的n位模数转换分成两级(或多级) 较低分辨率的转换，第一级用一个 m(< n=位并行比较型转换器完成粗转换，转 换结果作为n位中的高m位，转换误差小于m位的最低有效位；第二级用一个 k( =n。分级转换可以大大减少电压比较器及分压 电阻的数量，以12位ADE例，并彳T比较型ADCB要212-1( =4095)个比较器； 如果分成各6位两级转换，则只需要26-l十26-l( =126)个比较器。这种分成两 级转换的ADCX称为“半闪烁" ADC分成二级或三级以上转换的 ADCW为“多 级 (MultiStep) ” ADC。
分级转换必然影响转换速率。作为提高转换速率的方法是采用多级保持器，
第—级转换余下的误差电压被保持在第二级保持器中， 在第二级转换同时， 第一 级就可以对输入电压进行下—次采样和转换， 这就大大提高了采样速率， 这就是 “分级流水 (Pipeline) 型” ADC。
特点：是并行ADCffi流水线型结构的结合。具有高速高分辨率的特点。
(3) 逐次比较型 ( 逼近，近似 ) 型 ADC
这种ADC1用一个电压比较器将本K拟输入电压与一个 n位DAC勺输出电压进 行比较，这个n位DAC勺数字输入是出一个逐次逼近寄存器提供的。 逐次逼近寄
存器在转换器的控制电路控制下，从高位到低位逐位被置 1或清0,使DAC勺输
出电压逐步逼近模拟输入电压， 经过 n 次比较和逼近， 最终逐次逼近寄存器中的 数字(即DAC的卒&入)就是模数转换的结果。逐次逼近的过程类似于用天平和整码 称量一个物体的质量， 从大砝码到小砝码逐一试称的过程。 由于要经历 n 次比较，
所以转换速度不如前两种， 但转换器包含的元件数量较少， 能以较低的制造成本 获得较高的分辨率。因此在中、低速应用场合得到广泛应用。
特点：速率和分辨率都适中，使用最为广泛。
(4) 跟踪计数型 ADC
跟踪计数型与逐次逼近型有相似之处， 转换器包含了一个电压比较器和—个
n位DAC但一个可逆计数器代替了逐次逼近寄存器和控制逻辑。可逆计数器在 时钟脉冲作用下不停地计数,计数器的值作为DAC勺数字输入。电压比较器的输 出控制了可逆计数器的计数方向，使DAC的输出不停地跟踪模拟输入电压，计数 器的值即为ADC的数字输出值。跟踪计数型 ADC勺电路结构比逐次逼近型简单， 计数器能及时跟踪模拟输入电压，特别适用于需要快速跟踪的伺服系统。
(5)积分型ADC区称为：双积分，双斜率)
从转换信号的关系来说，积分型ADCH于间接转换型。转换器中的积分器把
模拟输入电压转换成与之成比例的时间间隔， 在这个时间间隔内一个 n 位计数器
对频率固定的时钟脉冲计数， 最终的计数值与时间间隔成正比， 反映了输入平均
电压的大小。 为了减小积分器的元件参数和参考电压对积分精度的影响， 通常要
对输入电压和参考电压各进行一次积分，因此又称为双积分型 ADC积分器和计
数器结构简单，成本低，此外积分器具有低通特性，能抑制高额噪声，但工作速
度比较低，因此积分型ADCt广泛用于低频、高精度的数字仪表电路中。
特点：测平均电压，抗工频干扰。低速、高精度。数字万用表中大量使用。
(6) 压频转换型 ADC
压频转换又称VF转换。首先把模拟电压转换成频率与该电压成正比的脉冲信号，
然后在单位时间内用计数器对脉冲计数， 计数值与频率成正比， 反映了模拟电压
的大小。显然，VF型也属间接转换型，中间变量是频率。专用的 VF转换芯片已
非常成熟，再与计数器配合可以构成高分辨率、低成本的 ADC。
(7)工-△型 ADC
汇-△型ADCZ很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速率将模拟信号数字 化，利用过采样技术、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率。 近年来汇-△
模数转换技术发展很快，转换分辨率已高达 24 位，在各类模数转换器中分辨率
是最高的， 因此在低成本、 高分辨率的低频 (直流到音频 ) 信号处理场合得到了广
泛应用，有取代双积分型ADC勺趋势。
(8) 一位串行流水线型 ADC
(9) 算术型 ADC
2. 根据输出数字的位数 ( 分辨率 ) 分类
常见的ADC的分辨率在6位至24位，分辨率的高、低不易作确切的划分，
它与使用的场合和不同历史时代的制造水平有关。但习惯上把 6— 8 位称为低分
辨率， 12— 16位称为中分辨率，而高分辨率通常指 16位以上。
(1) 二进制： 6， 8， 10， 12， 14， 16， 20， 24 位
(2) 十进制： 3 位半 (0000---1999)
4 位半 (00000---19999)
5 位半 (000000---199999)
分辨率与转换电路结构有一定的联系。 但不能看成某种固定关系。 例如， 并 行比较型ADC勺分辨率多半不高，而大多数汇-△型ADO高分辨率的。逐次逼 近型ADC则既有8位的，又有中、高分辨率的。
3. 根据转换速度分类
不同ADC勺转换速率差异很大。如同分辨率一样，转换速率的高、低也不易 作确切的划分， 但习惯上把转换时间在毫秒量级的称为低速， 转换时间在微秒量
级的称为中速，转换时间在纳秒量级的称为高速。
低速：几十 kHz 以下
中速：几十 kHz--- 几百 kHz
高速：1MHz-几十MHz
超高速：100MH拟上
4. 根据ADC勺输入信号的路数分类
大多数ADC的模拟输入信号直接进入转换器的输入端，但也有不少ADC勺模 拟输入电路带有某些模拟信号处理电路，常见的功能电路有：
(1)采样保持器，带有采样保持器的 ADCW为采样ADC
(2) 单路或多路模拟开关，可以实现多路数据采集。
(a)单路：如 AD1764 12 位 100kSPS A/D转换器。
(b)多路：a)不带S/H,多路切换，分别转换。如：ADC0809(8路8位) b)带S/H,多路切换，分别转换同一时刻的输入。
如：ADC7874(4M 12 位)
(3) 可编程增益放大器，以便适应不同幅度的模拟输入信号。
(4) 差动输入电路，以提高共模抑制能力。
5. 根据与CPU勺接口方式分类
ADC勺数字输出端通常要与数字信号处理电路或微处理器相连， 信号连接电
路称为接口，常见接口分为：
(1) 并行接口
ADC的n位转换结果通过多位数据线(可能是n位，也可能是8位)同时输
出， 称为并行输出。 完成并行输出的接口电路称为并行接口。 并行接口的
数据传输速率高， 接口电路比较简单， 程序设计比较容易， 但占用芯片引
脚多，体积大。
(2) 串行接口
ADC的n位转换结果通过一条数据线逐位输出，称为用行输出。完成用行
输出的接口电路称为串行接口。 为了使串行数据的传输能与微处理器的数
据接口同步， 通常需要有相关的同步时钟信号。 串行输出的数据传输速率
低，但占用芯片引脚少，体积小，并能减少微处理器端口的占有量，便于
简化系统的结构． 并能适用于远距离的数据传送。 因此， 近年来具有串行
接口的ADC5片种类增多。
6. 可编程模数转换器
传统的ADC的内部结构是固定的，也就是说，某一个特定型号的模数转换芯
片的主要特性是一定的， 用户无法改变它。 但随着可编程技术的发展， 近年来出
现了不少可编程模数转换芯片。 用户可以通过编程改变模数转换芯片内部的部分
结构的组态， 以满足不同系统的设计要求， 如通过编程设置分辨率、 模拟输入的
量程、选择内部数字滤波器的工作方式、改变数字输出接口的方式等。
7. 模数转换子系统
模数转换器被广泛用于数字仪表、 数据采集、 数字通信等各类系统中， 为了
构成一个完整的系统， 通常还要连接采样保持放大器、 模拟开关、 数字信号处理
器、 数字显示电路等多个外围芯片。 然而随着集成电路制造技术的进步， 芯片设
汁师们把许多原来由外围芯片完成的功能集成到 ADC5片中去了，使系统结构大
为简化。 例如， 把可编程放大器、 多路模拟开关和模数转换器集成在一个芯片上，
构成数据采集系统，某些 ADC5片上还集成了数字信号处理器、微处理器、存 储器等部件。这些单片系统就是“模数转换子系统” ，或称“片内系统（System
on-Chip） ”。
三.各种ADC的基本工作原理
1 .逐次逼近（逐次比较）型ADC
1.1 （传统）逐次逼近（逐次比较）型ADC勺基本原理
术语：SAR（Successive Approximation Register）
这种转换技术基于逐次逼近寄存器 （SAR,或称为位权衡转换。采用一个比 较器对输入电压和一个N位数模转换器（DAC的输出进行比较（权衡）。将DAC 输出用作参考电压，经过总共N次比较就可得到最终转换结果，其中每次比较完 成一位的转换。
(0E)
控制电路
启动（START） 时钟（CLK）
第一步将DAC的最高有效位（MSB保存到SAR接着将该值（MSB对应电
压与输入进行比较。比较器输出（高或低）被反馈到 DAC并在下一次比较前对
其进行修正（下图）。在逻辑控制电路的时钟驱动下，SAR不断进行比较和移位 操作，直到完成LSB位的转换，此时所产生的DAC俞出逼近输入电压的+-1/2LSB 当每一位都确定后，转换结果被锁存到 SAR^作为ADC俞出。
SAR专换器包括一个比较器、一个 DAC 一个SARffi一个逻辑控制单元，采 样速率可达IMsps功耗低，并且具有最低的制造成本，但其模拟设计要求较高 并耗费时间。与流水线转换结构相比，SARADCI供较低的输入带宽和采样速率， 但不存在延迟问题。
1.2 (传统)逐次逼近型ADC的改进
1.3 电荷重分布式逐次逼近型ADC勺基本原理
随着MO散术的不断发展，一种以电荷为转换辅助量的新型逐次逼近型 ADC
正越来越多地被采用。由于在MOSfe路中可以较容易地制造出小容量的精密电容 (这里主要关心其相对精度，绝对精度并不重要)，而且，MOSI路中的电容损耗 极小，因此，从集成电路制造工艺的角度来看，以电容阵列 (Capacitor Array) 为基础的、采用电荷重分布(charge redistribution) 技术的逼近型ADC是高效
和经济的。下面以一个四位电荷重分布式逼近型 ADC勺基本电路为例说明其工作 原理。
JL
图3-3四位电荷重分布式逼近型 ADC勺基本电路
上图是一个四位电荷重分布式逼近型 ADC的基本电路，其核心部分为一权电
容网络，各电容的容量按二进制权重分配。电容网络中最小权重的电容有两个， 其电容量为c。因此总的电容数量为N+1个（N为转换器位数），即C3= 8c, C2= 4c, Cl = 2c, C0= c, C0' = c共五个。总电容量为16c。电路中的开关用 MO第 来实现，A为一电压比较器,SAR为逐次逼近寄存器。
电荷重分布式逼近型ADC勺转换过程共分为三个步骤完成。
第一个步骤为采样过程。此时，①上面开关 Kc闭合接地，②Ks接至被测 电压Vx,电容C" C0'经开关K3〜K0'接到右侧与Vx接通（注意：在第一、二步 骤中，K3〜K0'不是由SAR空制的）。③这时被测电压Vx对电容网络中各电容进 行充电。④充电结束时，各电容被充至 Vx,总的电荷量为Qx= 16cVx0
第二个步骤为采样保持过程。此时，① Kc断开，电容C" C0'经开关K3〜 K0'接到左侧与地接通。②因为各电容中的电荷不变，其两端电压也不变，所以 Va=-Vx。比较器输入端的总电荷量 Qa= -Qx = -16cVx。该电荷量被称之为初始 电荷量。
第三个步骤为主要的转换过程。①首先，Ks接至参考电压Vref,而且，电 容C” C0的开关K3〜K0转而受SAR空制（C0'的开关K0'不受SAR空制，在本步 骤中始终接地）。②然后，从最高有效位（MSB）所对应的电容（本电路中是C3）开 始，每个电容的开关依次由接地状态转而接通 Vref,进行逐次逼近转换，并由
比较器的输出状态来决定该开关是保持接在 Vref ,还是重新接地。③具体过程
是：首先，令SAR的b3= 1,使C3下面的开关K3由接地状态改为接Vref,等效 电路见图3-4,此时比较器A输入端总电荷应为：
Qa C3（Va-Vref）+（C2+C1+C0+CO, ）（Va-0）
=16cVa-8cVref
图3-4最高有效位（MSB）f专换过程的等效电路
求出电压 Va=?
由于整个过程中无充放电电流通路， 根据电荷守恒原理， 此时比较器 A 输入
端的电荷量仍应为采样保持期间的初始电荷量， 只是电荷发生了重新分配导致比
较器的反相端电压VA发生变化(-Vx和Va分别是变化前和变化后的电压)，所以 有：
-16cVx = 16cVa-8cVref
因此，解出比较器反相输入端的电压 Va 为：
Va= -Vx+Vref/2
(1)当Vx0,比较器A输出为“0"，SARU存器的最高位 应该是b3=0 (猜测错误)。这时，K3应重新接到地。显然，电荷发生重新分配。 根据电荷守恒原理,Va将回到本次逼近前的电压值,即 Va=-Vx。
(2)当Vx>Vref/2时，Va<0,比较器A输出为“1"，SARU存器的最高位 b3=l (猜测正确)。这时，K3保持接Vref。所以，在第一次逼近后比较器 A输 入端电压为：
Va= -Vx+b3(Vref /2)
类似地可以完成所有位的逐次逼近。最终当所有位的逼近过程完成后：
Va=-Vx+b3(Vref/2)+b2(Vref/4)+b1(Vref/8)+b0(Vref/16)
b3b2b1b0即为转换结果，这时的 Va为量化误差，最大不超过 Vref/16 ,即 1LSB。
电荷重分布式SAF© ADC的特点小结：
(1) 从基本工作原理可以看出：尽管比较器 A 输入端总电荷量在逐次逼近过
程中始终保持不变， 但是， 随着逐次逼近过程的进行， 权电容网络中各电容两端
的电压在不断变化，因而导致总电荷量 Qa在各电容之间不断重新分布，故而得 名。
(2)电荷重分布式逼近型 ADC勺结构比传统逼近型 ADC5简单，不再需要完 整的模数转换器作为其核心。由于在MOSI路个控制电容网络各电容的相对精度 (即各电容之比)要比传统远近型ADC^控制精密电阻的相对精度 要容易，因此， 电荷重分布式逼近型ADC的实现是较为经济的。
(3)另外，因为电容网络直接使用电荷作为转换参量，这些电容已经起到了采 样电容的作用，所以.在一些电荷重分布式逼近型 ADC勺应用中可以不必另加采 样保持器(例如在使用AD676时，可以不用采样保持器)。特别是由于使用电容网 络代替了电阻网络，消除了电阻网络中因温度变化及激光修调不当引起的阻值失 配，从而很大程度上克服了由此所导致的线性误差。
SAR® ADC的特点小结：
SAR ADCL目前最流行的一种ADC因为其电路结构简单，功耗低。
现彳t SAR ADCTB采用采样保持电路，对直流和交流信号都可处理。
它的精度主要取决于其内部的 DAC的精度。
SAR ADCS合中等*$换速率(<1MSPS相中等分辨率(12或16位)应用场合。
目前12位的采用速率可达1MSPS 16位可达300KSPS
如：ADI 公司的 AD7892(12 位 600KSPS) AD976/977(16 位 100kSPS), AD7882(16位 300kSPS>
ZkMXI/kl
芯片实例：MAX195
f 6-Bit, 85ksps ADC with 10jjA Shutdown
General Description
The MAXI 95 is a 16-bit successive-approxlmation ana- log-to-digital converter (ADC) that combines high speed, high accuracyz low power consumption, and a 1OpA shutdown mode. Internal calibration circuitry cor rects linearity and offset errors to maintain the full rated performance over the operating temperature range with out external adjusunents. The capacitive-DAC architec ture provides an inherent 85ksps track/liold function.
The MAX195, with an external reference (up to +5V), offers a unipolar (OV to Vref) or bipolar (-Vref to Vref) pin-selectable input range. Separate analog and digital supplies minimize digital-noise coupling.
The chip select (US) input controls the three-state serial data output Tha 01 itpiit can rAad AithAr during convpr- sion as the bits are determined, or following con/ersion at up to 5Mbps using the serial clock (SCLK), The end-of- conversion (EOC) output can be used to Interrupt a processor, or can be connected directly to the convert Input (CONV) for continuous, full-speed conversions.
The MAX 195 Is available in 16-pin DIP, wide SO, and ceramic sidebraze packages.
Applications
Portable Instruments
Audio
Industrial Controls
Robotics
Multiple Transducer Measurements
Medical Signal Acquisition
Vibrations Analysis
Digital Signal Processing
Pin Configuration
TOP VIEW
Ia«3Nln]I2Il]«3I]
MAX195
rE叵[I叵叵叵叵 CLKSCLKVDDODOUTiEOCcs
BPMP/SHCW
DlP.Wide SO/Ceramic SB
Features
♦ 16 Bits. No Missing Codes
♦ 90dB SINAD
♦ 9.4ps Conversion Time
♦ 10pA (max) Shutdown Mode
♦ Built-In Track/Hold
♦ AC and DC Specified
♦ Unipolar
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