主要ADC采样技术简介和SAR ADC原理介绍

大家好 欢迎大家参加TI工业研讨会 我是TI Century FAE Igor An 主要负责数字电源和电极控制相关算法开发 今天我将为大家介绍TI在电压电流采样相关的技术 主要是电压电流采样中的所应用的ADC不同种类 以及不同ADC实现方式的相关细节 我将分为下面五个部分 给大家进行介绍 第一 简单介绍当前主流的ADC实现技术 以及相关技术的各自特点 第二详细介绍SAR ADC的基本原理 和基本实现方式 那当然是从我们半导体级别的这种 介绍实现方式开始 第三 是Delta Sigma的基本实现方式 第四是SAR ADC和Delta Sigma ADC 的一个比较 第五是所有的ADC的相关的模拟前端 如何设计 那我们是想通过这样简单的一个介绍呢 让大家了解不同ADC在半导体级 它的具体实现方式 来让大家结合自己的项目需求 更好的采用不同种类的ADC采样 来实现自己的系统性能指标 同时 我们更加了解了ADC在半导体内部的 这种实现方式和结构 以便于 我们更好的设计自己的模拟前端 来使ADC达到一个更优良的性能 首先给大家简单介绍一下ADC的不同种类 当前在工业界经常用的ADC 主要的还是我们的这个SAR ADC 全称是Successive Approximation Register 还有近些年刚出来的Delta Sigma ADC 还有Pipeline 这张图比较清晰的展示了不同的ADC技术 在这个采样速率和分辨率 就是这个ADE的位数的大概的关系 我们可以看到常用的SAR ADC从技术本身 来看 它的采样范围大概是从1K 到几兆 到五六兆的级别 它的位数 最高是18位 不到20位的情况 对于Delta Sigma 我们可以看到分辨率大幅提高 最高可以达到32位的 它的采样速率也比SAR ADC有了提高最高可以达到10兆 对于Pipeline 这种ADC呢我们工业界用得比较少 尤其是电机控制和数字电源里面用的比较少 它主要是高速的AD采样 但它的分辨率相对不会太高 最高也就做到16位 但它的最高采样速率可以达到1G 那对于SAR ADC来讲呢 主要的优点 就是采样延时时间是最短的 然后反应速率和精度都还不错 但主要的问题是最高采样速率也就是是2兆到5兆 不会太高 因为我们知道SAR ADC实际上就是我们 其实是我们最熟悉的 尤其是在电机控制和数字电源里面 最熟悉的就是用一个[听不清] 采样保持单元去把一个连续信号进行数字化 离散化 的一个AD采样单元 而对于Delta Sigma这种ADC呢 它的主要特点就是分辨率是最高的 几乎可以达到32位 信噪比比较好 低噪声 高可靠性 就是说它的传输距离可以稍微远一点 整个消耗的电能也比较少 它的主要的问题呢 这其实是相比于SAR ADC 和其他ADC的技术 就是它有一个Cycle-Latency，就是延时 这个延时其实可以做的非常短 是基于我们使用者的应用配置 那其实是可以非常短的 Pipeline ADC最大的特点就是它的高速 高带宽 缺点就是分辨率 做不了太高 这里是给大家列出来TI的几个独立芯片 就是ADC的独立芯片 可供大家选择 这几个系列了 对于SAR ADC我们有ADS7系列和ADS8系列 两种芯片 就是外挂的这种ADC芯片 它的采样速率和分辨率我们都列在这里 有一系列型号可供大家选择 Delta Sigma 这一系列的采样芯片 可供大家选择 Pipeline 我们目前暂时是没有的 那下面给大家着重介绍一下SAR ADC的基本实现方式 那SAC ADC其实是我们最熟悉的 使用这种采样保持器 来离散化和采样的方式 我们把一个模拟信号用一个连接保持器 或者采样保持器保持进来以后 我如何把一个电压值变成一个数字化的量 那这里的演示就是向大家展示 在芯片内部 我们假设在蓝色框里面是我们半导体内部的AD单元 那这个AD单元当我已经得到了一个外界的电压 就是我采样保持这个环境已经结束了 我如何把这个电压变成一个数字化的量 那这个就是我们基本原理的演示 首先 假设这个问号就是外接的实际电压 我采集进来的时候我数字端是不知道它到底有多大的 那这里我们用一种常识的方式 第一个呢 我们先放一个最高位的 这个取决于您的AD到底有多少位 我先放一个最高位的 因为 我们知道对于数字每一位只能是0或者1 只能有两种选择 最高位我放了1以后 如果我的天平还没有被我的数字端压沉的话 那说明我实际的电压比最高位还大了 我还要继续放我的砝码 我放了后面一位的砝码之后 就是最高位次一位的砝码 我放上1以后发现我的数字天平被它压过来了 那说明我的最高位加次高位的值已经大于 它的实际电压值那我次高位放1就不合适了 我次高位就要放成0 那我只能次高位放成0 然后再我放一个再下一位的 如果恰好平衡或者满足我平衡的误差条件 那我认为这就是我要得到的数字量 那就是101 那这个演示就是告诉大家 我们的SAR ADC把模拟量变成数字量 在半导体内部的 一个工作原理 那SAR ADC呢 我们之前也提到了 它其实是包含两部分 或者是有两个步骤来实现采样 那这两个步骤呢其实我们可以简化看做是两个开关 第一个S1 S2 第一个S1就是我们经常提到的采样保持环节 我先用S1闭合 把电压引进来 将我内部的阻容沿着这个电容进行 充电而得到 外面通电压相等的这个电压值 那这个时候 我去保持的这个时候 我的S2的电路是打开的 当我的连接保持器的电容 电压已经稳定了 我把这个S1打开 再把S2闭合 然后进行刚才一样的天平 称重尝试 去把模拟量 变成一个多位的数字量的表示 这两个步骤完全结束以后 整个ADC的结果就出来了 就是我把一个模拟量已经离散为一个数字量来表示 那整个保持的环节还是一个模拟的关系 我们知道 模拟关系闭合的时候就会有一个上升的时间 这个上升的时间是取决于我的这个阻容参数的 当然对于我们这个ADC芯片 内部的ADC的阻容环节 它的时间常数是非常小的 这是它的一个计算公式 基本上这是一个非常迅速的环节 这张图我们就可以看到一个 实际的模拟量 它一点一点一点逼近 用我的数字量来逼近模拟量 最终得到一个数字化的表达 好 SAR ADC的基本原理我就给大家介绍到这里 欢迎大家继续关注后续的章节