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模数转换器（ADC）的定义与工作原理
1. 基本概念
模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC） 是一种将连续模拟信号（如电压、电流）转换为离散数字信号（二进制代码）的电子器件。它是连接现实世界（模拟）与数字系统（如计算机、微处理器）的关键桥梁。
2. 核心功能
- 量化模拟信号：将连续的模拟量（如温度传感器输出的电压）转换为有限精度的数字值。
- 采样与保持：在转换瞬间“冻结”输入信号，确保转换期间信号稳定。
- 编码输出：生成二进制代码（如8位、12位、16位），供数字系统处理。
3. 主要性能指标
| 指标 | 说明 |
|---|---|
| 分辨率（Resolution） | 输出的二进制位数（如12位ADC的分辨率为 (2^{12} = 4096) 级）。 |
| 采样率（Sampling Rate） | 每秒采样次数（Hz），需满足奈奎斯特定理（采样率 ≥ 2×信号最高频率）。 |
| 精度（Accuracy） | 转换结果与实际模拟值的误差（受噪声、非线性等因素影响）。 |
| 转换时间（Conversion Time） | 完成一次转换所需的时间，决定实时性。 |
4. 常见ADC类型及原理
| 类型 | 原理 | 特点 |
|---|---|---|
| 逐次逼近型（SAR） | 通过二分法逐步逼近输入电压，比较器决定每位数字值。 | 中高速、中高精度（12~18位），常用在嵌入式系统。 |
| 积分型（双斜率） | 通过积分时间与参考电压比较，转换为数字值。 | 高精度、低速（如万用表），抗噪声能力强。 |
| 流水线型（Pipeline） | 多级子ADC协作，每级处理部分位数。 | 高速（MHz~GHz级），用于通信、视频采集。 |
| Σ-Δ型（Sigma-Delta） | 过采样 + 噪声整形，通过高频采样提升有效分辨率。 | 超高分辨率（24位）、低速，适用于音频、传感器信号。 |
| 闪存型（Flash） | 并行比较器阵列直接量化输入电压。 | 超高速（ns级转换），但功耗高、分辨率低（6~8位），用于雷达、示波器。 |
5. 典型应用场景
- 传感器接口：温度、压力、光强等模拟传感器的信号数字化。
- 音频处理：麦克风模拟信号转换为数字音频（如Σ-Δ型ADC）。
- 通信系统：射频信号的中频采样（流水线型或闪存型ADC）。
- 医疗设备：心电图（ECG）、脑电图（EEG）等生物电信号采集。
- 工业控制：电机电流监测、过程控制中的模拟量反馈。
6. 选型关键因素
- 分辨率：根据信号动态范围需求选择（如12位ADC可区分0~5V中的1.22mV变化）。
- 采样率：必须高于信号最高频率的2倍（避免混叠失真）。
- 功耗与成本：嵌入式设备优先选择SAR型，高速场景选用流水线型。
- 接口类型：SPI、I²C等数字输出协议需与处理器兼容。
7. 示例：ADC工作流程
假设用12位SAR-ADC测量0~3.3V的传感器信号：
- 采样：保持电路捕获当前电压（如2.5V）。
- 转换：SAR逻辑从最高位开始，通过DAC生成比较电压，逐位确定二进制值。
- 输出：得到数字量
101110011000（对应2.5V，精度±0.8mV）。
总结
模数转换器是数字化系统的“感官器官”，其性能直接影响信号保真度。选型时需权衡分辨率、速度、功耗和成本，并结合信号特性（如频率、噪声）选择合适类型。