1ms完成12位轉換！老工程師的“單斜率模數轉換器”新改進太香了
發布日期:2026-04-03
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很久以前，人類從原始的模擬泥沼中掙脫出來，開始接觸數字技術。他們很快注意到并量化了一個根本需求：將他們新獲得的量化數值信息與老工程師所構建的經典連續體連接起來。于是，模數轉換器(ADC)應運而生。
當然，ADC方案和原理圖有很多種。其中最早、最簡單的方案之一就是單斜率型ADC。
單斜率模數轉換器(ADC)有兩種主要類型。其中一種是生成線性模擬電壓斜坡并將其與輸入信號進行比較。斜坡從零(或接近零)上升到與輸入信號相等所需的時間與輸入信號的幅度成正比，并以此作為數字轉換結果。
在另一種單斜坡轉換器中，電容器被充電至輸入電壓，然后線性下降至零。所需時間與輸入電壓Vin成正比，并計入轉換結果。
雖然簡單廉價無疑是優點，但過猶不及。圖1中的電路在基本設計的基礎上進行了一些改進(成本也略有增加)，旨在獲得更高的精度(甚至兩個數量級)以及更快的速度。
圖1：簡單快速單斜率(SSSS)ADC雙相轉換周期。
工作原理如下：
(CONVERT =1)開關U1將C1充電至Vin
(CONVERT=0)C1由Z1Q1提供的100µA電流線性放電。
注意：Z1、C1和R2應為精密型元件。
轉換分兩個階段進行，由配置為輸出的GPIO位選擇(CONVERT/ACQUIRE)。
在采集(1)期間，單刀雙擲開關U1將積分電容C1連接到輸入源，并將其充電至Vin。充電的采集時間常數為：
C1(RsZ1+U1Ron,+Q2的輸入阻抗)=~10µs
要以12位分辨率完成½-lsb精度的充電，需要以下ACQUIRE間隔：
10μs*loge(2(12+1))=90μs
然后，控制微控制器可以將CONVERT返回為零，從而將C1的輸入端切換到地，使比較器晶體管的基極變為負電壓，電壓階躍為-Vin，再加上“一點點”(~12mV)。
最后一點是由C2提供的，用于補償Q2有限的電壓增益和存儲時間所導致的零點偏移。
Q1從飽和狀態恢復后，INTECTATE變為正值。在此狀態下，直到C1放電完畢，Q1重新導通為止。此時間段為：
Vin*C1/100µA=200µs/v=最大1ms
如果連接的計數器/外設以20MHz運行，則最大計數累積和轉換分辨率將為4000，即11.97位。
圖2示意了這種1毫秒或約12位的轉換周期。注意其固有特性包含良好的積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)。
圖2：SSSS ADC波形。采集時間(12位)為90µs。積分時間最大為1ms(VinC1/Iq1=200µs/V)。幅度為5Vpp。
當然，并非所有信號源都能很好地承受這種轉換順序帶來的負載，也并非所有應用都會發現可用的LM4041基準和R1C1的容差足夠精確。
圖3展示了針對這兩個限制的解決方法。典型的RRIO CMOS放大器用于A1可以消除輸入負載問題，而R5的微調則提供了一種便捷的方法來改進轉換校準。
圖3：A1輸入緩沖器卸載Vin，R5校準微調提高精度。
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