SAR ADC的采集原理
一阶Σ-Δ型ADC的动图演示
基础的电路知识点
概述
ADC有好几种类型，平时接触到的是逐次逼近型ADC、Sigma-Delta ADC，通用型MCU基本上集成的是SAR ADC，即逐次逼近型。关于ADC的术语：
www.analog.com/cn/technical-articles/types-of-adcs-and-dacs.html
特别要说的是：
SAR ADC
这里截取ST的AN2834应用笔记：
《如何在STM32微控制器中获得最佳ADC精度.pdf》
其结构如上图：
有一堆的开关阵列，对应ADC bit数
采样电容，采集VIN的电压
那么结合电容充放电曲线，可以想到：
电容精度、VREF影响ADC精度
开关时序未匹配电容充电曲线，即开关提前切换，也会影响ADC
待测信号很弱时，电压会被拉低
SAR ADC电压采集过程
采样阶段：
Sa切入VIN，S1~S11拨向左边，Sb闭合
VIN经线路流入这一堆的采样电容
充电过程持续3个ADC_CLK（ST手册描述）
保持状态：
Sa切向VREF，Sb断开
S1~S11拨向右边，即接地
电容原本带正电荷的一端，电压变为0
电容另一端的对地电压变为-VIN
SAR ADC转换过程
首先回顾电容的公式：
电容并联：C = C1 + C2
分压：Vc2 = (C1 // C2) / C2 * V
逐次逼近第一步：
S1切入VREF，此时构成一个电容分压电路
分压 = (C / 2) / C * VREF = VREF / 2
当 -VIN + VREF / 2 > 0，比较器输出1；反之输出0
逐次逼近第2步(MSB=0)：
S1切入GND
S2切入VREF，引入参考电压
C1 = C / 2，C2 = 3C / 2
分压 = (3C / 8) / (3C / 2) * VREF = VREF / 4
逐次逼近第2步(MSB=1)：
S1切入VREF
S2切入VREF
C1 = 3C / 2，C2 = C / 2
分压 = (3C / 8) / (C / 2) * VREF = 3 / 4 * VREF
其余bit，重复第2步操作即可，如此比较器以MSB方式，依此输出一串高低电平序列，即为ADC数据。
Σ-Δ型ADC
ADI亚诺德的关于一阶Σ-Δ型ADC的小工具演示网址：
www.analog.com/cn/design-center/interactive-design-tools/sigma-delta-adc-tutorial.html
如上：
待测电压与反馈DAC的输出相减，差值给到积分器
积分器的结果送到比较器，比较器输出决定反馈DAC输出的符号
3次比较的bit流为101
平均输出 = (2.5-2.5+2.5)V / 3 = 0.8333V
ADC精度特性
来自ST的数据手册：
12bit ADC采集标准源，假设bit0、bit1一直跳动：
实质上ADC的精度只有10个bit
若VREF=3.300V，待测0~30V缩小为0~3.3V，则1LSB = 30V / 0x3FF = 29.3mV
合理的待测电压放大倍率
实际的待测物理量可能是电压、电流、电阻、温度等等，需要通通转换为电压参数，往往第一手的电压信号总是超出ADC测量范围，比如几十V、uV级别。
这个时候把待测量放大（放大倍数 >1、<1）：
电阻分压法
由运放构成的差分放大电路
仪表放大器
合理调制放大倍率，目的是尽可能吃满ADC的量程。若VREF=3.000V，0~60V信号放大后为0~1.000V，那么12bit ADC的量程只使用了1/3，0xFFF * 1 / 3 = 1365LSB，2^10 < 1365 < 2^11，即实际分辨率不到11bit，对应0~60V：1LSB = 43.956mV，如果ADC量程用满，1LSB = 60V / 0xFFF = 14.648mV
基准电压VREF的设计
如果待测信号只能放大至0~2.500V，那么VREF应该选择2.500V，单片机的VREF可以由外部提供：
如果VREF直接连到VDDA，VDDA与3.3VDC连接，那么ADC精度就限制在这里了：
VREF可由外部低温漂的精密基准电压源IC供应，如ADR03高精密的基准电压源：
www.analog.com/cn/products/adr03.html
常规的电压跟随器、RC滤波
ADC内部的采样电容，电容充电曲线如下：
如果待测信号微弱，这个充电电流将拉低电压。示波器抓ADC的采样引脚，可以发现待测电压周期性拉低，影响严重时就需要加电压跟随器：
如果前级未能有效处理噪声，或者信号走线过长等，在靠近ADC引脚处，加低通滤波器，滤掉高频噪声：
通过校准消除测量偏差
偏差来源：
VREF不可能刚好为1V、2V、2.5V、3.3V
电阻、运放、仪表放大器有误差，放大倍率也就存在误差
ADC本身也有误差
温漂问题
1. 若待测物理量转换成电压的关系是线性的
引入 y = kx + b消除测量偏差，可参考设备校准表格：
每个 x (ADC读值)对应一个 y(实际的电压)
实际测量两个标准电压，得到A、B两个坐标点，求出函数的表达式
标准电压可以由高精度的电源、源表提供。
2 .待测物理量是非线性，如测量电阻，可参考分压法量电阻
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