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ADC 是什么？我们为什么需要 ADC？ADC 有哪些架构？他们的工作原理和特点是什么，分别适用于哪些场景？今天，就让我们来逐一解密。

文末汇总了 ADC 五大架构的速度、精度和应用场景对比

一、ADC 是什么？

ADC 的英文全拼是 Analog to Digital Converter，中文为模数转换器，它可以将连续模拟输入信号转换为离散的数字信号，并以一序列 1 和 0 的形式进行传送。这些输入信号被量化为数字量后，再进行传输或进一步后续处理时，就不易受噪声干扰。

模拟信号：连续变化的物理量所表达的信息，如温度、湿度、压力、长度、电流、电压、光强、音色等。

数字信号：自变量和因变量都是离散的数据信息，通常容易被 MCU/DSP/CPU 进行后续处理的二进制数来表达。

从模拟到数字的变换就像从真实世界进入到像素世界，我们日常生活中常讲到的数码相机、手机上的摄像头模组内，就包含一个成像专用的 ADC，将图像中每个像素单元的模拟光强度值转换成数字量。

二、为什么需要 ADC？

现实世界中，我们被温度、湿度、光、声等物理量包围，作为有着感知能力的生物体，我们能够非常自然地获取模拟信号，并与这些物理量达成默契，但是对于 CPU、MCU 等各类电子设备来说，这些信号却很难被理解。

在数字化社会中，一切事物都被赋予了可量化的期待，对数据的读取、处理、传输和存储，成为了人类认识事物的基本逻辑。

因此，我们需要将现实世界中的模拟信号转换为机器能够理解的数字表达。现实世界和数字世界的“窗户纸”将由模数转换器（ADC）来捅破。

三、ADC 有哪些架构？他们的工作原理是什么？

ADC 架构有：并行比较型（Flash），逐次逼近型（Successive Approximation Register），积分型（Integrating），增量型（Delta-Sigma），流水线型（Pipeline）等。

1. 并行比较型（Flash）

这是所有ADC架构中速度最快的，也称为“闪烁式”(Flash) ADC。它的核心在于使用大量的比较器并行工作。对于一个N位的Flash ADC，它需要(2^N - 1)个比较器。这些比较器的参考电压由一个精密电阻分压网络提供。输入电压同时施加到所有比较器的一个输入端，每个比较器都与一个特定的参考电压电平进行比较。转换结果通过一个编码器（例如，优先编码器）将比较器的输出状态（通常是温度计码）转换为二进制代码。由于所有位的判断是同时进行的，所以转换速度极快，基本上只受比较器和编码电路延迟的限制。但缺点是，所需比较器数量随分辨率指数级增长，导致功耗、芯片面积和输入电容巨大，通常用于分辨率不超过8位的超高速场合

下图是并行比较型 ADC 的拓扑原理图。

2. 逐次逼近型（SAR）

它的工作方式很像一台精密的电子天平。转换开始时，控制逻辑会设定一个试探值（通常是半量程，即最高位为1，其余为0），通过内部的数据转换器(DAC)产生对应的模拟电压，并与输入的模拟电压在比较器中进行比较。

• 如果输入电压大于或等于DAC输出电压，则保留该位为1。

• 如果输入电压小于DAC输出电压，则将该位置0。

  接着，控制逻辑会移动到下一位（次高位），将其设为1，再次产生新的DAC输出电压与输入电压比较，并根据比较结果决定该位的去留。这个过程从最高有效位(MSB)开始，到最低有效位(LSB)结束，一步一步地逼近真实的输入电压值。一个N位的SAR ADC完成一次转换需要N个时钟周期。这种架构在速度、功耗和精度之间取得了很好的平衡。

例如下图是一个6bit的SAR型ADC的转化流程，输入信号先和Vfsr/2比较得到最高位1，之后再和Vfsr/2+Vfsr/4比较得到第二位1，继续下去，得到二进制结果110101，根据上文的公式Vfsr*D*2^(-n)得出输入电平为53·Vfsr/64，理论误差小于Vfsr/64。

3. 积分型（Integrating）

积分型ADC，如双斜率ADC，是一种间接转换方法，其核心是将电压转换成时间，再对时间进行计数。它的工作通常分为两个阶段：

• 固定时间积分（采样期）：开关将输入电压 Vin 连接到积分器，在一个固定的时间间隔 T 内对 Vin 进行积分，积分器输出电压从0开始线性上升或下降，其斜率与 Vin 成正比

• 反向积分（比较期）：开关切换到与 Vin 极性相反的参考电压 Vref 上，积分器开始反向积分，其输出电压以固定斜率回到零点。同时，计数器开始对时钟脉冲计数。反向积分的时间 ΔT 与 Vin 的平均值成正比，计数器在 ΔT 内的计数值即为转换结果

  这种架构的转换速度很慢，但由于积分器的特性和两次积分使用同一时钟，它对交流噪声（特别是工频干扰）有很强的抑制能力，并且最终精度主要取决于参考电压 Vref 的精度，非常适合高精度的直流或低频信号测量（如数字万用表）

4. 增量型（Delta-Sigma）

增量型 ADC 的拓扑原理图如下，先看积分器，如果输出小于 0，比较器输出 1，否则输出 -1，比较器输出 1 时，乘法器输出 Vref，否则输出 -Vref，所以当积分器输出大于 0 时，将有 Vin-Vref 输入到积分器中进行下一次比较，否则输入 Vin+Vref，记录每一次比较器的输出，统计输出 -1 的次数 X 和总比较次数 m，通过下方公式来计算输入电平，总的比较次数越高，分辨率越高。

Vin = Vref·(2·X-m)/m

5. 流水线型（Pipeline）

就像一条工厂流水线，转换任务被拆分成多个步骤（子级），每一级专门处理几位数据。具体来说，每一级都包含一个采样/保持电路(S/H)、一个低分辨率的子ADC、一个子DAC以及一个求和电路（其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器）。其工作流程通常如下：

• 输入信号首先在第一级被采样保持。

• 该级的子ADC对信号进行粗略量化，产生数字码的高几位。

• 这几位数字码又通过子DAC还原成模拟电压。

• 将原始输入信号与这个还原的模拟电压相减，得到一个“残差”电压。

• 该残差电压被放大（通常放大2^k倍，k为该级处理的位数）后，送给下一级处理

  如此级联，每一级都处理上一级留下的“残差”，并将自己的结果传递给后续各级。由于各级可以并行工作（当第一级处理第N+1个样本时，第二级可以处理第N个样本，第三级处理第N-1个样本……），从而实现了高速、高精度的转换。但其代价是会有流水线延迟，即从信号输入到结果输出需要经过多个时钟周期

四、ADC 五大架构对比

• flash架构，

  • 速度：极快 (采样率可达1 GSPS以上）

  • 精度：较低 (通常 ≤10位)

  • 核心原理：使用大量的比较器并行比较，单步内完成转换

  • 特点和适用场景：超高速信号处理，如示波器、雷达系统、高速数据采集

• SAR架构

  • 速度：较快 (通常 ≥1 MHz)

  • 精度：中等 (8-16位)

  • 核心原理：使用二分搜索策略，从最高有效位(MSB)到最低有效位(LSB)逐位比较确定数字码

  • 特点和适用场景：中速通用数据采集、工业控制、电机控制、便携式仪表

• Integrating架构

  • 速度：极慢 (通常 ≤1 kHz)

  • 精度：很高 (16-22位)

  • 核心原理：将输入电压转换为成比例的时间间隔或频率，并在固定时间内计数；对噪声，尤其是工频干扰有强抑制能力

  • 特点和适用场景：低频或直流信号的高精度测量、数字电压表、电子测量仪器

• Delta-Sigma架构

  • 速度：较慢 (通常为几kHz)

  • 精度：很高 (16-24位及以上)

  • 核心原理：利用高过采样率和噪声整形技术，将量化噪声推向高频，再通过数字滤波器滤除，以换取极高分辨率

  • 特点和适用场景：高精度测量、音频采集、数字音响、地震勘探仪器

• Pipeline架构

  • 速度：很快 (通常 ≥100 MHz)

  • 精度：较高（10-16bit）

  • 核心原理：多级子单元串联工作，每一级处理并传递残差，类似工厂流水线

• • 特点和适用场景：高速且对延迟不敏感的场景，如通信基站、数字视频信号处理