SAR ADC和sigma delta ADC的区别

目录

0、ADC基本概念

1、SAR的描述

2、sigma delta ADC（Σ-Δ ADC）的行为描述

3、优劣对比

4、应用场景区别

0、ADC基本概念

ADC，即analog to digital converter，模拟到数字的转换器，简称模数转换器。

为什么需要ADC？因为现实的世界中，电信号是连续的，例如心电信号，或者声音信号，这些连续的信号被称为“模拟信号”。

图1：心电信号

图2：声音信号

然而这种连续的信号是无法被计算机处理的，计算机只认识0和1组成的“数字信号“。ADC就充当了这样一个桥梁，将“模拟信号”转换为计算机能识别的“数字信号”。举个例子，当前的心电电压为1.2V（实际没有这么高），ADC可能会得到一个1001的结果；下一个时刻，心电电压为1.3V，ADC可能会得到1010的结果。

ADC的性能一般有两方面的体现，一是速度，或者叫采样率，例如100KSPS（kilo samples per second），就代表每秒能够对外部信号转换多少次。二是精度，或者说位数，常见的8位到32位都有。8位ADC，就代表该ADC有2^8=256个分辨台阶，16位ADC，就代表该ADC有2^16=65536个台阶，精度远远高于8位的ADC。

假如规定整个电压范围为10V，则8位ADC的步长为10V/256=39mV，16位ADC的步长为150uV。这样，假如信号变化了150uV，16位ADC的量化结果马上就发生了变化，而8位的ADC仍然无动于衷，对它而言信号并没有改变。

工业上常见的两种ADC，分别是SAR和sigma delta ADC，下面将简单描述并对比。

1、SAR的描述

SAR，就是successive approximation register（逐次逼近，寄存器），其主要的思想是逐次逼近，它名字里之所以有“register”，是因为在“逐次逼近”的过程中，结果都存放在寄存器里。

直观模型

以称体重举例子来说明逐次逼近。我家的体重秤是砝码式的，我有一组砝码：200斤，100斤，50斤，25斤，12.5斤，6.25斤。

图3：SAR的示意图

一个260斤的胖子上去了，我首先放200斤的砝码，不够；

再加100斤的砝码，超了；拿掉100斤，加50斤，现在总共250斤的砝码，不够；

继续加一个25斤的，超了；卸掉25斤，加上12.5斤…

类似于这样，最终我知道这个胖子大概在200+50+6.25到200+50+12.5之间。如果我有更精细的砝码，可以量的更准。

在电路中，一般用电容来做这些砝码。当精度较高时，需要的电容面积会很大。例如一个18位的ADC，需要18个不同的“砝码”，在电路中就对应1C，2C，4C，…2^17C，总共需要262144份电容，占据很大的面积。

2、sigma delta ADC（Σ-Δ ADC）的行为描述

sigma：Σ在数学中代表积分（求和），delta：Δ代表差分（求差），这两种过程是Σ-Δ ADC中的主要操作。

直观上理解Σ-Δ ADC，考虑一个“测量纸厚度”的过程。假如有一把尺子，尺子上标注了0，1cm，2cm，3cm…也就是说，尺子的精度是1cm。

这样的尺子显然不能量纸的厚度，因为纸太薄了。可是如果我堆了1000张纸，我用这把尺子量出大概有9cm厚，那么就知道，一张纸的厚度是9cm/1000。

在电路中是一个类似的过程，假如有一个1V的信号，为了做出“1000张纸”的效果，就要转换1000次来得到一个结果。具体的过程要复杂一点，此处略过不提。

3、优劣对比

从速度上看，SAR ADC的速度一般要快一些（这里不和一些新架构的Σ-Δ ADC对比），因为SAR ADC的过程是逐次逼近，理想情况下要得到18位的精度，进行18次逐次逼近的过程就可以了。

Σ-Δ ADC要慢很多，以上述“测量纸的厚度”为例，1000张纸放一起量等效为在电路中进行1000次转换，得到的精度为1/1000，对应于10位的精度。如果要得到18位的精度，需要更多的转换次数，也就需要更长的时间。

Σ-Δ ADC虽然慢，但是可以看出，提高它精度的一个有效方法就是延长时间，提高次数（更有效的方法是提高阶数，略去）。前面说过，1000次量化对应于1/1000的精度，那么10000次？100000次？精度显然就更高。

而SAR ADC提高精度的方法就是增加“砝码”也就是电容的数量，这首先大大增加了芯片的面积；另一方面，位数提高之后，电容的误差也更多了，例如16位的ADC，期望的电容比例为1:2:4:….:16384:32768，但是16384份电容很难做到精确的16384，版图中的寄生，制造过程中的偏差有可能让16384偏成了16300，这样就很难达到所期望的16位精度，因为，“砝码”就是错的。这种情况下，需要比较复杂的校准过程。

总结起来，SAR容易做的更快，但是要达到很高的精度并不容易。Σ-Δ ADC虽然比较慢，但是容易达到较高的精度。

4、应用场景区别

两种ADC的特性决定了其应用场景。SAR应用于速度要求较快的场景，例如数控机床，必须快速判断当前电机的位置，并做出及时的反馈。举一个反例，数控切割作业时，当自动化刀头已经移动到了材料表面，经过1000次量化后，Σ-Δ ADC才发现刀头已经接触材料了，这时机床说不定已经怼坏了。

图4：数控切割机

另一个是电力系统保护。电网中有时需要对电流进行监测，防止大电流烧毁电线。同样地，如果响应速度不够快，这边都着火了那边才发现：过流了！这种场景下一般都需要SAR ADC。

还有一个特殊的场景，负压测量。能够测量负压的Σ-Δ ADC并不多，而SAR ADC有较多的选择。

在精度要求较高，并且不需要快速响应的应用需求下，一般用Σ-Δ ADC。例如音频（录制一首超高质量的数字唱片），医疗影像（CT），这些场景只追求高精度，对速度要求不高。

在一些既不要求速度，也不要求精度的场景下，例如测体温，量体重，万用表等等，两种ADC都是可以的。