最近看完了ST的AN2834应用笔记《如何在STM32微控制器中获取最佳ADC精度》，这篇文档写得非常好。我觉得借助它终于简单理解了SAR型ADC工作原理，偏移误差，增益误差以及为何最大输入信号幅度要与ADC动态范围匹配可提高分辨率等。以前也看过很多ADC资料，但印象都不太深，这篇不一样。

所以本文结合ST这篇文档，简单整理一下SAR型ADC工作原理，因为它是最常用的一种ADC之一。只有稍微了解它的工作原理，才有可能用好它（必要条件），才能明白为何设计它时要格外注意输入级驱动和参考源等。

一、常见ADC对比、特性与应用

下面图1和图2引用自TI的资料，可以看到这是很旧的资料了，因为如今SAR型ADC的采样率可高达到如65MSPS，分辨率最高也可到20-bit的了。但不妨碍我们理解SAR型ADC与其他ADC的区别，特性和应用。

SAR型ADC的几个关键词，瞬时转换性，高采样率，高分辨率，操作简单，低成本和低功耗。

图1 常见ADC对比（第一行中的转换速度和分辨率顺序反了）

图2 四种常见ADC特性及应用

二、SAR型ADC的工作原理

ST那篇文档已经写得很详细了，我这里再补充一些我在学习过程中的笔记即可。STM32中的ADC同样是SAR型ADC。SAR即逐次逼近，类似于算法中的“二分法”。转换次数取决于ADC的位数。这里以10位ADC举例，但只介绍前两步逼近，因为后面基本是重复的，最终会持续到LSB为止。

图3 总览SAR型ADC的工作过程，这里只讲解了前两步逼近，因为后面的逼近基本是重复的，最终会持续到LSB为止

图4 SAR 切换电容型ADC的基本原理（10位ADC示例）

图5 采样状态

图6 保持状态

图7 第一步：与Vref/2比较

图8 第二步：如果MSB=0，则与1/4 Vref比较

着重看一下图8。这是MSB=0时，也就是第一步的比较结果是Vin小于1/2Vref，因此第二步会跟1/4Vref比较。

比较器输入端电压为VCOMP=-VIN+1/4Vref——这可以用用叠加法进行理解，因为虽然电容电压是不同时态的值，但中间没有任何损耗。C/2并联3C/2是2C，图7和图8是一样的，所以接入到比较器输入端的总电容都是2C，即在保持状态t0的电压都是-Vin。

转换期间t1，Vref会对采样电容阵列充电，第二步如果MSB=0时的等效电路参见图8下半部分。之所以会是1/4Vref，是因为电容的分压导致的。电容分压要记住两个电容上面的电荷量是一样的（KCL），根据公式Q=CV，C越大那么V越小。因此，3/2C两端的电压为1/4Vref，C/2两端电压为3/4Vref。

图

三、总结

本文为ST AN2834文档中SAR型ADC工作原理的学习笔记。理解SAR型ADC工作原理的关键在于三点。第一，二分法，记得以前看过一个C语言视频，印象非常深，讲师通过“撕书”展示二分法，比如500页的书，我们要找25页，那么先把书从中间撕开，丢掉大于250页的那一半，重复该过程直到找到25页为止；第二，电容电压不能突变，所以采样保持电路仅靠电容阵列即可实现；第三，叠加法，不同时态的电容电压如果没有损耗，是可以用叠加法考虑的，一次只考虑一个时态的电容电压，总电压就是所有时态电容电压的和。