ADC输入方式详解：单端输入与差分输入的差异及应用
ADC输入方式详解：单端输入与差分输入的差异及应用
ADC（模数转换器）是电子工程领域中一个重要的组件，其输入方式直接影响到信号的采集质量和系统的抗干扰能力。本文将深入探讨ADC的多种输入方式，包括单端输入（Single-Ended Input）和差分输入（Differential Input），并详细解释Fully Differential、True Differential和Floating Differential等概念。同时，文章还将解析基准电压（Vref）与共模电压（Vcm）的作用和意义。
ADC输入方式概述
本文旨在深入探讨ADC输入的相关知识，包括Single-Ended Input与Differential Input之间的差异，以及Fully Differential、True Differential和Floating Differential等概念。同时，我们还将解析基准电压（Vref）与共模电压（Vcm）的作用和意义。在众多连接方式中，单端输入（Single-Ended Input）因其简单性而备受关注。在这种连接方式下，传感器与ADC共享同一接地端，并通过单端提供变化的模拟信号。这种连接方式与Arduino MCU的内部ADC实现方式类似。
图中高亮展示了Arduino ATmega MCU中的ADC的几个关键点：10/8-bit分辨率、单端输入和56V的ADC参考电压。这些元素相互关联，共同决定了ADC的工作方式和性能。
ADC分辨率与基准电压
ADC的分辨率决定了其能够分辨的最小电压变化，这里的n代表分辨率，ADC的转化结果是一个介于0到2^n-1之间的整数。当n=10时，ADC的最大转化结果对应于基准电压，而最小转化结果则对应于接地。
在ADC中，基准电压（Vref）扮演着至关重要的角色，它定义了ADC的量程范围，即ADC能够测量的最大和最小电压。在这个例子中，默认的基准电压为56V，但可以通过配置进行更改。当输入信号的电压超过基准电压时，ADC会输出其最大转化结果；同样，当输入信号的电压低于接地时，会输出最小转化结果。而在输入信号的电压介于接地与基准电压之间时，ADC会输出与输入信号电压成比例的转化结果。
差分输入方式
一些传感器和通信设备采用差分输入方式，即使用一对线缆来表示信号。在这种连接方式中，一个线缆作为“正输入端”，另一个作为“负输入端”，差分信号则是这两个输入端之间的电压差异。差分输入方式有助于抑制共模噪声的干扰，提高信号的抗干扰能力。同时，差分信号具有极性，即当正输入端的电压高于负输入端时，差分信号为正；反之，则为负。但请注意，负的差分信号并不意味着输入电压是负值，它仅仅表示“负输入端”的电压高于“正输入端”。
例如，TI公司提供的一款差分ADC就采用了这种设计。
图2展示了Fully Differential Input ADC的示例，来源于[2]。与单端输入相似，基准电压（Vref）同样决定了量程范围。然而，差分ADC的量程是单端输入的两倍，这得益于两个输入端各自在[0, Vref]范围内的变化。当正输入端为0，负输入端为Vref时，差分信号达到-Vref；而正输入端为Vref，负输入端为0时，差分信号则为Vref。因此，差分ADC的量程范围是[-Vref, Vref]，是单端输入的两倍。相应地，其转化结果也覆盖了双倍的Vref，即[-2^(n-1), 2^(n-1)-1]。
差分ADC还引入了一个新参数——共模电压Common-mode Voltage（Vcm）。它代表两个输入端的平均电平，通常设置在电源和接地电压的中间位置，以确保输入端的晶体管表现出最佳线性特性。
差分输入的类型
在差分输入方面，除了Fully Differential Input外，还存在True Differential Input。Fully Differential Input要求两个输入端的信号围绕Vcm呈180°反相对称。而True Differential Input则无此限制，“正输入”和“负输入”可以是完全不同的信号。这种设计灵活性使得某些ADC，如万用表芯片ICL7106，能够处理更为复杂的信号情况。
图3展示了True Differential ADC的一个实例——ICL7106，来源于[3]。这种ADC的设计相比Fully Differential Input更为灵活，因为它允许“正输入”和“负输入”端处理完全不同的信号。这种特性使得ICL7106等特定ADC能够应对更为复杂的信号情境。
图4展示了ICL7106的典型电路图，来源于[3]。在这个图中，IN HO与IN LO分别代表差分信号的两个输入端，而IN LO又与COMMON引脚相连，后者为IN LO提供了一个特定的电平。这样的设计允许信号测量系统在需要较大“直流偏置电压”时，通过True Differential Input将“直流电压偏置”连接至一个输入端（例如IN LO），从而确保差分结果与基准电压的量程相吻合。若采用Single-Ended Input来实现，则需要更高的基准电压来同时覆盖直流偏置电压和实际信号，这显然不利于转换的精度。
ADC输入类型的对比分析
图5展示了ADC输入类型的对比，来源于[2]。除了True Differential输入，图中还提及了一种Pseudo Differential类型，这种类型相对简单，因为IN LO（图中标为Ain_M）只能保持一个固定的电平。此外，还提到了Floating Differential Input这一概念，它是指那些与ADC具有相同接地的差分输入端。但在某些应用场景中，可能会遇到具有不同接地的差分输入，这种情况被称为浮动差分输入。
图6展示了ADC的Floating Input，这种情况通常出现在信号具有独立供电体系时，为了确保差分输入的共模电压不超过ADC的承受范围，需要进行电气隔离。当然，这只是冰山一角，我们未来有机会进一步深入探讨。在此，你可以先思考一下：万用表量测的信号是Floating的吗？示波器量测的信号呢？还有人的生理信号，例如ECG心电图测量，它们又属于哪种情况？
总结
今天我们探讨了ADC输入的几种类型，包括Single-Ended、Fully Differential、True Differential和Floating Differential。要深入理解这些类型，我们需要把握“基准电压（Vref）”与“共模电压（Vcm）”这两个关键参数。
本文原文来自百度百家号