一、 概述

        我们感知和经历的比如速度、温度、亮度、声音等都是模拟信号，电子设备不能直接用这些模拟信号，因为它们只在 0 和 1 上运行，所以需要 ADC 来帮忙转换。模数转换器即 A/D 转换器，或简称 ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是把经过与标准量比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的转换器。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
        JW3376 是一款 AFE（analog front end），中文是模拟前端，在 BMS 里面专指电池采样芯片，用来采集电芯电压和温度等。包括一个 14 位电池电压和温度感测 ADC ，一个16位用于充电/放电电流感测的 ADC。相对于一个独立的 ADC，AFE的集成度更高、功能更强大，一般与MCU共同使用, 同时又由于 AFE 是一个采集芯片, 所以 ADC 对它来说更加重要。
        本文主要介绍 JW3376 中存在的 14bit & 16bit ADC 的基本信息和对于 ADC 的理解。

二、 ADC 的相关介绍

1. 工作原理

        A/D 转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D 转换一般要经过取样、保持、量化及编码 4 个过程。
        JW3376 - B0-B16 引脚十六串电池的电压模拟信号通过 14bit ADC 取样、保持、量化、编码成数字信号输出。
        JW3376 - ISN&ISP 引脚电流检测的模拟信号通过 16bit ADC 取样、保持、量化、编码成数字信号输出。

取样和保持：

        取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图所示。图（a）为取样电路结构，其中，开关受取样信号 S(t) 控制，在S(t)的脉宽t期间，传输门导通，输出信号 vo(t) 为输入信号v1,而在（Ts-t）期间，传输门关闭，输出信号 vo(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。


                       取样电路结构 (a)


                                   取样电路中的信号波形 (b)

        取样信号 S(t) 的频率越高，所取得信号经低通滤波器后越能真实的复现输入信号，但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。
        取样定理：设取样信号 S(t) 的频率为 fs，输入模拟信号 v1(t) 的最高频率分量的频率为 fimax，则 fs 和 fimax 必须满足下面的关系 fs≥2fimax，工程上一般取 fs＞(3-5)fimax。将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。

量化与编码：

        为将模拟信号转换为数字量，在 A/D 转换过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是 A/D 转换器输出的数字量。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即 1LSB。在量化过程中，由于取样电压不一定能被量化单位整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差称之为量化误差。 A/D  转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。

2. 常见参数理解

2.1 分辨率

        A/D 的分辨率是使 A/D 输出数字量最低位变化 1 所对应的输入模拟电压变化的大小值。分辨率也用输出二进制数的位数来表示，如 8 位 A/D 的分辨率就是 8，位数越多，误差越小，转换精度也越高。
        一般 ADC 都注明是 8bit，16bit 或者是 24bit。这数值也就是分辨率的意思。分辨率是衡量 ADC 精度一个非常重要的指标。比如采集的电压范围是 0-5V ，那么 8bit 的 ADC 的最小刻度就是 5/2^8=0.0195V，16bit 的 ADC 的最小刻度是 5/2^16=0.000195V 。从这两个数值来看，我们就知道 16bit 的 ADC 可以采集到更小的电压。所以这里的分辨率表征的 ADC 的最小刻度的指标。同时分辨率也只能算是间接衡量 ADC 采样准确的变量。直接衡量 ADC 采集准确性的是精度。
        分辨率越高，就可以将满量程里的电平分出更多份数，得到的结果就越精确，得到的数字信号再用 DAC 转换回去后就越接近原来输入的模拟值。所以，对于给定的一个具体 ADC 器件，其分辨率值是固定的。

2.2 精度:

        精度（Precision）是指对于给定模拟输入，实际数字输出与理论预期数字输出之间的接近度（误差值是多少）。有些 ADC 器件的 datasheet 中，会注明精度值或精度范围。对于给定的一个具体 ADC 器件，其精度值可能会受外界环境（温度、干扰等）的影响而变化。

2.3 转换误差

        转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示  A/D  转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差 ≤±LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的一半。

三、JW3376-14bit&16bit ADC 相关参数

以下是JW3376 - 14 bit ADC & 16 bit ADC 的参数表：

3.1 14 位 ADC：

                                                                                表1

        14 位 ΔΣ ADC 对电池电压进行采样，精度为 ±7mV @2.3~4.3V，TA=25ºC
        每个 JW3376 测量电池电压和温度都使用 14 位 ADC。这个 ADC 测量所有单体电池电压，标称满量程无符号热敏电阻范围为 0–5.0 V，LSB（最低有效电压） 为 0.305mV，ADC 会自动开启，只要设备进入正常模式。当 ADC 开启时，集成 OV（过压保护）、UV（欠压保护）、电池温度和过电流保护功能正常。
        每个单元的测量时间约为 0.64ms 和一个每 12.8 毫秒提供一次完整的更新。每个差分单元输入都经过工厂调整增益和偏移，不需要额外的校准或校正因子应用。电池温度和电压监测器使用同一个 ADC。转换热敏电阻电阻进入温度

3.2 16位 ADC：

                                                                                表2

        16 节被动平衡电池平衡开关提供被动平衡。
        16 位 ΔΣ ADC 感应充电/放电电流和精度是：±150μV @ (-100mV ~100mV, TA=25ºC)、±300μV @ (-190mV ~190mV, TA=25ºC)。
        16 位 ADC，通常称为作为库仑计数器提供测量值电流感应上的累积电荷电阻器。当前的 ADC 始终处于开启状态，并且此读数的积分周期为 132 毫秒。CC 的满量程范围为 ±190mV，具有最大推荐输入范围为 ± 190mV，因此产生大约 6µV 的 LSB（最低有效电压）。
        16 位电流 ADC 读入模拟过压/欠压保护  JW3376  监控每节电池的电压。如果一个电池电压超过过电压阈值 (VOVP) 或低于欠压阈值（VUVP），此状态持续可调延迟时间， JW3376 关闭充电 MOSFET 或放电 MOSFET 并发送报警信号到通知主处理器。充电过流保护。如果电池电流超过充电电流阈值 (VOCC) 或放电电流阈值（VOCD）并保持延迟时间，JW3376 关闭 CHG&DSCHG。

四、总结

        随着数字电路的发展，ADC其实大多数人用的越来越少，并不是因为 ADC 不用了，而是上游的芯片公司把 ADC 做到了芯片里面，直接以数字信号进行输出。但是无论是分离式的信号链，还是集成在芯片内部，ADC 的整体框架没有变。例如本篇文章介绍的  ADC  也是集成在  JOULWATT JW3376  芯片内部，但是原理依旧是一样的。

五、参考文献

[1] 《DS_MM32F0140_SC_v1.02》

[2] 《模数转换器(ADC)在工业系统中的作用》

[3] 《ADC以及ADC的主要技术参数及分类介绍》