很多学习单片机的小伙伴都会听到过A/D,知道是将模拟量转换为数字量,但是大家有深入了解过A/D和它的工作原理吗?今天我就在这里带领大家来了解一下A/D转换器。 A/D转换器,也称“ADC”(Analog-to Digital Convert),是将模拟量转换为数字量的器件。这个模拟量可以是电压、电流等电信号,也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前,必须通过各种传感器把各种物理量转换成电压信号。 那么,A/D是如何进行工作的呢?为了方便大家的理解,这里我们从数字到模拟的方向去解释。 首先,大家要知道的是,在数字系统中是以二进制逻辑代数为数学基础的,使用二进制数字信号,一个n位二进制数,那么它就有N=2n个离散值。由于数字量是离散的,一般用一个称为量子Q的基本单位来度量,定义量子Q等于满量程模拟量的1/2n。 图 1 举个例子,一个3位A/D转换器,那么它的输出就是一个3位二进制数,有8个离散值,分别是000;001;010;011;100;101;110;111。假设它的输入模拟电压满量程是10V,那么Q=10/8=1.25V,这8个离散值分别对应的标准模拟电压为: 图 2 有小伙伴会问,为什么111对应的不是10V呢?别着急,我们继续往下深入。我们先把上面的表格里的数据画在坐标中: 图 3 图中那条直线是我们所希望的输入输出的特性曲线,而阶梯状的曲线是模拟量的量化过程的输出关系,每个台阶的宽度称为量化带,理想情况下,量化带就等于一个量子Q。我们在图中可以看出,当输入模拟量的幅度在Q到2Q之间时,输出都是Q,而我们希望输出是那条直线,直线与实际输出的差值就是A/D转换器的量化误差,这也就是为什么最后的标准模拟电压是8.75V而不是10V。我们把量化误差用图像的形式表现出来,就像下图一样 图 4 在图里看出来,量化误差的绝对值小于一个量子Q。通常,我们把实际输出特性去向左移Q/2,如下图所示: 图 5 相应的量化误差就会降为-Q/2<> 图 6 到这里,我相信大家也都能表达出n位A/D转换器的理想传输函数 图 7 式中,n是A/D转换器的位数,Vm是输入模拟电压的满量程,Bn是数字量,Vn是2n个标准模拟电压,Vi是输入的模拟电压。通过两个式子就可以画出A/D转换器的理想传输特性曲线。 图 8 从图中可以看出来,每个台阶的中心点都在我们想要的直线上,如果说,n趋于无穷大,那么这个台阶就会越来越密,最后和直线重合。也就是说,当n越大,A/D转换器的理想传输特性曲线越趋于这条直线。除此之外,根据量子的计算公式当n越大时,Q越小,量化误差也就越小。 由此可以看出,在其他因素相同,不考虑价格的情况下,A/D转换器位数是越多越好。当然,我们选用A/D转换器是不能只看位数的,一个A/D转换器的质量水平与它的分辨率、转换时间和精度这几项技术指标有关。其中,转换时间与分辨率有关,一般来说,分辨率越高,转换时间越长,这是由A/D转换器的电路结构所决定的。关于技术指标,我们以后再和大家详细说明。如果有技术上的错误,欢迎大家指正,谢谢! 该篇文章由内容创作成员@Vertigo6 提供,看完记得关注我们哦!!! |
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