ADC(Analogue to Digital Converter)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to Digital Converter，簡稱ADC)是一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，它通過將模擬信號編碼為二進制代碼，使數(shù)字電路能夠與現(xiàn)實世界進行接口。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)允許微處理器控制電路，Arduinos，樹莓派和其他此類數(shù)字邏輯電路與現(xiàn)實世界通信。在現(xiàn)實世界中，模擬信號具有不斷變化的值，這些值來自各種來源和傳感器，可以測量聲音，光，溫度或運動，許多數(shù)字系統(tǒng)通過測量來自這些傳感器的模擬信號與環(huán)境相互作用。

雖然模擬信號可以連續(xù)并提供無限多個不同的電壓值，但另一方面，數(shù)字電路可以處理只有兩個離散狀態(tài)的二進制信號，即邏輯“1”(HIGH)或邏輯“0”(LOW)。因此，需要一種能夠在連續(xù)變化的模擬信號和離散數(shù)字信號這兩個不同域之間進行轉(zhuǎn)換的電子電路，這就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)的作用。

基本上，模數(shù)轉(zhuǎn)換器在某一時刻獲取模擬電壓的快照，并產(chǎn)生表示該模擬電壓的數(shù)字輸出代碼。用于表示該模擬電壓值的二進制數(shù)字或位的數(shù)量取決于A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。

例如，4位ADC的分辨率為1 / 15(2^4 - 1)，而8位ADC的分辨率為1 / 255(2^8 - 1)。因此，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器接收未知的連續(xù)模擬信號并將其轉(zhuǎn)換為2^n位的“n”位二進制數(shù)。

但首先讓我們提醒自己模擬(或模擬)信號和數(shù)字信號之間的區(qū)別，如下所示:

模擬和數(shù)字信號

在這里我們可以看到，當電位器的雨刷端在0伏和VMAX之間旋轉(zhuǎn)時，它產(chǎn)生一個連續(xù)的輸出信號(或電壓)，相對于雨刷位置有無限個輸出值。當電位器雨刷器從一個位置調(diào)整到下一個位置時，兩個電壓水平之間沒有突然或階躍變化，從而產(chǎn)生連續(xù)可變的輸出電壓。模擬信號的例子包括溫度、壓力、液位和光強度。

對于數(shù)字電路，電位器刮水器已被單個旋轉(zhuǎn)開關(guān)所取代，該開關(guān)依次連接到串聯(lián)電阻鏈的每個結(jié)，形成一個基本的電位分壓器網(wǎng)絡(luò)。當開關(guān)從一個位置(或節(jié)點)旋轉(zhuǎn)到下一個輸出電壓時，VOUT以離散和獨特的電壓階躍快速變化，每個開關(guān)動作或步驟表示1.0伏的倍數(shù)，如圖所示。

例如，輸出電壓將是2伏，3伏，5伏等，而不是2.5V, 3.1V或4.6V。通過使用多位置開關(guān)和增加電位分壓器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電阻元件的數(shù)量，從而增加離散開關(guān)步驟的數(shù)量，可以很容易地產(chǎn)生更精細的輸出電壓水平。

然后我們可以看到，模擬信號和數(shù)字信號之間的主要區(qū)別是，“模擬”量是隨時間連續(xù)變化的，而“數(shù)字”量是離散的(一步一步)值?！暗汀钡健案摺被颉案摺钡健暗汀薄Ｄ敲?，我們?nèi)绾螌⒁粋€具有無限數(shù)值的連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換為具有不同數(shù)值或階躍的信號，以供數(shù)字電路使用呢?

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

采用模擬電壓信號并將其轉(zhuǎn)換為等效數(shù)字信號的過程可以通過許多不同的方式完成，雖然有許多模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，如各種制造商提供的ADC08xx系列，但可以使用分立元件構(gòu)建簡單的ADC。

一種簡單易行的方法是使用并行編碼，也稱為閃變、同步或多個比較器轉(zhuǎn)換器，其中比較器用于檢測不同的電壓水平，并將其開關(guān)狀態(tài)輸出到編碼器。

并行的“Flash”A/D轉(zhuǎn)換器使用一系列互連但間隔相等的比較器和電壓參考，這些比較器和電壓參考由一系列精密電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生，用于生成特定n位分辨率的等效輸出代碼。

并聯(lián)或閃存轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是它們構(gòu)造簡單，并且不需要任何定時時鐘，因為在將模擬電壓施加到比較器輸入的瞬間，它與參考電壓進行比較?？紤]下面的比較器電路。

比較器電路

一種模擬比較器，如LM339N，它有兩個模擬輸入，一個正一個負，可以用來比較兩個不同電壓水平的幅度。

電壓輸入(VIN)信號應(yīng)用于比較器的一個輸入，而參考電壓(VREF)應(yīng)用于另一個輸入。對比較器輸入端的兩個電壓電平進行比較，以確定比較器的數(shù)字邏輯輸出狀態(tài)，即“1”或“0”。

參考電壓，VREF與輸入電壓比較，VIN應(yīng)用于另一個輸入。對于LM339比較器，如果輸入電壓小于參考電壓，(VIN < VREF)輸出為“OFF”，如果大于參考電壓，(VIN > VREF)輸出為“ON”。因此，比較器比較兩個電壓水平并確定兩者中哪一個更高。

在上面的簡單示例中，VREF是由R1和R2設(shè)置的分壓器網(wǎng)絡(luò)獲得的。如果兩個電阻相等，即R1 = R2，那么很明顯，參考電壓電平將等于電源電壓的一半，即V/2。因此，對于具有開路集電極輸出的比較器，如果VIN小于V/2，則輸出為高電平，如果VIN大于V/2，則輸出為低電平，作為1位ADC。

但是，通過向分壓器網(wǎng)絡(luò)添加更多的電阻，我們可以有效地將電源電壓“除以”由電阻的電阻決定的量。然而，我們在分壓器網(wǎng)絡(luò)中使用的電阻器越多，需要的比較器就越多。

一般來說，轉(zhuǎn)換“n”位二進制輸出需要2^n - 1個比較器，其中“n”通常在8到16的范圍內(nèi)。在我們上面的例子中，單比特ADC使用21 - 1(等于“1”)比較器來確定VIN是否大于或小于V/2參考電壓。

如果我們現(xiàn)在創(chuàng)建一個2位ADC，那么我們將需要22 - 1，這是“3”比較器，因為我們需要四個不同的電壓電平，對應(yīng)于4到2位編碼器電路所需的4個數(shù)字值，如圖所示。

2位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

這將為模擬輸入的所有四個可能值提供一個2位輸出代碼:

式中:“X”為“不關(guān)心”，即邏輯“0”或邏輯“1”條件。那么這個模數(shù)轉(zhuǎn)換器是如何工作的呢?為了使A/D轉(zhuǎn)換器有用，它必須產(chǎn)生模擬輸入信號的有意義的數(shù)字表示。在這個簡單的2位ADC示例中，為了簡單起見，我們假設(shè)輸入電壓VIN在0到4伏之間，因此將VREF和電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為在每個電阻上降低1伏。

當VIN介于0和1伏之間時，(<1V)三個比較器的輸入將小于參考電壓，因此它們的輸出將為LOW，編碼器將在引腳Q0和Q1上輸出二進制零(00)條件。當VIN增加并超過1伏但小于2伏時，(1V

注意，像TTL 74LS148這樣的優(yōu)先級編碼器為每個單獨的輸入分配一個優(yōu)先級級別。優(yōu)先級編碼器輸出對應(yīng)于具有最高優(yōu)先級的當前活動輸入。因此，當具有較高優(yōu)先級的輸入(D1與D0相比)存在時，所有其他具有較低優(yōu)先級的輸入將被忽略。因此，如果同時在邏輯級別“1”上有兩個或兩個以上的輸入，則D0和D1上的實際輸出代碼將只對應(yīng)指定優(yōu)先級最高的輸入。

所以現(xiàn)在當VIN增加到2伏以上時，下一個參考電壓水平，比較器U2檢測到變化并產(chǎn)生高輸出。但由于輸入D2比輸入D0或D1具有更高的優(yōu)先級，因此優(yōu)先編碼器輸出二進制“2”(10)碼，以此類推，當VIN超過3伏時，產(chǎn)生二進制“3”(11)碼輸出。顯然，當VIN在每個參考電壓水平之間降低或變化時，每個比較器將輸出一個HIGH或LOW條件到編碼器，編碼器反過來產(chǎn)生一個相對于VIN在00到11之間的2位二進制代碼。

這一切都很好，但是優(yōu)先編碼器不能作為4到2位設(shè)備使用，如果我們使用商用的編碼器，如TTL 74LS148或其CMOS 4532等效的8位設(shè)備，則不會使用六個二進制位。但是一個簡單的編碼器電路可以用數(shù)字前或門和信號二極管矩陣制成，如圖所示。

使用二極管的2位ADC

這里比較器的輸出在被饋送到二極管之前使用異或門進行編碼。兩個外部下拉電阻用于輸出和地(0V)，以確保低狀態(tài)，并在二極管反向偏置時阻止輸出浮動。

因此，與前面的電路一樣，取決于VIN的值確定哪個比較器產(chǎn)生輸出信號HIGH(或LOW)到產(chǎn)生高輸出的異或門，如果一個輸入或另一個輸入是HIGH，但不是兩個，(布爾表達式是Q = A.B + A.B)。這些前或門也可以使用組合邏輯與或與非門來構(gòu)建。

這兩種4對2轉(zhuǎn)換器設(shè)計的問題是，這個簡單的2位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是1伏，因為正如我們所看到的，VIN處的模擬輸入電壓必須改變1伏特才能使編碼器改變其輸出代碼。提高輸出分辨率的一種方法是使用更多的比較器將其增加到3位a /D轉(zhuǎn)換器。

3位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

上面的并行ADC將0到3伏范圍內(nèi)的模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換為2位二進制代碼。由于3位數(shù)字邏輯系統(tǒng)可以產(chǎn)生2^3 = 8個不同的數(shù)字輸出，因此模擬輸入電壓可以與8個參考電壓電平進行比較，每個電壓電平等于參考電壓的八分之一(V/8)。因此，我們現(xiàn)在可以測量0.5(4/8)伏的分辨率，并且需要23 - 1比較器來輸出在000(0)和111(7)之間的3位二進制代碼，如圖所示。

3位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路

這將為模擬輸入的所有八個可能值提供一個3位輸出代碼:

這里“X”是一個“不關(guān)心”，這是一個邏輯“0”或邏輯“1”的輸入條件。然后我們可以看到，通過增加ADC的分辨率，不僅增加了輸出二進制位的數(shù)量，而且增加了比較器的數(shù)量和所需的電壓水平。

因此，4位分辨率需要15個(2^4 - 1)比較器，8位分辨率需要255個(2^8 - 1)比較器，而10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要1023個比較器，等等。因此，對于這種類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，輸出位數(shù)要求越高，電路就越復(fù)雜。

然而，這種類型的并行或閃存A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是它的實時轉(zhuǎn)換率相對較快，如果只需要幾個二進制位就可以在數(shù)字顯示器上產(chǎn)生讀出來顯示模擬輸入信號的電壓值，則可以很容易地作為項目的一部分構(gòu)建。

除了從傳感器或換能器獲取模擬輸入信號并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字二進制代碼作為輸入接口電路的一部分外，我們還可以使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器將二進制代碼轉(zhuǎn)換為等效的模擬量，用于輸出接口以控制電機或執(zhí)行器，或通常用于音頻應(yīng)用。