當(dāng)代信息技術(shù)體系中，嵌入式系統(tǒng)接口作為數(shù)據(jù)交互的核心基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)成了設(shè)備互聯(lián)的神經(jīng)中樞。基于標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議與接口規(guī)范的技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)設(shè)備間的高效數(shù)據(jù)交換與智能化協(xié)同作業(yè)。本文選取模數(shù)轉(zhuǎn)換接口ADC作為技術(shù)解析切入點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)闡釋其工作機(jī)理、性能特征及重要參數(shù)，為嵌入式學(xué)習(xí)者愛(ài)好者構(gòu)建全維度接口技術(shù)認(rèn)知框架。

1、基礎(chǔ)概念

ADC的全稱是Analog-to-Digital Converter，譯為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是將連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號(hào)的一種電子設(shè)備或模塊。嵌入式系統(tǒng)大多依賴數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器可以理解的數(shù)字信號(hào)，使得設(shè)備能對(duì)外部的物理現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)、處理和控制。

ADC采集的模擬信號(hào)通常為電壓信號(hào)，其他類型的模擬信號(hào)如溫度、濕度、壓力、光強(qiáng)、電流等，可以通過(guò)轉(zhuǎn)換電路先轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再由ADC進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換前的傳輸信號(hào)波形如圖所示：

數(shù)字信號(hào)是由一系列離散的數(shù)字表示，只能取有限的值，一般用二進(jìn)制代碼0/1表示，轉(zhuǎn)換后的傳輸信號(hào)波形如下圖所示：

相比于模擬信號(hào)的連續(xù)變化，數(shù)字信號(hào)的干擾對(duì)信號(hào)質(zhì)量影響比較小，在傳輸和處理過(guò)程中能更好的抵抗外部干擾。ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的精確量化，使得復(fù)雜的計(jì)算、控制和分析可以通過(guò)數(shù)字化手段來(lái)完成。

2、工作原理

ADC完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，主要包括采樣保持、量化、編碼幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

（1）采樣保持

采樣過(guò)程是通過(guò)采樣保持電路對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)在特定時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行離散化，該電路會(huì)以一定的采樣頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行捕捉，將模擬信號(hào)的快照（即采樣值）固定為某一時(shí)間點(diǎn)的電壓值，從而保持信號(hào)的瞬時(shí)電平穩(wěn)定，便于后續(xù)量化和編碼處理。

（2）量化

采樣后的模擬信號(hào)被送入ADC的量化器，量化器將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換離散的數(shù)字電平，這個(gè)過(guò)程就是量化。量化是將采樣值映射到數(shù)字電平上，將每個(gè)采樣值逼近到最接近的離散電平，這一過(guò)程不可避免地會(huì)產(chǎn)生量化誤差，但這種轉(zhuǎn)換使得模擬信號(hào)能夠被系統(tǒng)讀取和處理。

（3） 編碼

量化之后，編碼器將離散的量化值轉(zhuǎn)換成為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼，使得數(shù)字信號(hào)能夠在設(shè)備中高效地傳輸、處理和存儲(chǔ)。編碼是模擬信號(hào)完成數(shù)字化的關(guān)鍵步驟，它將量化后的值轉(zhuǎn)化為數(shù)字格式，確保信號(hào)可以在系統(tǒng)中被有效處理。

3、重要參數(shù)

ADC的性能和精度受多個(gè)重要參數(shù)的影響，以下是一些關(guān)鍵的參數(shù)：

（1）分辨率

ADC的分辨率是指ADC能夠分辨量化的最小信號(hào)的能力，決定了量化精度，分辨率越高，量化誤差越小，精度越高。分辨率能表示離散電平的數(shù)量，通常以bit表示。例如，12位的ADC可以表示212=4096個(gè)電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換電壓范圍為0~3.3V時(shí)，轉(zhuǎn)換器就會(huì)把0V-3.3V平均分成4096份。

（2）采樣率

采樣率是ADC每秒鐘采樣的次數(shù) ,為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，一般采樣速率必須小于等于轉(zhuǎn)換速率，即采樣時(shí)間大于等于轉(zhuǎn)換時(shí)間。

（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從模擬信號(hào)采樣開(kāi)始，到ADC完成數(shù)字轉(zhuǎn)換并輸出數(shù)字結(jié)果所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是ADC性能的一個(gè)重要參數(shù)，特別在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

（4）量程

量程是ADC能夠接受并有效轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)電壓范圍，實(shí)際應(yīng)用的信號(hào)電壓范圍應(yīng)與之匹配，如果超出范圍，可能會(huì)導(dǎo)致飽和或失真。

關(guān)于ADC就介紹到這里。期待上述內(nèi)容能為嵌入式開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)者和愛(ài)好者提供可落地的設(shè)計(jì)思路，若您在項(xiàng)目實(shí)踐中遇到相關(guān)難題，歡迎私信我們繼續(xù)深入探討。