什么是AD轉(zhuǎn)換？

AD轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換。顧名思義，就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。主要包括積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、Σ-Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。

A/D轉(zhuǎn)換器是用來(lái)通過(guò)一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。模擬量可以是電壓、電流等電信號(hào)，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號(hào)。但在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

信號(hào)采樣概念

信號(hào)采樣也稱抽樣（sample），是連續(xù)信號(hào)在時(shí)間上的離散化，即按照一定時(shí)間間隔△t 在模擬信號(hào)x（t）上逐點(diǎn)采取其瞬。

時(shí)值。它是通過(guò)采樣脈沖和模擬信號(hào)相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

采樣間隔的選擇和信號(hào)混淆：對(duì)模擬信號(hào)采樣首先要確定采樣間隔。如何合理選擇△t 涉及到許多需要考慮的技術(shù)因素。一般而言，采樣頻率越高，采樣點(diǎn)數(shù)就越密，所得離散信號(hào)就越逼近于原信號(hào)。

但過(guò)高的采樣頻率并不可取，對(duì)固定長(zhǎng)度（T）的信號(hào)，采集到過(guò)大的數(shù)據(jù)量（N=T/△t），給計(jì)算機(jī)增加不必要的計(jì)算工作量和存儲(chǔ)空間；若數(shù)據(jù)量（N）限定，則采樣時(shí)間過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致一些數(shù)據(jù)信息被排斥在外。采樣頻率過(guò)低，采樣點(diǎn)間隔過(guò)遠(yuǎn)，則離散信號(hào)不足以反映原有信號(hào)波形特征，無(wú)法使信號(hào)復(fù)原，造成信號(hào)混淆。直觀地說(shuō)信號(hào)混迭是把本該是高頻的信號(hào)誤認(rèn)為低頻信號(hào)。

根據(jù)采樣定理可以得到，當(dāng)采樣頻率大于原信號(hào)中最大組成頻率的兩倍時(shí)，可以比較好的還原信號(hào)，若小于最大組成頻率的兩倍則為欠采樣，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)混疊現(xiàn)象。

模擬信號(hào)采樣與AD轉(zhuǎn)換

1 著名的Nyquist采樣定理

盡管大家都知道，但還是提一提。大牛奧本海姆的《信號(hào)與系統(tǒng)》中是這樣描述的：

Let x（t） be a band-limited signal with X（jw） = 0 for |w|》 wM. Then x（t） is uniquely determined by its samples x（nT），n=1，±1，±2，。。。，if

ws 》 2wM where ws = 2 pi/T.

Given these samples， we can reconstruct x（t） by generating a periodic impluse train in which successive impluse have amplitudes that are successive sample values. This impluse train is then processed through an ideal lowpass filter with gain T and cutoff frequency greater than wM and less than ws-wM. The resulting output signal will exactly equal x（t）。

來(lái)捋一捋，幾個(gè)點(diǎn)：

帶寬有限（band-limited）

采樣頻率大于2倍信號(hào)最高頻率后可以無(wú)失真的恢復(fù)出原始信號(hào)

實(shí)際中，信號(hào)往往是無(wú)線帶寬的，如何保證帶寬有限？所以，我們?cè)谀M信號(hào)輸入端要加一個(gè)低通濾波器，使信號(hào)變成帶寬有限，再使用2.5~3倍的最高信號(hào)頻率進(jìn)行采樣。關(guān)于此我們下面將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換過(guò)程將會(huì)看到。

雖說(shuō)是不能小于等于2倍，但選2倍是不是很好呢，理論上，選擇的采樣頻率越高，越能無(wú)失真的恢復(fù)原信號(hào)，但采樣頻率越高，對(duì)后端數(shù)字系統(tǒng)的處理速度和存儲(chǔ)要求也就越高，因此要選擇一個(gè)折中的值。

如果后端數(shù)字信號(hào)處理中的窗口選擇過(guò)窄，采樣率太高，在一個(gè)窗口內(nèi)很難容納甚至信號(hào)的一個(gè)周期，這從某方面使得信號(hào)無(wú)法辨識(shí)。比如，數(shù)字信號(hào)處理的窗口大小為1024個(gè)點(diǎn)，采樣率為50KHz，則窗口最多容納1024*（1/50KHz）=20.48ms的信號(hào)長(zhǎng)度，若信號(hào)的一個(gè)周期為30ms》20.48ms，這就使得數(shù)字信號(hào)的處理窗口沒(méi)法容納一個(gè)周期信號(hào)，解決的辦法就是在滿足要求的前提下使用減小采樣率或增加窗口長(zhǎng)度。

2 模數(shù)轉(zhuǎn)換

記得有一次參加中科院計(jì)算所的實(shí)習(xí)筆試，里面就有這么一道題：模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號(hào)要經(jīng)歷哪兩個(gè)步驟？還好，早有準(zhǔn)備，立刻填上了采樣和量化。我們下面就來(lái)詳細(xì)分析下這兩個(gè)過(guò)程，但在分析之前，我們先給出一張整個(gè)過(guò)程的流圖，您可以先想想為什么需要各模塊。

程控放大器

我們實(shí)際中的模擬信號(hào)都是通過(guò)傳感器采集進(jìn)來(lái)的，做過(guò)單片機(jī)的人應(yīng)該熟知DS18B20溫度傳感器，不好意思，那是數(shù)字傳感器，也就是說(shuō)人家做傳感器的時(shí)候把AD轉(zhuǎn)換也放到傳感器里面了。但這并不是普遍的情況，因?yàn)闇囟攘渴悄M信號(hào)中最容易測(cè)量的量了，而大多數(shù)的傳感器并沒(méi)有集成AD轉(zhuǎn)換過(guò)程，如大多數(shù)的加速度傳感器、震動(dòng)傳感器、聲音傳感器、電子羅盤，甚至有的GPS（別懵了，GPS也算是一種傳感器哦）等，都是模擬輸出的。而且由于物理制作的原因，傳感器返回的電信號(hào)非常微小，一般在幾mV（如果是電流，也一般在幾mA），這么微弱的信號(hào)，如果經(jīng)過(guò)導(dǎo)線或電纜傳輸很容易就湮滅在噪聲中。因此，我們常常見到模擬傳感器的輸出線都會(huì)使用套上一層塑膠的線，叫屏蔽線（如圖）。

屏蔽線只能保證在信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)之前受到的干擾最小，但信號(hào)仍要經(jīng)過(guò)處理才能為數(shù)字系統(tǒng)使用。在模擬信號(hào)（尤其是高頻信號(hào)）的輸入端首先要使用低噪聲放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，這個(gè)放大器有特殊的要求，一定是低噪聲，我們已經(jīng)知道，模擬信號(hào)信號(hào)已經(jīng)非常微弱，如果放大器還存在一定的噪聲，在噪聲疊加之后放大出來(lái)的信號(hào)可能已經(jīng)不再是原信號(hào)了。既然說(shuō)到低噪聲，那么低噪聲是如何衡量的呢？這可以通過(guò)放大器噪聲系數(shù)（NF）來(lái)定，

噪聲系數(shù)定義為放大器輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的信噪比。其物理含義是：信號(hào)通過(guò)放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)通常用dB表示，

實(shí)際中除了考慮低噪聲系數(shù)外，還要考慮放大器的帶寬和頻率范圍以及最重要的放大增益。由于輸入信號(hào)的強(qiáng)度可能時(shí)變，采用程序可控（程控）的放大增益保證信號(hào)能達(dá)到滿度而又不會(huì)出現(xiàn)飽和（實(shí)際中要做到這一點(diǎn)還是很難的）。

低通濾波器

在Nyquist采樣定理中已經(jīng)提過(guò)，要滿足采樣定理必須要求信號(hào)帶寬有限，使用大于2倍的最高信號(hào)頻率采樣才能保證信號(hào)的不混疊。低通濾波器的一個(gè)考慮就是使信號(hào)帶寬有限，以便于后期的信號(hào)采樣，這個(gè)低通濾波器是硬件實(shí)現(xiàn)的。另一方面，實(shí)際情況中我們也只會(huì)對(duì)某個(gè)頻頻段的信號(hào)感興趣，低通濾波器的另一個(gè)考慮就是濾波得到感興趣的信號(hào)。比如，測(cè)量汽車聲音信號(hào)，其頻率大部分在5KHz以下，我們則可以設(shè)置低通濾波器的截止頻率在7KHz左右。

程控的實(shí)現(xiàn)方法就是使用模擬通道選擇芯片（如74VHC4051等）。

NOTES：

在采樣之前的所有電路實(shí)現(xiàn)方案叫信號(hào)調(diào)理電路。這樣，我們就可以根據(jù)這個(gè)詞到處Google/Baidu文獻(xiàn)了。