单片机基础单片机A/D转换（理论）

Posted 2021-10-09 小途

文章目录

• 1、A/D转换的概念
• 2、数字量和模拟量
• 3、A/D转换的基本原理
• • （1）采样和采样定理
  • （2）采样/保持电路
  • （3）量化和编码
• 4、常用的A/D转换器
• 5、常见的A/D芯片

1、A/D转换的概念

1. 模拟信号到数字信号的转换称为模-数转换，或A/D（Analog to Digital）转换。
2. 把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（Analog Digital Converter，ADC）。
3. ADC的作用是：将模拟量转换为数字量。
4. ADC主要应用在（低速）数字万用表、电子称等；（中速）工业控制、实验设备等；（高速）数字通信、导弹测距等；（超高速）数字音频、视频信号变化、气象数据分析处理。
5. ADC输入的是模拟量，输出的是数字量。
6. ADC输出的数字量可视为输入电压（电流）与基准电压（电流）相比所占的比例。
7. ADC输出和输入关系可表示如下：
   
   
   

2、数字量和模拟量

这个可以查看我学习数字电路的一篇笔记：
印象笔记——数字量和模拟量

3、A/D转换的基本原理

在模拟转换器ADC中，由于模拟信号是时间上和数值上均为连续的物理量，而数字信号是时间上和数值上均为离散的物理量。因此要进行模数转换时，先要按一定的时间间隔对模拟电压（或电流）进行采样，室其变为时间上离散的信号，然后将采样的电压（或电流）值保持，并同时对采样进行量化和编码，如此经量化、编码后的信号就成为了时间上和幅值上都离散的数值信号了。
A/D转换过程应包括：采样、保持、量化、编码四个步骤。

（1）采样和采样定理

ADC周期性地将输入模拟值转换成其大小对应的数字量，这个过程被称为采样。

（2）采样/保持电路

模拟量到数字量转换需要一定时间，在此期间要求采样所得的样值保持不变，这个过程需有相应的电路实现。

（3）量化和编码

模拟信号经“采样-保持电路”输出得到的采样值乃属模拟范凑，需量化处理才能转换为时间上和数值上都离散的数字信号。
量化：将采样值表示为最小数量单位的倍数倍。

编码：将量化结果用数字代码表示出来，常见有自然二进制编码、二进制补码编码。
因采样值为输入信号某些时刻的瞬时值，，它们是不可能都正好是量化单位的整数倍，即在量化时不可避免会引入量化误差，用$\xi$表示。量化误差是原理性误差，它是无法消除的。

量化误差：有限位ADC产生的输出数据的等效模拟值与实际输入模拟量之间的差值。
量化误差的大小与量化方式、量化单位、ADC编码位数、基准电压大小有关。
常用量化方式：只舍不入量化和有舍有入量化两种方式。

4、常用的A/D转换器

常用的A/D转换芯片按转换数据的输出方式，可分为：

1. 串行和并行两种，其中并行A/D芯片又可以根据8位、10位、12位、24位等。
2. 按转换原理分为逐次逼近型（SAR）和双积分型。
3. 按照同一块芯片商支持的同时输入的模拟信号数目和分为同时支持多个模拟信号输入的多通道型和只支持单个模拟信号的单通道型。

（1）并行A/D芯片需要占用较多数目的数据引脚，但输出速度快，在数据宽度比较大低时有较高的性价比。
串行A/D芯片占用数据引脚少，与51单片机接口接单，但由于数据要逐位输出，所以数据输出速度通常步入并行A/D芯片快。串行和并行A/D芯片各有优势主要看具体应用系统的需求。

（2）逐次逼近型的A/D芯片有很快的转换速度，一般是ns或us级，而双积分型A/D芯片转换速度要慢一些，一般为us或ms级，但机油转换精度高，廉价、抗干扰能力强等优点。因而逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，被广泛采用。

（3）多通道输入的A/D芯片可以同支持多个模拟信号的转换，但是由于需要进行通道切换，其转换速度通常慢于单通道输入的A/D芯片。

AD芯片有以下几个重要指标：

1. 分辨率：一般用转换后的位数表示，对于二进制输出型A/D芯片来说，分辨率为8位时只能将模拟信号转换成00H~FFH数字量的芯片，也表明它可以对量程的1/256的增量做出反应。
2. 量化误差：将模拟量转换成数字量（即量化）过程引起断点误差，它的理论单位是数字量的一半，即1、/2LSB。分辨率和量化误差是统一的，提高分辨率可以减少量化误差。
3. 转换时间：启动转换到完成一次A/D转换需要的时间。
4. 转换量程：A/D芯片能够转换的电压范围，如0~ 5V，-10 ~ +10V等。
5. 通道数：同时转换的模拟信号数目。

还有一些MCU内部集成有A/D转换，如STC12系列单片机、STM32、arduino、cc2530等，具体使用可查看相关芯片手册。
具体使用MCU内部集成的A/D转换还是外接A/D转换芯片具体看电路设计的需求决定。如果MCU内部集成的A/D转换可以满足需求就用内部集成的A/D转换，如电压采集等。如果MCU内部集成的A/D转换不能满足，如心电信号采集，则外接A/D转换芯片。

5、常见的A/D芯片

• 多通道类型：ADC0809、TLC2543
• 单通道类型：ADC0801、ADS1100
• 高精度类型：AD997