ADC碼值的轉(zhuǎn)換過(guò)程講解

我們所接觸到自然界的各種信號(hào)，無(wú)論是電壓、電流、溫度、壓力等都屬于模擬信號(hào)的范疇。但因?yàn)?a target="_blank">單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以需要?個(gè)能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的介質(zhì)——模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量包含以下幾個(gè)步驟：采樣、保持、量化、編碼。本文我們以 ADI 亞德諾半導(dǎo)體 24 位 Σ-ΔADC 為例，為大家講解 ADC 碼值的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

AD7768-1 介紹

AD7768-1 是一款低功率、高性能 Σ-Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，其具有一個(gè) Σ-Δ 調(diào)制器和數(shù)字濾波器，可實(shí)現(xiàn) AC 和 DC 信號(hào)的精確轉(zhuǎn)換。下圖 (圖1) 所示為 AD7768-1 的核心信號(hào)鏈：

圖1 AD7768-1 的核心信號(hào)鏈

Σ-Δ 調(diào)制器對(duì)模擬輸入進(jìn)行過(guò)采樣，并將數(shù)字表示傳遞給數(shù)字濾波器塊。數(shù)據(jù)被濾波，增益調(diào)整和抽取 (抽取率取決于用戶設(shè)置) 后在 SPI 接口上輸出。其中量化以及編碼除了 ADC 本身之外，還涉及到基準(zhǔn)源 Reference，AD7768-1 外部基準(zhǔn)源電壓范圍支持 1V 至 (AVDD1–AVSS) 電壓，前端輸入電壓范圍支持到 ±VREF。

ADC 理想傳遞函數(shù)

AD7768-1 可以使用高達(dá) 5V 的參考電壓并轉(zhuǎn)換模擬輸入之間的差分電壓 (AIN+ 和 AIN?) 到數(shù)字輸出。模擬輸入可以配置為以下任意一種：差分或偽差分輸入。作為偽差分輸入時(shí)，AIN+ 或 AIN- 可以連接到一個(gè)常數(shù)輸入電壓 (如 0V、AVSS 或其他參考電壓)，ADC 轉(zhuǎn)換模擬量之間的電壓差，使用共模 (AVDD1?AVSS)/2 可以最大限度地提高 ADC 輸入范圍。下圖 (圖2) 顯示了 AD7768-1 的理想傳遞函數(shù)，值得注意的是目前絕大多數(shù) ADC 在輸出碼值的時(shí)候是以二進(jìn)制補(bǔ)碼 (twos complement format) 的形式輸出的，AD7768-1 也是如此。

圖2 ADC 理想傳遞函數(shù)

二進(jìn)制補(bǔ)碼

二進(jìn)制補(bǔ)碼 (twos complement format) 是一種常用的二進(jìn)制數(shù)表示方法，它主要用來(lái)表示負(fù)數(shù)的大小。在二進(jìn)制補(bǔ)碼中，正數(shù)的表示方法和普通的二進(jìn)制數(shù)表示方法沒(méi)有任何區(qū)別，但是負(fù)數(shù)的表示方法是通過(guò)將它的絕對(duì)值的二進(jìn)制數(shù)取反 (即將每一位的 0 變?yōu)?1，1 變?yōu)?0)，再加 1 得到的。假設(shè)要用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示數(shù)字 -5，則首先需要將 5 的二進(jìn)制數(shù) 101 取反得到 010，再加 1 得到 011，即 011 就是 -5 的二進(jìn)制補(bǔ)碼。

基于以上信息，根據(jù)下圖 (圖3) 我們可以得出 ADC 輸出的碼值和理想輸入電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系；其中 -FS 是可以輸入的最低電壓，因?yàn)槭且粋€(gè)負(fù)值，MSB 位取 1，所以得到 800000，正常來(lái)講的話這個(gè)值應(yīng)該是最小的，F(xiàn)S 是可以輸入的最高電壓，應(yīng)該對(duì)應(yīng) 0XFFFFFF。Midscale 對(duì)于 24 分辨率 ADC 來(lái)說(shuō)的話，應(yīng)該取 2 的 23 次方，也就是 8388608 (0X800000) 這個(gè)值。

圖3 ADC 輸出碼值與理想輸入電壓

根據(jù) ADC 輸出碼值求輸入電壓

下圖 (圖4) 為求輸入電壓的計(jì)算公式，需要注意的是，部分工程師通過(guò) ADC 讀出來(lái)的 CODE 是直接二進(jìn)制碼值，那么此時(shí) Midscale Code 需要對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換為直接二進(jìn)制的碼值 0X800000 (對(duì)應(yīng)十進(jìn)制的 8388608)，否則就會(huì)發(fā)現(xiàn)只有前端輸入正電壓是正確的，負(fù)電壓就會(huì)報(bào)錯(cuò)了。

圖4 根據(jù) ADC 輸出碼值求輸入電壓計(jì)算公式

總結(jié)

本文以 AD7768-1 為例介紹了通用 ADC 進(jìn)行編碼過(guò)程，以及根據(jù)輸出碼值反推出實(shí)際 ADC 輸入的電壓。但需要注意，目前絕大多數(shù) ADC 都是按照二級(jí)制補(bǔ)碼方式輸出編碼值，這是為了方便計(jì)算機(jī)對(duì)符號(hào)和數(shù)值的統(tǒng)一運(yùn)算而不需要增加額外的硬件電路，一定要和 ADC 輸出的原碼區(qū)分開(kāi)。






審核編輯：劉清