了解ADC輸入電壓和物理參數(shù)之間的關(guān)系

許多初步了解模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的人想知道如何將ADC代碼轉(zhuǎn)換為電壓?；蛘?，他們的問題是針對特定應用，例如：如何將ADC代碼轉(zhuǎn)換回物理量，如電流、溫度、重量或壓力。在這個包含兩篇文章的博客系列中，我將討論如何為各種應用執(zhí)行這一數(shù)學轉(zhuǎn)換。在第1篇文章中，我將解釋如何將ADC代碼轉(zhuǎn)換回相應的電壓。在第2篇文章中，我將使用幾個應用示例來展示如何從測量的電壓計算感興趣的物理參數(shù)。

將代碼轉(zhuǎn)換為電壓

ADC采樣模擬信號提供表示輸入信號的量化數(shù)字碼。數(shù)字輸出代碼得到后處理，并且結(jié)果可以報告給使用該信息做出決定和采取行動的操作者。因此，重要的是將數(shù)字碼正確地與它們表示的模擬信號建立關(guān)聯(lián)。

一般而言，ADC輸入電壓通過簡單的關(guān)系與輸出代碼相關(guān)，如公式1所示：

其中VIN(V)是ADC的輸入電壓（稱為輸入，如下所述），輸出代碼是ADC的十進制格式的數(shù)字輸出代碼（計數(shù)），LSB大小是ADC代碼中的最低有效位（LSB）。

公式1是可用于任何ADC的一般公式。如果ADC的輸出代碼為二進制或二進制補碼格式也沒有關(guān)系，只要將二進制數(shù)正確轉(zhuǎn)換為其等效十進制值即可。

確定LSB大小

完成ADC轉(zhuǎn)換后，將輸出代碼的十進制值乘以LSB大小來計算輸入電壓。知道LSB大小是代碼和電壓之間轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。

公式2可確定LSB大小：

其中FSR是與基準電壓成比例的ADC的滿量程輸入范圍（單位為伏特），N是ADC輸出代碼中的位數(shù)。2N等于ADC代碼的總數(shù)。

LSB大小等于滿量程輸入范圍（FSR）除以ADC代碼的總數(shù)。這相當于覆蓋整個輸入范圍所需的每個代碼的步長。圖1為4位ADC（24= 16個代碼）的階躍函數(shù)，它將輸入電壓映射到輸出代碼。

圖1：ADC輸入傳遞函數(shù)（N = 4）

滿量程范圍和輸入基準電壓

要注意所使用ADC的FSR，因為不同的ADC有不同的FSR。FSR總是與基準電壓成正比，也可能取決于任何內(nèi)部增益，如公式3所示：

其中VREF是ADC的基準電壓（單位為伏特）；m是基準電壓比例系數(shù)（例如，如果ADC的差分輸入范圍允許輸入電壓為從-VREF到VREF，則m = 2，因此FSR = 2VREF），增益是ADC的內(nèi)部增益（如果有，否則為1V / V）。我在這個公式中包含了增益，以便在ADC包含增益級的情況下計算輸入基準電壓，如圖2所示。

圖2：輸入基準電壓

delta-sigma ADC通常在ADC輸入之前集成可編程增益放大器（PGA）增益級；這就是公式3包括增益項的原因。通過在FSR計算中包括PGA增益，LSB大小計算也考慮了該增益。這意味著，當輸出代碼乘以LSB大小時，結(jié)果是PGA輸入之前的輸入基準電壓（VIN），如圖2所示，而不是放大的（輸出基準）電壓。注意，如果系統(tǒng)在ADC之前使用額外的信號調(diào)節(jié)，則該電路的效果可能需要額外的計算以確定系統(tǒng)的輸入基準電壓（在信號調(diào)節(jié)電路之前）。

示例代碼

在大多數(shù)情況下，ADC代碼由微控制器以8位段讀取，并連接成32位數(shù)據(jù)類型。如果ADC的分辨率小于32位，并且輸出代碼有符號，則需要將數(shù)據(jù)符號擴展為32位整數(shù)數(shù)據(jù)類型以保留符號。圖3中的代碼為該操作的示例。

圖3：讀取24位ADC數(shù)據(jù)的代碼示例

現(xiàn)在你知道如何將ADC代碼轉(zhuǎn)換為相應的輸入電壓，下一步是了解ADC輸入電壓和物理參數(shù)之間的關(guān)系。