模数转换器（ADC）到底在干嘛？

模数转换器是一种用于将模拟信号（如光敏电阻或热敏电阻的输出）转换为可由数字计算机或微控制器处理的二进制信号的设备。

将模拟信号转换为二进制数字信号有多种方法，但在本教程中我们将讨论逐次逼近法，因为这可能是最常用的方法。

采样

每个交流波形都有特定的频率、波长和振幅。为了将这种波转换成数字信号，我们以周期性间隔（称为采样率）测量交流波形的振幅。更高的采样率将产生更精确的交流波形表示：

模数转换器的工作原理

下图 1 所示是 ATMEGA328 中使用的 ADC 的框图。

图1：逐次逼近型模数转换器

时钟 CLK 提供采样率，SAR 是逐次逼近寄存器，EOC 是输出到处理器的信号，用于指示当前采样已完成，Vref 是 5V 电源或外部电压基准。DAC 是数模转换器，Vin 是模拟输入引脚，S/H 是采样保持器，COMP 是比较器。

转换过程由输入 ADC 的 Vin 端模拟信号启动。接收到该信号后，ADC 的控制单元将向逐次逼近寄存器发出命令，该寄存器开始通过逐次逼近法生成数字信号。生成的数字数据由 DAC 转换为模拟信号，然后与当前模拟信号和参考电压进行比较。此时可用的数字数据通过输出寄存器输出。

ADC 的核心是采样保持 (S/H)，如下图 2 所示：

图 2：采样和保持

对于每个采样时钟周期，S1 闭合，S2 断开，使电容器快速充电至波形的当前值。然后，S2 闭合，S1 断开，比较器读取电压。

数模转换的工作原理

我们如何将 ADC 输出的数字位与模拟电压电平关联起来？假设一个 10 位 ADC 的采样值为 0001100100。我们首先需要将这个二进制数转换为整数。

如何将二进制数转换为整数。首先，将二进制数按下表排列，可能的组合数从右到左依次递增：

现在，将位值乘以可能的组合数：

0512 + 0256 + 0128 + 164 + 132 + 016 + 08 + 14 + 02 + 01 = 100

那么，我们读到的电压是多少？

在 Arduino ADC 中，ADC 输出范围限制在 0 到 1023 之间。假设我们使用本地 5V 作为参考，则：（1023 / 5V）* Vin = 返回的整数值。

因此，如果 ADC 输出整数值 100（如上所示），则电压为：电压 = (5V * 100) / 1023 = 0.488V

就是这样！模数转换器（A/D 转换器）虽然相当复杂，但了解它们确实很有益处。