什么是模數(shù)轉(zhuǎn)換器？

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電子元件。其工作原理是將模擬信號(hào)通過(guò)取樣、保持、量化和編碼四個(gè)過(guò)程，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，ADC將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過(guò)程需要一個(gè)參考模擬量作為標(biāo)準(zhǔn)，比較常見(jiàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。輸出的數(shù)字量表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如無(wú)線(xiàn)通信、工業(yè)控制、高速數(shù)據(jù)采集、儀器儀表測(cè)量、音頻視頻數(shù)字化等。在音頻視頻系統(tǒng)中，ADC需要具有較高的分辨率；在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，ADC需要具有較高的采樣率；而在可穿戴設(shè)備中，ADC需要具有較低的功耗。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器有多種類(lèi)型，常見(jiàn)的有積分型、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等。其中，積分型ADC工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。

總之，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電子元件，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。不同類(lèi)型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有不同的工作原理和特點(diǎn)，選擇合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以提高信號(hào)處理的效果和設(shè)備的性能。

接下來(lái)小編給大家分享一些模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖，以及簡(jiǎn)單分析它們的工作原理。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖分享

1、使用定時(shí)器IC 555的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖

使用定時(shí)器 IC 555 的簡(jiǎn)單模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，設(shè)計(jì)時(shí)只需很少的外部元件。我們知道，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式包括不同的階段，并且取決于轉(zhuǎn)換器電路增加的輸出分辨率成本。如果您正在尋找低分辨率（4 位至 10 位）ADC，那么該電路可能會(huì)幫助您。

創(chuàng)建模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 最簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方法之一是利用多功能定時(shí)器 IC 555。這里定時(shí)器 IC 通過(guò)放電和閾值、觸發(fā)引腳獲取模擬輸入。輸出脈沖寬度與模擬輸入電壓和 1μF 電容器 (C1) 兩端的電壓之間的差值成正比。

眾所周知，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程涉及定期對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣值量化為數(shù)字代碼。但該電路根據(jù)模擬輸入信號(hào)給出具有可變占空比的數(shù)字脈沖。

定時(shí)電容器 C1 的充電和放電取決于模擬輸入信號(hào)，因此定時(shí)器 IC 的輸出根據(jù)模擬信號(hào)而變化。這里晶體管 Q1 充當(dāng)開(kāi)關(guān)并反轉(zhuǎn)數(shù)字輸出。

使用定時(shí)器 IC 555 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路是一種簡(jiǎn)單而有效的方法，可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，適用于低級(jí)應(yīng)用，您可以通過(guò)使用運(yùn)算放大器和實(shí)施逐次逼近法來(lái)改進(jìn)它。

這是給出的模擬結(jié)果。輸入模擬信號(hào)幅度為8V，電路工作電壓為8V DC。

2、使用ADC0808的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路在數(shù)字系統(tǒng)中非常有用，其中原始模擬信號(hào)到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)位的轉(zhuǎn)換具有顯著的意義。 ADC 在一些微控制器中也很常見(jiàn)，但在微控制器中使用 ADC 需要編程技能，而且并不是每個(gè)人都喜歡編程。上面顯示的電路將為那些沒(méi)有任何編程技能的人提供解決方案。

該 IC 是一個(gè)簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可為輸入模擬信號(hào)提供最終的 8 位數(shù)據(jù)。引腳 OUT1 至 OUT8 以二進(jìn)制形式提供輸出數(shù)據(jù)位，而 IN0 至 IN7 允許用戶(hù)饋送模擬信號(hào)。用戶(hù)一次只能使用一個(gè)輸入通道，通道選擇是通過(guò)引腳 ADDA 至 ADDC 完成的。這三個(gè)引腳的各種邏輯狀態(tài)將使我們能夠從 8 個(gè)不同通道中選擇一個(gè)。

ALE（地址鎖存使能）引腳應(yīng)設(shè)置為高電平以啟用輸入通道的選擇。 EOC（轉(zhuǎn)換結(jié)束）和開(kāi)始引腳用于控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 EOC 引腳在轉(zhuǎn)換后給出高電平狀態(tài)，并且可以通過(guò)將低脈沖饋送到 IC 的低電平有效啟動(dòng)引腳來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 OE（輸出使能引腳）用于啟用數(shù)字化輸出，時(shí)鐘引腳用于為芯片操作提供時(shí)鐘脈沖。

電路的工作首先將 ALE 和 OE 引腳設(shè)置為高電平，這意味著選擇通道并啟用輸出。 5 V 是默認(rèn)參考電壓，可以通過(guò)將我們想要的電壓饋送到引腳 Vref+ 和 Vref- 來(lái)更改。通道選擇應(yīng)通過(guò)使用引腳 ADDA 至 ADDC 引腳來(lái)完成，在此電路圖中選擇了輸入通道 1。下表給出了所有引腳的邏輯狀態(tài)及其各自的通道選擇。

現(xiàn)在模擬信號(hào)被饋入您選擇的通道，然后引腳 START 的狀態(tài)應(yīng)從高電平變?yōu)榈碗娖揭蚤_(kāi)始激活。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC 引腳變高，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。一旦遇到下一個(gè)脈沖，EOC 引腳就會(huì)保持低電平狀態(tài)。正如您在上面的電路中看到的，EOC 引腳連接到啟動(dòng)引腳，這會(huì)觸發(fā)連鎖反應(yīng)，從而導(dǎo)致連續(xù)轉(zhuǎn)換發(fā)生。

最后我們將從引腳 OUT1 至 OUT8 獲取 8 位數(shù)據(jù)，可用于進(jìn)一步處理和顯示。您甚至可以將 LED 連接到這些引腳并直觀(guān)地查看輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，Led 亮起表示二進(jìn)制 1，熄滅表示二進(jìn)制 0 數(shù)據(jù)。

3、Teledyne 8703 8位單片CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路圖

基本模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換器電路已經(jīng)在之前的帖子中解釋過(guò)。除此之外，還有多種類(lèi)型的單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器，例如集成A/D、具有三級(jí)輸出的集成A/D以及具有鎖存輸出的跟蹤A/D。除此之外，A/D 的輸出還采用直接二進(jìn)制、二進(jìn)制編碼十進(jìn)制 (BCD)、補(bǔ)碼二進(jìn)制（1 或 2）、符號(hào)-數(shù)值二進(jìn)制等進(jìn)行編碼。下圖展示了具有三態(tài)輸出的 8 位單片 CMOS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器與微處理器兼容，并且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出高穩(wěn)定性。它具有所有需要的有源元件，并具有帶選通或自由運(yùn)行轉(zhuǎn)換的鎖存并行二進(jìn)制輸出。它具有無(wú)限的輸入范圍，因?yàn)槿魏握妷憾伎梢酝ㄟ^(guò)縮放寄存器 R 施加 。

與單片A/D轉(zhuǎn)換器一樣，有許多混合A/D轉(zhuǎn)換器，例如帶輸入緩沖放大器的逐次逼近A/D、低功耗CMOS A/D、帶采樣保持的快速A/D ，以及帶輸入緩沖放大器的超快 A/D。 Datel Intersil 的混合 ADC-815MC 是一款超高速 8 位逐次逼近 A/D 轉(zhuǎn)換器。它只需 600 納秒就能達(dá)到 8 位分辨率。它具有六個(gè)模擬輸入電壓范圍，具有并行或串行輸出，無(wú)需校準(zhǔn)。 Datel 的 ADC-MC8B 是一款 8 位單片多功能 A/DD/A 轉(zhuǎn)換器，采用單 +5V 電源供電。它是一個(gè)完整的 D/A 轉(zhuǎn)換器，可以通過(guò)使用外部比較器和四路兩輸入施密特觸發(fā)器與非門(mén)將其配置為 A/D 轉(zhuǎn)換器。

與數(shù)模轉(zhuǎn)換器類(lèi)似，A/D 轉(zhuǎn)換器也使用分辨率或非線(xiàn)性等規(guī)格。 A/D 的另一個(gè)重要參數(shù)是轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是將模擬輸入轉(zhuǎn)換為有效數(shù)字輸出所需的時(shí)間。 A/D 轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用包括微處理器接口、數(shù)據(jù)打印和記錄、數(shù)字電壓表以及 LED 或 LCD 顯示器的控制。

4、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖

此類(lèi)轉(zhuǎn)換器用于將模擬電壓轉(zhuǎn)換為其相應(yīng)的數(shù)字輸出。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能完全相反。與 D/A 轉(zhuǎn)換器一樣，A/D 轉(zhuǎn)換器也指定為 8 位、10 位、12 位或 16 位。盡管 A/D 轉(zhuǎn)換器有多種類(lèi)型，但我們僅討論逐次逼近型。

逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器由比較器、逐次逼近寄存器(SAR)、輸出鎖存器和D/A轉(zhuǎn)換器組成。

該電路的主要部分是8位SAR，其輸出提供給8位D/A轉(zhuǎn)換器。然后，D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出Va通過(guò)比較器與模擬信號(hào)Vin進(jìn)行比較。比較器的輸出是 SAR 的串行數(shù)據(jù)輸入。直到 SAR 的數(shù)字輸出（8 位）等于模擬輸入Vin 為止， SAR 會(huì)自行調(diào)整。對(duì)話(huà)結(jié)束時(shí)的 8 位鎖存器保存最終的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出。

在轉(zhuǎn)換周期開(kāi)始時(shí)，通過(guò)將啟動(dòng)信號(hào) (S) 設(shè)置為高電平來(lái)重置 SAR。一旦引入第一次從低電平到高電平的轉(zhuǎn)換，就設(shè)置 SAR (Q7) 的 MSB。輸出被提供給 D/A 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 MSB 的模擬等效值，并與模擬輸入 Vin 進(jìn)行比較。

如果比較器輸出為低電平，D/A 輸出將大于Vin ，并且 MSB 將被 SAR 清零。

如果比較器輸出為高電平，D/A 輸出將小于 Vin ，并且 MSB 將被 SAR 設(shè)置到下一個(gè)位置（Q7 至 Q6）。

根據(jù)比較器的輸出，SAR 將保留或重置 Q6 位。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到所有位都被嘗試為止。嘗試 Q0 后，SAR 使轉(zhuǎn)換完成 (CC) 信號(hào)為高電平，以表明并行輸出線(xiàn)包含有效數(shù)據(jù)。 CC 信號(hào)依次啟用鎖存器，并且數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)在鎖存器的輸出處。由于 SAR 決定了每一位，因此數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)也可以串行獲得。如上圖所示，CC信號(hào)連接到啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入，以便連續(xù)轉(zhuǎn)換周期。

這種電路的最大優(yōu)點(diǎn)是速度高。它可能比 A/D 轉(zhuǎn)換器更復(fù)雜，但它提供更好的分辨率。