01 物聯網系統中為什么要使用AD轉換器

物聯網系統中使用AD轉換器的原因主要有以下幾點：

實現模擬信號到數字信號的轉換

基礎功能：AD轉換器（模數轉換器，Analog-to-Digital Converter）的基本功能是將連續變化的模擬信號轉換為離散的數字信號。在物聯網系統中，傳感器等設備采集到的大多為模擬信號（如溫度、濕度、壓力等），而物聯網的通信、處理、存儲和傳輸等后續操作通常需要以數字信號的形式進行。

兼容性：數字信號具有抗干擾能力強、易于傳輸和處理等優點，更適合在物聯網系統中使用。因此，AD轉換器在物聯網系統中起到了將模擬信號轉換為數字信號的關鍵作用，使得物聯網系統能夠更高效地處理和分析各種傳感器數據。

提升系統性能和精度

高分辨率：現代AD轉換器通常具有較高的分辨率，能夠更精確地表示模擬信號的細微變化。這對于需要高精度數據采集的物聯網系統來說至關重要，如醫療監測、工業自動化等領域。

高轉換速率：高轉換速率的AD轉換器能夠實時或近乎實時地將模擬信號轉換為數字信號，滿足物聯網系統對實時性要求較高的應用場景，如自動駕駛、實時監控等。

適應多樣化的應用場景

廣泛適用性：物聯網系統涉及眾多領域和場景，如智能家居、智慧城市、工業控制等。這些場景中的傳感器種類繁多，采集到的模擬信號也各不相同。AD轉換器能夠適應不同種類的模擬信號，實現統一的數字信號處理和分析。

集成化和小型化：隨著集成電路技術的發展，AD轉換器逐漸實現了高度集成化和小型化。這使得AD轉換器更容易與其他物聯網設備集成在一起，降低系統成本，提高系統整體性能。

推動物聯網技術創新和發展

技術基礎：AD轉換器作為物聯網系統中的關鍵組件之一，其技術進步和創新為物聯網系統的整體發展提供了有力支撐。例如，高精度、高速度、低功耗的AD轉換器不斷涌現，為物聯網系統的數據采集、處理和傳輸等提供了更多可能性。

應用拓展：隨著物聯網技術的不斷發展和普及，AD轉換器的應用范圍也在不斷拓展。未來，AD轉換器將在更多領域和場景中發揮重要作用，推動物聯網技術的進一步創新和發展。

綜上所述，物聯網系統中使用AD轉換器是為了實現模擬信號到數字信號的轉換、提升系統性能和精度、適應多樣化的應用場景以及推動物聯網技術創新和發展。

本文會再為大家詳解轉換器家族中的一員——AD轉換器。

02 AD轉換器的定義

AD轉換器（Analog-to-Digital Converter，簡稱ADC）是一種電子設備，用于將模擬信號（如電壓、電流等連續變化的物理量）轉換為數字信號（以二進制代碼形式表示）。這種轉換在數字系統中至關重要，因為數字系統只能處理數字信號。

03 AD轉換器的原理

自然界有很多天然的模擬信號，例如人的聲音大小、速度。而嵌入式處理器或者單片機系統只能處理數字，要想研究人的聲音大小、速度，就需要講這些模擬量轉換成數字量。于是，就需要模數轉換器、數模轉換器。模數轉換器、數模轉換器充當中間的橋梁，它的質量很重要。

AD轉換器的工作原理主要包括采樣、量化、編碼三個基本步驟，有時還包括保持步驟：

采樣：以一定的頻率對輸入的模擬信號進行取樣，得到離散時間點上的一系列采樣值。

保持（在某些設計中）：在采樣之后，保持電路會保持采樣值不變，以便進行后續的量化處理。

量化：將每個采樣值映射為一個最接近的數字值，并保持該數字值不變。量化過程中會引入量化誤差，這是由AD轉換器的有限分辨率引起的。

編碼：將這些數字量通過編碼器轉換為二進制形式，得到相應的數字輸出。

04 AD轉換器的分類

AD轉換器可以根據其工作原理、精度、速度等特性進行分類，常見的類型包括：

逐次逼近型AD轉換器：使用逼近法逐漸逼近輸入模擬信號，并將其轉換為數字信號。具有較高的轉換速度和適中的精度，廣泛應用于工業控制、醫療設備等領域。

積分型AD轉換器：通過對輸入信號進行積分并測量積分結果的時間來完成轉換。適用于對低頻信號進行高精度測量。

閃存型AD轉換器：使用大量的比較器和編碼器同時對輸入信號進行采樣和測量，具有極高的轉換速度和較高的精度，但功耗和硬件資源需求較大。

管道型AD轉換器：采用多級轉換結構，每級完成部分轉換，最后合并結果得到最終數字輸出。具有較高的轉換速度和精度。

轉換器芯片包括A/D轉換器芯片和D/A轉換器芯片。模數轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，A代表模擬量 D代表數字量，通常是指一個將模擬信號轉變為數字信號的電子元件。 數模轉換器，又稱D/A轉換器，簡稱DAC，它是把數字量轉變成模擬的器件。

05 AD轉換器的選型參數

選型時，需要考慮以下關鍵參數：

分辨率：表示數字量與模擬量之間可區分的最小差別，通常以數字信號的位數來表示。分辨率越高，精度越高。

轉換速率：指完成一次從模擬到數字的轉換所需時間的倒數，決定了AD轉換器的處理速度。

量化誤差：由于AD轉換器的有限分辨率引起的誤差，是選擇高精度AD轉換器時需要考慮的重要因素。

輸入阻抗、頻率、輸入最大電流等：這些參數會影響AD轉換器的性能和穩定性，選型時需根據實際需求進行選擇。

接口和封裝：AD轉換器的接口種類和封裝形式會影響其在系統中的應用和布局。

這個理解起來應該比較容易，采樣率一般是指芯片每秒采集信號的個數。比如1KHz/s，表示1s內，這個ADC可以采集1K個點。采樣率越高，采集的點數越多，那么對信號的還原度就越高。比如A跟B，A采集3個點，最終還原出來的波形跟原始波形相差較大，B采集了6個點，那么在還原是就越接近原始信號。所以在這里我們要引出奈奎斯特定理。也就是如果對原始信號進行采集。采樣率必須大于其2倍。這樣才能正常的還原出原始信號，否則會發生混疊現象。如圖C所示，原始波形完全無法恢復。

計算應用

關鍵的計算是10010001B=91H=145,145就是我們要分成的份數。這里面的10010001B有量化的誤差，而后面的0.0195*145=2.83V中的0.0195不同的AD 也有不同的數值。但是只要這兩個誤差在項目允許的范圍內就沒有大問題。

06 AD轉換器的使用注意事項

在使用AD轉換器時，需要注意以下幾點：

確保輸入信號在AD轉換器的量程范圍內，避免超出量程導致損壞或錯誤輸出。

注意AD轉換器的輸入阻抗和輸出阻抗，防止對信號源或后續電路造成不利影響。

在需要放大的信號路徑中，最好使用電壓跟隨器來穩定電壓，減少干擾。

在PCB布局時，應盡量將電源和芯片集中放置，減少干擾和噪聲。

根據應用需求選擇合適的AD轉換器類型和型號，以達到最佳的性能和成本效益。

07 AD轉換器的應用場景

AD轉換器在物聯網系統中的應用非常廣泛，包括但不限于以下領域：

通信系統：用于將模擬信號轉換為數字信號進行數字通信和數據傳輸。

儀器測量：用于測量和采集各種傳感器信號如溫度、壓力、濕度等。

自動化控制：用于實時監測和控制系統中的模擬信號。

醫療設備：將生理信號轉換為數字形式進行診斷、監測和治療。

音頻和視頻處理：用于音頻接口和視頻采集卡等設備的信號處理。

電力系統：用于電力系統監測和保護，采集電力信號進行分析和控制。

汽車電子：用于汽車系統中的數據采集、控制和娛樂應用。

08 廠商

由于AD轉換器市場競爭激烈，存在眾多廠商提供不同規格和性能的AD轉換器產品。一些知名的廠商包括德州儀器（TI）、亞德諾半導體（ADI）、美信（Maxim Integrated）、恩智浦（NXP）等。這些廠商在AD轉換器領域擁有豐富的產品線和技術實力，能夠為用戶提供多樣化的選擇和解決方案。在選擇廠商時，可以根據應用需求、性能指標、成本預算以及技術支持等方面進行綜合考慮。

供應商A：TM(天微)

1、產品能力

（1）選型手冊

（2）主推型號1：TM7711

對應的產品詳情介紹

TM(天微)TM7711是一款高性能的模數轉換器（ADC）芯片，以下是關于該芯片的詳細解析：

產品概述

TM7711是天微（TM）品牌下的一款24位AD模數轉換芯片，廣泛應用于電子秤低頻測量、壓力溫度傳感等領域。該芯片以其高精度、低功耗和快速響應的特點，成為智能系統、微控制器系統和基于DSP系統的理想選擇。

功能特點

高精度：采用Σ-Δ轉換技術，實現24位無丟失代碼性能，確保測量結果的準確性。

低噪聲：內置低噪聲放大器，增益可達128，有效抑制噪聲干擾，提高信號質量。

可編程性：通過通信口可調節片內數字濾波器的截止點和輸出更新速率，滿足不同應用需求。

寬電壓范圍：工作電壓范圍為2.6V至5.5V，適應多種供電環境。

抗干擾能力強：同步抑制50Hz和60Hz的電源干擾，確保測量結果的穩定性。

內置時鐘振蕩器：無需外接器件，簡化電路設計，降低成本。

通信簡便：提供簡單的二線串行通信口，便于與微控制器等設備進行數據交換。

封裝與引腳

TM7711芯片通常采用SOP8封裝形式，引腳布局緊湊，便于在PCB上進行布局和焊接。

應用場景

電子秤：作為電子秤的低頻測量模擬前端，接受來自傳感器的低電平輸入信號，并轉換為高精度的數字輸出。

壓力溫度傳感：在需要高精度壓力和溫度測量的場合，如工業自動化、醫療設備等領域得到廣泛應用。

智能系統：為基于微控制器或DSP系統的智能設備提供高精度數據采集功能。

注意事項

在使用TM7711芯片時，應確保輸入信號在芯片的量程范圍內，避免超出量程導致損壞或錯誤輸出。

注意芯片的引腳布局和焊接質量，確保電路連接的穩定性和可靠性。

在進行電路設計時，應充分考慮芯片的供電電壓、工作電流等參數，確保電路的正常工作。

在使用過程中，如遇到問題可及時聯系芯片供應商或相關技術支持部門尋求幫助。

硬件參考設計

研發設計注意使用事項

與TM7711連接的單片機需要的外設資源，兩個普通IO口，一個輸入（推薦浮空輸入），一個輸出。 對于TM7711模塊，其中DT(Dout),用于向外傳輸數據，也就是數據線，方向對外；其中SCK（PD_SCK）是輸入外部時鐘的，也就是時鐘線。 所以，對于單片機，需要一個輸入IO口，讀取Dout的數據；需要一個輸出IO口，發送時鐘信號（方波），輸出給TM7711模塊。 2.串口時序 想要正確使用這個串口需要讀時序圖，如圖所示： 對于單片機來說，與Dout連接的輸入IO口，電平從高變成低電平，說明TM7711準備好了，可以發送數據了。 這個時候，與PD_SCK連接的輸出IO口，開始發送方波（時鐘），每個方波讀取一位數據，數據總共24位。 圖上有三個PD_SCK的時序圖，是用于選擇下一次不同的通道和增益用的，所以這個模塊可以同時采集兩路惠斯通電橋的值。按照實際情況，選擇一種或者兩種的組合。所以單片機最少要發25個脈沖，前24個用于讀取這次的AD轉換數據，最后一個用于選擇下一次的通道和增益。 注意：其實關鍵的就是那幾個T1，2，3，4的時間要求，不能低于也不能超時，否則都不能得到正確結果.

(2)讀取采樣值TM7711模塊的串口輸出數據為24位的轉換值數據。count為讀取到的值，通過移位，一位一位讀取；

首先，將單片機輸出口變成低電平，如果高電平達到一定時間會復位TM7711模塊的，所以平時一定將輸出口電平置為低；

然后就是等待單片機輸入口的電平變低，為了防止硬件出錯，在這里設置了超時時間，實際效果大概1s，過了1s直接跳出循環，避免一直等待，同時超時跳出時的AD值非常大，容易排除它；然后就加了一個誤觸發消除，用的延時的方法。然后就進入讀取AD轉換值了，先將單片機輸出口電平變高，延時一定時間，然后變低，然后讀入輸入口的電平狀態，寫入count.

最后，循環24次后，發最后一個脈沖，說明下一次AD轉換為差分輸入10hz，128增益。與0x800000異或是因為為了排除負。到這里，AD轉換后的值就讀取了.

核心料（哪些項目在用）

智能垃圾桶項目稱重方案

2、支撐

（1）技術產品

技術資料

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審核編輯 黃宇