浅析AD模数转换器

现代社会离不开数字化，但我们所生活的真实世界并不是数字化的，数字世界的0和1无法表示所有的现象。例如温度，只能在一个范围内连续变化，不能发生像从0到1这样的瞬时跳变，类似温度这样的物理量被人们称为模拟量。处理器无法理解这些模拟量，必须将它们经过模数转换变成数字量才能被处理器进一步处理。

像温度这样的数据必须先被转换成微处理器能够处理的形式，这一任务通常由各类传感器来完成。例如，电路中的温度传感器能够将温度值转换成某个电压值，比如0.3V、3.27V、5.01V等。由于传感器表达的是模拟信号，它不会像数字信号那样只有简单的高电平和低电平，有可能是在这两者之间的任何一个数值，至于到底有多少可能的值则取决于模数转换的精度，精度越高能够得到的值就会越多。

用来获得自然界信息的传感器目前已经深入到我们的生活和工作中，那么，获得的信息是什么样的，如何将这些信息提取到处理器并进行相关运算呢？这就涉及到现代科技的一项重要且基本的技术——模数转换，下面就来为大家介绍模数转换器。

一 、 模拟数字转换器

模拟数字转换器即A/D转换器，简称ADC（Analog to Digital Converter），通常是指将模拟信号转变为数字信号的电子元件，最常用的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小，故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小，因此输出的数字量表示为输入信号相对于参考信号的大小。

二、模数信号

在详细介绍模数转换过程之前，先了解一些相关的名词和概念。

1.信号采样

模拟信号在时域上是连续的，因此可以将它转换为时间上连续的一系列数字信号。这样就要求定义一个参数来表示新的数字信号采样自模拟信号的速率，这个速率称为转换器的采样率或采样频率。

2.采集误差

采集连续变化、带宽受限的信号（即每隔一段时间测量并存储一个信号值），然后通过插值将转换后的离散信号还原为原始信号，这一过程的精确度受量化误差的限制，只有当采样率高于信号频率的两倍时才可能达到对原始信号的忠实还原。

3.采样—保持

由于实际使用的模拟数字转换器不能进行完全实时的转换，所以对输入信号进行一次转换的过程中必须通过一些外加方法使之保持恒定，常用的有采样-保持电路。在大多数情况下，通过使用一个电容器存储输入的模拟电压，并通过开关或门电路来闭合、断开这个电容和输入信号的连接，许多模拟数字转换集成电路在内部就已经包含了这样的采样-保持子系统。

以上是模数转换过程中涉及到的一些概念和名词，下面将通过实际运用更直观地展示模数转换过程。

三.模数转换实例

1.硬件选择

（1）光源

本次实验采用的是锐光凯奇自己设计的一种可外触发光源。

（2）光电探测器

本次使用的是日本滨松（Hamamatsu ）公司的S2281-01光电传感器。该光电传感器本质是光电二极管，它会将照射在探测器表面的光照强度通过电压进行输出，光强越强，输出的电压越大，并且变化是线性的。

（3）NI采集卡

本次使用的数据采集卡是NI公司生产的USB-6008，该数据采集卡具有数字输入输出和模拟输入输出的功能，USB-6008有8个模数转换器，每一个模数转换器的精度都是12bit，能够读取4096（2^12^= 4096）个状态。在采集卡的每一个模拟输入管脚上，电压的变化范畴是从-10V到10V，因此USB-6008能够感知到的最小电压变化是4.8毫伏（20/4096 ≈ 4.8mV）。本次实验用其进行信号采集。

2.硬件连接图

图4 硬件连接图

为了尽可能去除环境光的影响，在光源和光电传感器的中间放置一根套管。

3.实验步骤

通过光电传感器接收光源发出的不断变化的光强，将光电传感器的输出接到数据采集卡上，通过分析实验结果来阐述NI采集卡的优势与特点。图5是本次实验的原理图。

图5 实验原理图

四.实验结果分析

将硬件线路连接好之后，增大光源的功率（光强），使照射在光电传感器表面的光强增大，从而使光电传感器输出的电压增大，通过数据采集卡将采集到的数据传输给计算机进行显示。采集到的结果如图6。由于光源发出光的光强会有小幅度的跳动，在恒定光强下采集到的数值会有抖动，如图7。

图6 增大光强数据图

图7 光强跳变图

通过对NI采集卡的采集结果分析，可以发现，传感器输出的模拟量经过AD转换后，像是分段了一样，这是因为数据采集卡会根据采集到的信号大小进行范围的划分，并归属到一个数字的信号中去（假设该AD转换器会将4个mV进行一个数字量的划分，传感器输出的值为0.571，又或者是0.572，经过AD转换后，会变成0.570），这与数学中的分段函数很相似。

通过图7分析可知，数值的跳变范围大概在4个mV左右，这是由上文中提到的分辨率决定的。AD转换器的分辨率越高，对模拟信号的“还原”程度也就越高，但在实际应用中，并不是分辨率越高越好，要结合实际需求，根据测量信号的变化范围和处理数据的需要来选择合适的AD转换器。

接下来介绍另外一个实例，通过对激光器信号斩波得到一个方波信号。此实例的硬件部分是将上述实验的光源替换成激光器，并且在激光器和探测器中间加上一个风扇，但实验原理不变。激光器、风扇及硬件连接如图8所示：

图8 实际系统图片

图9为获得的斩波信号：

图9 经过AD转换后的信号

当激光通过风扇扇叶之间的空隙打在探测器上时，探测器输出高电平，而当激光被扇叶挡住打在扇叶上时，探测器输出低电平，由于间隙相较于一片扇叶所占的体积更小，所以高电平的持续时间短（可以看见斩波信号图中高电平持续时间短）。在理想情况下该图表应该是理想的方波信号，但是图中信号的上升沿和下降沿有持续时间而非跳变，这是由于激光器发出的激光柱被风扇切光的过程需要时间，在这段时间内，探测器接收的激光信号是由强到弱的（探测器上的激光光柱由大至小），同理，下降沿对应激光光柱由小变大。