一文帶你了解ADC碼值轉(zhuǎn)換過(guò)程

我們所接觸到自然界的各種信號(hào)，無(wú)論是電壓、電流、溫度、壓力等都屬于模擬信號(hào)的范疇。但因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以需要?個(gè)能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的介質(zhì)——模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量包含以下幾個(gè)步驟：采樣、保持、量化、編碼。本文我們以ADI亞德諾半導(dǎo)體24位Σ-ΔADC為例，為大家講解ADC碼值的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

AD7768-1介紹

AD7768-1是一款低功率、高性能 Σ-Δ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其具有一個(gè)Σ-Δ調(diào)制器和數(shù)字濾波器，可實(shí)現(xiàn)AC和DC信號(hào)的精確轉(zhuǎn)換。下圖(圖1)所示為AD7768-1的核心信號(hào)鏈：

圖1 AD7768-1的核心信號(hào)鏈

Σ-Δ調(diào)制器對(duì)模擬輸入進(jìn)行過(guò)采樣，并將數(shù)字表示傳遞給數(shù)字濾波器塊。數(shù)據(jù)被濾波，增益調(diào)整和抽取(抽取率取決于用戶設(shè)置)后在SPI接口上輸出。其中量化以及編碼除了ADC本身之外，還涉及到基準(zhǔn)源Reference，AD7768-1外部基準(zhǔn)源電壓范圍支持1V至(AVDD1–AVSS)電壓，前端輸入電壓范圍支持到±VREF。

ADC理想傳遞函數(shù)

AD7768-1可以使用高達(dá)5V的參考電壓并轉(zhuǎn)換模擬輸入之間的差分電壓(AIN+和AIN?)到數(shù)字輸出。模擬輸入可以配置為以下任意一種：差分或偽差分輸入。作為偽差分輸入時(shí)，AIN+或AIN-可以連接到一個(gè)常數(shù)輸入電壓(如0V、AVSS或其他參考電壓)，ADC轉(zhuǎn)換模擬量之間的電壓差，使用共模(AVDD1?AVSS)/2可以最大限度地提高ADC輸入范圍。下圖(圖2)顯示了AD7768-1的理想傳遞函數(shù)，值得注意的是目前絕大多數(shù)ADC在輸出碼值的時(shí)候是以二進(jìn)制補(bǔ)碼(twos complement format)的形式輸出的，AD7768-1也是如此。

圖2 ADC理想傳遞函數(shù)

二進(jìn)制補(bǔ)碼

二進(jìn)制補(bǔ)碼(twos complement format)是一種常用的二進(jìn)制數(shù)表示方法，它主要用來(lái)表示負(fù)數(shù)的大小。在二進(jìn)制補(bǔ)碼中，正數(shù)的表示方法和普通的二進(jìn)制數(shù)表示方法沒(méi)有任何區(qū)別，但是負(fù)數(shù)的表示方法是通過(guò)將它的絕對(duì)值的二進(jìn)制數(shù)取反(即將每一位的0變?yōu)?，1變?yōu)?)，再加1得到的。假設(shè)要用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示數(shù)字-5，則首先需要將5的二進(jìn)制數(shù)101取反得到010，再加1得到011，即011就是-5的二進(jìn)制補(bǔ)碼。

基于以上信息，根據(jù)下圖(圖3))我們可以得出ADC輸出的碼值和理想輸入電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系;其中-FS是可以輸入的最低電壓，因?yàn)槭且粋€(gè)負(fù)值，MSB位取1，所以得到800000，正常來(lái)講的話這個(gè)值應(yīng)該是最小的，F(xiàn)S是可以輸入的最高電壓，應(yīng)該對(duì)應(yīng)0XFFFFFF。Midscale對(duì)于24分辨率ADC來(lái)說(shuō)的話，應(yīng)該取2的23次方，也就是8388608(0X800000)這個(gè)值。

圖3 ADC輸出碼值與理想輸入電壓

根據(jù)ADC輸出碼值求輸入電壓

下圖(圖4)為求輸入電壓的計(jì)算公式，需要注意的是，部分工程師通過(guò)ADC讀出來(lái)的CODE是直接二進(jìn)制碼值，那么此時(shí)Midscale Code需要對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換為直接二進(jìn)制的碼值0X800000(對(duì)應(yīng)十進(jìn)制的 8388608)，否則就會(huì)發(fā)現(xiàn)只有前端輸入正電壓是正確的，負(fù)電壓就會(huì)報(bào)錯(cuò)了。

圖4 根據(jù)ADC輸出碼值求輸入電壓

總結(jié)

本文以AD7768-1為例介紹了通用ADC進(jìn)行編碼過(guò)程，以及根據(jù)輸出碼值反推出實(shí)際 ADC輸入的電壓。但需要注意，目前絕大多數(shù)ADC都是按照二級(jí)制補(bǔ)碼方式輸出編碼值，這是為了方便計(jì)算機(jī)對(duì)符號(hào)和數(shù)值的統(tǒng)一運(yùn)算而不需要增加額外的硬件電路，一定要和ADC輸出的原碼區(qū)分開(kāi)。欲了解關(guān)于更多ADI產(chǎn)品和方案信息，請(qǐng)與駿龍科技當(dāng)?shù)氐霓k事處聯(lián)系，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)解答。