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一、工作原理-微控网
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模拟数字数据转换器ADC(Analog to Digital Converter)简介
一、工作原理
由于微电脑系统具备了快速运算、储存数据的能力,在现今的机电系统中,
电脑所制作而成的控制器(controller)早已取代旧时纯机械式或是电机机械式的控制
机构。微电脑内部之讯号模式,皆为数字式讯号,即通常所谓的逻辑「0 」或「1」,
逻辑0 代表低电位,通常在微电脑系统中为0 伏特,逻辑1 代表高电位,通常在
电脑系统中为5 伏特。
然而在自然界中的 理现象,当予以数量化之后往往是呈现连续的模拟讯号,
因此若欲将外界 理量的变化量传入微电脑中进行运算,或是要由微电脑输出命令
驱动装置时,就需要将讯号进行转换的处理,图1 即为一利用微电脑控制系统的机
电装置的数据讯息处理流程。
图1 数据讯息处理流程
ADC 模拟∕数字转换过程可以用图2 表示,过程主要有两项,首先要对欲转换
的数据进行取样与保存(Sampling and Holding) ,然后再将撷取到的数据加以量化
(Quantization),如此就完成了数据的转换。其中取样的目的在于将原始模拟数据一
一撷取,因此取样率(Sampling rate)越高则讯号越不易失真,亦即分辨率越高;量化
的目的则是在于将藉由取样所获得的数据以0 与1 的组合予以编码,同样的量化的
位数越高则分辨率越高。
图2 模拟/数字数据转换
基于模拟前端信号处理与控制技术的专业论坛、网站.
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图3 则为ADC 内部电路概念图,在图中开关S 往复切换将输入Vi 讯号取样,
并且利用电容器C 将取样后的讯号加以保存,然而在下一次取样后电容器中的数据
将会被更新,因此需要在下一次取样前将数据完成量化储存至微电脑的记忆单元中。
图3 ADC 取样与保存电路概念图
另一方面,为了要提高取样率以及转换的效率,在真实的电路设计上,往往利
用多组的取样—保存回路,或是加上不同的比较电路至设计中,目前 ADC 大致有
四类的设计,分别是:回馈型(feedback-type converter) 、双斜率型(dual-slope
converter)、并联型(parallel or flash converter)、以及电容充电型(charge-redistribution
converter),各类型 ADC 在转换效能与单位成本方面均各有优缺点,例如就转换速
度而言以并联型ADC 速度最快,而以分辨率而言则以双斜率型ADC 较高。
图4 为回馈型ADC 的电路图,图中先将取样后的讯号Vc 以差动比较器产生正
负变化的讯号,然后再以计数器将此正负变化的讯号记录并输出,而输出的数字讯
号再利用 DAC 转换成模拟讯号,与下一笔模拟讯号作比较,如此就能将模拟讯号
一一的转换成数字讯号,也正因为每一个转换后的讯号会回馈至差动比较器与下一
笔数据比较,因此称为回馈型ADC 。
图4 回馈型模拟数字转换器
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二、硬件配置
目前市面上不论是ADC 或是DAC 均有商品化的组件,一般称为AD 卡或DA
卡(其实一般以两者混合之复合产品居多),在实务的应用上只需将 AD/DA 转换
卡插在PC 的扩充槽,并将传感器讯号输出端与AD/DA 转换卡输入端连接,即完成
硬件的安装,接下来的工作只需利用程序驱动转换卡读取数据,便可以利用 PC 储
存数据,或是经由运算将数据列出图表,当然也可以控制整个系统的运作。使用、
选择AD/DA 转换卡时,须注意以下几项特性:
讯号输入极性
AD/DA 转换卡的输入讯号极性代表着其所能接受的讯号位准区 ,不同的传感
器输出讯号有着不同的电压位准,因此在系统选配上需注意尽量让传感器的输出讯
号位准相近。
讯号极性可以分成单极性(unipolar)与
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