EduCake的AnalogIO脚位介绍与功能应用-86Duino.PDFVIP

86Duino EduCake 的 Analog I/O 腳位介紹與功能應用 一 、 Analog I/O 介紹  類比 vs 數位 ： 前篇已經介紹過 86Duino EduCake 的基本規格、IDE 程式撰寫介面使 用方式，與 Digital 腳位的基本使用方式，本篇就來介紹類比(analog)輸入/ 輸出腳位的功能以及應用方式。 介紹「類比」信號前，須先與所謂「數位」信號做個比較，前篇所提到 的「數位」信號，一般而言是具有兩種狀態的電壓訊號，高於某個程度的電 壓為 HIGH(一般以 1 表示) ，低於某程度的電壓則為LOW(一般以 0 表示) ， 因此以 86Duino 為例，digitalWrite( )可以使某個腳位輸出 HIGH 或 LOW 的電壓，而 digitalRead( )則可以讀取某個腳位電壓 HIGH 或 LOW 的狀態， 對於開關、按鈕這類僅有兩種狀態表示方式的信號而言已足夠使用。 而本篇文章所提的類比信號，指的是具有連續狀態的數值，例如：亮度、 溫度、濕度、響度、長度、角度、重量……等自然界常見的物理量 ，各類型 的感測器則會負責將物理量轉變為電壓或電流 ；但程式執行時所需的數值是 0 與 1 組成的數位信號，因此當某個應用須取得上述「連續狀態」物理量給 程式使用時，便需要稱為「類比數位轉換器 」(Analog to Digital Converter ， 簡稱 ADC) 的電路來做轉換，下面以一 ADC 電路作為範例解釋轉換原理： -1- 86Duino 圖 1 圖 1 電路稱為「Flash ADC 」，是概念較易理解的一種。這裡舉擁有四 個比較器的當作範例，輸入處為類比電壓訊號與參考電壓訊號 Vref ；每個 比較器「- 」端接到v0~v3 ，分別為Vref 、Vref(3/4) 、Vref(1/2) 、Vref(1/4) ， 當「+ 」端的電壓訊號比「- 」端高，則比較器輸出為 1 ，反之為0 。FLASH 編碼器則負責把 c0~c3 的輸出轉變成對應的二進位編碼，此範例由於比較 器只有 4 階，因此實際二進位編碼只有 2 位元。若須 4 位元輸出，則須 16 個比較器，讀者可依此類推 。 以 Vref 等於 5V 為例，v0~v3 分別為 5V 、3.75V 、2.5V 、1.25V ；當 類比信號為 1.5V ，則比較器c0~c3 輸出 0/0/0/1 ，二進位值為01(十進位 值為 1) ；當類比信號為3.9V ，則比較器c0~c3 輸出 0/1/1/1 ，二進位值為 11(十進位值為 3) ，更多比較器的狀況依此類推。所以此例的ADC 輸入範 圍為 0~5V ，轉換位元數2 ，僅有4 階的解析度，每階電壓為 5/4 = 1.25V 。 -2- 86Duino ADC 的轉換電路與設計原理多樣化，也是一門學問，本文僅簡介其原理與 應用，讀者若有興趣鑽研可搜尋相關資料閱讀 。  ADC 規格與基本換算方式 ： 提到 ADC 規格時，一般會描述 ADC 能接受的輸入範圍、轉換位元數 等；由前段的 ADC 原理解釋便能了解，任何低於或超出 ADC 輸入範圍的 數值只能用數位最大或最小值表示，而轉換位元數則影響取樣的解析度，位 元數越高，越能細緻地表示取樣的信號。 舉例 1 ：某腳位的 ADC 輸入範圍為電壓 0~5V ，而轉換位元數為10bits ， 則 0V 時取樣的數位值為 0(二進位值為 0000000000) ，而5V 時取