单片机数/模转换器的概念（A/D）

前言

模数转换可以说是单片机最重要的功能了，应用场合也非常多。这篇文章主要是对其基本概念做个解释。

文中涉及的模数电概念我都链接了百科知识，不明白的可以直接跳转观看。

正文

首先这里的模数指的是模拟信号和数字信号，也就是analog和digital，模/数转换就是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。（反之亦然）

这里主要是说下模数转换，因为对于控制算法开发，比如智能车或者无人机，经常需要对外部电压进行测量。但是电压是不断变化的，并不是固定的数值。开发者如果想知道具体的电压大小，就需要通过代码进行运算，而运算的参数都得是数字量。这就涉及到怎么把电压转为数值。

这就用到了模数转换器，而模数转换简单的原理就是对电压高低进行量化，这里有个模拟量和数字量的概念。

原始的模拟量是连续的，每个点都有数据，经过AD转换之后变成了离散的数字量，相对于对原始的模拟信号进行了等间隔的抽样。

但是这个等间隔，因为是单片机运行也是有时钟周期的，所以再快也是有时间的。所以也就没办法做到真正的量化，因此，一般就认为只要采样的密度足够高，能表征原有信号的一些特点就好。

这里就引出了采样密度多大合适的问题？

理论上当然是越快越好，因为越快采样点就越密集，也就越接近原始的模拟信号。但是实际过快的采样频率会消耗处理时间，增加数据处理的工作量。因此，有一个最低采样密度的标准，也就是香农采样定理，也称奈奎斯特采样定理。

香农采样定理提出，为了不失真的恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的两倍，就是最低采样密度标准。比如220V交流电最快频率为50Hz,那么理论上最低采样频率就是100Hz。但是实际使用过程中，采样频率至少应该是最低采样频率的5到10倍才行。

说回ADC模块，目前常见的ADC有以下几种：

具体解释可以参见文章：AD转换器的种类

目前在单片机应用比较多的，例如stm32主要是逐次逼近型ADC。

逐次逼近的过程其实就和天平秤东西的过程很像。先放最重的砝码，如果还轻，则砝码保留，否则移去。在加第二重砝码，以此类推，直到加到最轻的砝码。所有留下的砝码相加就是该物体的重量。

对应ADC的话，就是将输入的模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。