作者：陸聰 公司：駿龍科技

我們所接觸到自然界的各種信號，無論是電壓、電流、溫度、壓力等都屬于模擬信號的范疇。但因為單片機(jī)只能處理數(shù)字信號，所以需要?個能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的介質(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Σ-Δ調(diào)制器和數(shù)字濾波器，可實現(xiàn)AC和DC信號的精確轉(zhuǎn)換。下圖（圖1）所示為AD7768-1的核心信號鏈：

圖1 AD7768-1的核心信號鏈

Σ-Δ調(diào)制器對模擬輸入進(jìn)行過采樣，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?。ǔ槿÷嗜Q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，AIN+或AIN-可以連接到一個常數(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)表示方法沒有任何區(qū)別，但是負(fù)數(shù)的表示方法是通過將它的絕對值的二進(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應(yīng)關(guān)系；其中-FS是可以輸入的最低電壓，因為是一個負(fù)值，MSB位取1，所以得到800000，正常來講的話這個值應(yīng)該是最小的，F(xiàn)S是可以輸入的最高電壓，應(yīng)該對應(yīng)0XFFFFFF。Midscale對于24分辨率ADC來說的話，應(yīng)該取2的23次方，也就是8388608（0X800000）這個值。

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）為求輸入電壓的計算公式，需要注意的是，部分工程師通過ADC讀出來的CODE是直接二進(jìn)制碼值，那么此時Midscale Code需要對應(yīng)轉(zhuǎn)換為直接二進(jìn)制的碼值0X800000（對應(yīng)十進(jìn)制的 8388608），否則就會發(fā)現(xiàn)只有前端輸入正電壓是正確的，負(fù)電壓就會報錯了。

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)行編碼過程，以及根據(jù)輸出碼值反推出實際 ADC輸入的電壓。但需要注意，目前絕大多數(shù)ADC都是按照二級制補(bǔ)碼方式輸出編碼值，這是為了方便計算機(jī)對符號和數(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。欲了解關(guān)于更多ADI產(chǎn)品和方案信息，請與駿龍科技當(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。

參考資料：

AD7768-1 數(shù)據(jù)手冊和產(chǎn)品信息 | 亞德諾（ADI）半導(dǎo)體 (analog.com)