原创 物联网系统中模拟量的检测方案_AD转换器

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物联网系统中为什么要使用AD转换器

物联网系统中使用AD转换器的原因主要有以下几点：

实现模拟信号到数字信号的转换

• 基础功能：AD转换器（模数转换器，Analog-to-Digital Converter）的基本功能是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。在物联网系统中，传感器等设备采集到的大多为模拟信号（如温度、湿度、压力等），而物联网的通信、处理、存储和传输等后续操作通常需要以数字信号的形式进行。
• 兼容性：数字信号具有抗干扰能力强、易于传输和处理等优点，更适合在物联网系统中使用。因此，AD转换器在物联网系统中起到了将模拟信号转换为数字信号的关键作用，使得物联网系统能够更高效地处理和分析各种传感器数据。

提升系统性能和精度

• 高分辨率：现代AD转换器通常具有较高的分辨率，能够更精确地表示模拟信号的细微变化。这对于需要高精度数据采集的物联网系统来说至关重要，如医疗监测、工业自动化等领域。
• 高转换速率：高转换速率的AD转换器能够实时或近乎实时地将模拟信号转换为数字信号，满足物联网系统对实时性要求较高的应用场景，如自动驾驶、实时监控等。

适应多样化的应用场景

• 广泛适用性：物联网系统涉及众多领域和场景，如智能家居、智慧城市、工业控制等。这些场景中的传感器种类繁多，采集到的模拟信号也各不相同。AD转换器能够适应不同种类的模拟信号，实现统一的数字信号处理和分析。
• 集成化和小型化：随着集成电路技术的发展，AD转换器逐渐实现了高度集成化和小型化。这使得AD转换器更容易与其他物联网设备集成在一起，降低系统成本，提高系统整体性能。

推动物联网技术创新和发展

• 技术基础：AD转换器作为物联网系统中的关键组件之一，其技术进步和创新为物联网系统的整体发展提供了有力支撑。例如，高精度、高速度、低功耗的AD转换器不断涌现，为物联网系统的数据采集、处理和传输等提供了更多可能性。
• 应用拓展：随着物联网技术的不断发展和普及，AD转换器的应用范围也在不断拓展。未来，AD转换器将在更多领域和场景中发挥重要作用，推动物联网技术的进一步创新和发展。

综上所述，物联网系统中使用AD转换器是为了实现模拟信号到数字信号的转换、提升系统性能和精度、适应多样化的应用场景以及推动物联网技术创新和发展。

本文会再为大家详解转换器家族中的一员——AD转换器。

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AD转换器的定义

AD转换器（Analog-to-Digital Converter，简称ADC）是一种电子设备，用于将模拟信号（如电压、电流等连续变化的物理量）转换为数字信号（以二进制代码形式表示）。这种转换在数字系统中至关重要，因为数字系统只能处理数字信号。

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AD转换器的原理

自然界有很多天然的模拟信号，例如人的声音大小、速度。而嵌入式处理器或者单片机系统只能处理数字，要想研究人的声音大小、速度，就需要讲这些模拟量转换成数字量。于是，就需要模数转换器、数模转换器。模数转换器、数模转换器充当中间的桥梁，它的质量很重要。

AD转换器的工作原理主要包括采样、量化、编码三个基本步骤，有时还包括保持步骤：

• 采样：以一定的频率对输入的模拟信号进行取样，得到离散时间点上的一系列采样值。
• 保持（在某些设计中）：在采样之后，保持电路会保持采样值不变，以便进行后续的量化处理。
• 量化：将每个采样值映射为一个最接近的数字值，并保持该数字值不变。量化过程中会引入量化误差，这是由AD转换器的有限分辨率引起的。
• 编码：将这些数字量通过编码器转换为二进制形式，得到相应的数字输出。

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AD转换器的分类

AD转换器可以根据其工作原理、精度、速度等特性进行分类，常见的类型包括：

• 逐次逼近型AD转换器：使用逼近法逐渐逼近输入模拟信号，并将其转换为数字信号。具有较高的转换速度和适中的精度，广泛应用于工业控制、医疗设备等领域。
• 积分型AD转换器：通过对输入信号进行积分并测量积分结果的时间来完成转换。适用于对低频信号进行高精度测量。
• 闪存型AD转换器：使用大量的比较器和编码器同时对输入信号进行采样和测量，具有极高的转换速度和较高的精度，但功耗和硬件资源需求较大。
• 管道型AD转换器：采用多级转换结构，每级完成部分转换，最后合并结果得到最终数字输出。具有较高的转换速度和精度。
• 转换器芯片包括A/D转换器芯片和D/A转换器芯片。模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，A代表模拟量 D代表数字量，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。 数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。

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AD转换器的选型参数

选型时，需要考虑以下关键参数：

• 分辨率：表示数字量与模拟量之间可区分的最小差别，通常以数字信号的位数来表示。分辨率越高，精度越高。
• 转换速率：指完成一次从模拟到数字的转换所需时间的倒数，决定了AD转换器的处理速度。
• 量化误差：由于AD转换器的有限分辨率引起的误差，是选择高精度AD转换器时需要考虑的重要因素。
• 输入阻抗、频率、输入最大电流等：这些参数会影响AD转换器的性能和稳定性，选型时需根据实际需求进行选择。
• 接口和封装：AD转换器的接口种类和封装形式会影响其在系统中的应用和布局。
• 这个理解起来应该比较容易，采样率一般是指芯片每秒采集信号的个数。比如1KHz/s，表示1s内，这个ADC可以采集1K个点。采样率越高，采集的点数越多，那么对信号的还原度就越高。比如A跟B，A采集3个点，最终还原出来的波形跟原始波形相差较大，B采集了6个点，那么在还原是就越接近原始信号。所以在这里我们要引出奈奎斯特定理。也就是如果对原始信号进行采集。采样率必须大于其2倍。这样才能正常的还原出原始信号，否则会发生混叠现象。如图C所示，原始波形完全无法恢复。

计算应用

关键的计算是10010001B=91H=145,145就是我们要分成的份数。这里面的10010001B有量化的误差，而后面的0.0195*145=2.83V中的0.0195不同的AD 也有不同的数值。但是只要这两个误差在项目允许的范围内就没有大问题。

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AD转换器的使用注意事项

在使用AD转换器时，需要注意以下几点：

• 确保输入信号在AD转换器的量程范围内，避免超出量程导致损坏或错误输出。
• 注意AD转换器的输入阻抗和输出阻抗，防止对信号源或后续电路造成不利影响。
• 在需要放大的信号路径中，最好使用电压跟随器来稳定电压，减少干扰。
• 在PCB布局时，应尽量将电源和芯片集中放置，减少干扰和噪声。
• 根据应用需求选择合适的AD转换器类型和型号，以达到最佳的性能和成本效益。

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AD转换器的应用场景

AD转换器在物联网系统中的应用非常广泛，包括但不限于以下领域：

• 通信系统：用于将模拟信号转换为数字信号进行数字通信和数据传输。
• 仪器测量：用于测量和采集各种传感器信号如温度、压力、湿度等。
• 自动化控制：用于实时监测和控制系统中的模拟信号。
• 医疗设备：将生理信号转换为数字形式进行诊断、监测和治疗。
• 音频和视频处理：用于音频接口和视频采集卡等设备的信号处理。
• 电力系统：用于电力系统监测和保护，采集电力信号进行分析和控制。
• 汽车电子：用于汽车系统中的数据采集、控制和娱乐应用。

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厂商

由于AD转换器市场竞争激烈，存在众多厂商提供不同规格和性能的AD转换器产品。一些知名的厂商包括德州仪器（TI）、亚德诺半导体（ADI）、美信（Maxim Integrated）、恩智浦（NXP）等。这些厂商在AD转换器领域拥有丰富的产品线和技术实力，能够为用户提供多样化的选择和解决方案。在选择厂商时，可以根据应用需求、性能指标、成本预算以及技术支持等方面进行综合考虑。

供应商A：TM(天微)

1、产品能力

（1）选型手册

（2）主推型号1：TM7711

对应的产品详情介绍

TM(天微)TM7711是一款高性能的模数转换器（ADC）芯片，以下是关于该芯片的详细解析：

产品概述

TM7711是天微（TM）品牌下的一款24位AD模数转换芯片，广泛应用于电子秤低频测量、压力温度传感等领域。该芯片以其高精度、低功耗和快速响应的特点，成为智能系统、微控制器系统和基于DSP系统的理想选择。

功能特点

• 高精度：采用Σ-Δ转换技术，实现24位无丢失代码性能，确保测量结果的准确性。
• 低噪声：内置低噪声放大器，增益可达128，有效抑制噪声干扰，提高信号质量。
• 可编程性：通过通信口可调节片内数字滤波器的截止点和输出更新速率，满足不同应用需求。
• 宽电压范围：工作电压范围为2.6V至5.5V，适应多种供电环境。
• 抗干扰能力强：同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰，确保测量结果的稳定性。
• 内置时钟振荡器：无需外接器件，简化电路设计，降低成本。
• 通信简便：提供简单的二线串行通信口，便于与微控制器等设备进行数据交换。

封装与引脚

TM7711芯片通常采用SOP8封装形式，引脚布局紧凑，便于在PCB上进行布局和焊接。

应用场景

• 电子秤：作为电子秤的低频测量模拟前端，接受来自传感器的低电平输入信号，并转换为高精度的数字输出。
• 压力温度传感：在需要高精度压力和温度测量的场合，如工业自动化、医疗设备等领域得到广泛应用。
• 智能系统：为基于微控制器或DSP系统的智能设备提供高精度数据采集功能。

注意事项

• 在使用TM7711芯片时，应确保输入信号在芯片的量程范围内，避免超出量程导致损坏或错误输出。
• 注意芯片的引脚布局和焊接质量，确保电路连接的稳定性和可靠性。
• 在进行电路设计时，应充分考虑芯片的供电电压、工作电流等参数，确保电路的正常工作。
• 在使用过程中，如遇到问题可及时联系芯片供应商或相关技术支持部门寻求帮助。
• 硬件参考设计

• 研发设计注意使用事项

与TM7711连接的单片机需要的外设资源，两个普通IO口，一个输入（推荐浮空输入），一个输出。
对于TM7711模块，其中DT(Dout),用于向外传输数据，也就是数据线，方向对外；其中SCK（PD_SCK）是输入外部时钟的，也就是时钟线。
所以，对于单片机，需要一个输入IO口，读取Dout的数据；需要一个输出IO口，发送时钟信号（方波），输出给TM7711模块。

2.串口时序
想要正确使用这个串口需要读时序图，如图所示：
对于单片机来说，与Dout连接的输入IO口，电平从高变成低电平，说明TM7711准备好了，可以发送数据了。
这个时候，与PD_SCK连接的输出IO口，开始发送方波（时钟），每个方波读取一位数据，数据总共24位。
图上有三个PD_SCK的时序图，是用于选择下一次不同的通道和增益用的，所以这个模块可以同时采集两路惠斯通电桥的值。按照实际情况，选择一种或者两种的组合。所以单片机最少要发25个脉冲，前24个用于读取这次的AD转换数据，最后一个用于选择下一次的通道和增益。
注意：其实关键的就是那几个T1，2，3，4的时间要求，不能低于也不能超时，否则都不能得到正确结果.

(2)读取采样值

TM7711模块的串口输出数据为24位的转换值数据。count为读取到的值，通过移位，一位一位读取；

首先，将单片机输出口变成低电平，如果高电平达到一定时间会复位TM7711模块的，所以平时一定将输出口电平置为低；

然后就是等待单片机输入口的电平变低，为了防止硬件出错，在这里设置了超时时间，实际效果大概1s，过了1s直接跳出循环，避免一直等待，同时超时跳出时的AD值非常大，容易排除它；然后就加了一个误触发消除，用的延时的方法。然后就进入读取AD转换值了，先将单片机输出口电平变高，延时一定时间，然后变低，然后读入输入口的电平状态，写入count.

最后，循环24次后，发最后一个脉冲，说明下一次AD转换为差分输入10hz，128增益。与0x800000异或是因为为了排除负。到这里，AD转换后的值就读取了.

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