目錄

背景

AD轉換器

采樣與保持

量化

編碼

AD轉換器轉換原理

DA轉換原理

AD轉換原理

1.逐次逼近型AD轉換器

2.并聯比較型AD轉換器

編碼器

同步D觸發器和邊沿D觸發器

基本RS觸發器

同步RS觸發器

同步D觸發器

邊沿型D觸發器（維持-阻塞D觸發器）

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背景

在數字系統的廣泛應用中，用數字系統處理模擬量的情況十分普遍，因此引入了模擬信號和數字信號的接口問題。為了解決這一問題，首先利用模數轉換電路把模擬信號轉成數字信號。（數字信號經過處理之后，也可以通過數模轉換電路將模擬信號轉換回模擬信號）。單片機開發當中，ADC是經常要到的外設。通過本篇文章對ADC硬件部分進行原理說明。本篇文章需要涉及到基爾霍夫電壓定理、理想運放的虛短虛斷特性、以及采樣量化編碼、觸發器知識，所以需要電路、模擬電路、數字電路的基礎知識。另外，DA轉換方法有多種、AD轉換的方法也有多種。本篇中就以最常用的方法（T型電阻網絡DA轉換器、逐次逼近AD轉換器并聯比較型AD轉換器）來對DA轉換和AD轉換原理進行說明。嵌入式軟件工程師能理解更好，但是不一定要掌握，只要懂得和硬件工程師合作懂得配置相關寄存器或者調用相關固件庫函數即可。不要被嚇倒！

AD轉換器

AD轉換器中一般要經過采樣、保持、量化、編碼這四個步驟來完成從模擬量到數字量的轉換。

采樣與保持

截圖部分就是經典的采樣保持電路。Ui(t)為輸入的模擬信號。其中場效應管做成采樣開關。它通過采樣頻率f(sample)的采樣脈沖來完成控制開關的通斷。電容C為保持功能，當采樣開關導通的時候，電容迅速通電，使得電容的電壓=輸入的模擬電壓！；當采樣開關斷開的時候，由于電容的漏電很小，所以電容電壓基本保持不變！

因此經過采樣保持電路之后，輸入的模擬信號變成了一系列時間間隔內的階梯信號。

量化

將采樣輸出的電壓用某個最小單位的整數倍來表示的過程。這個最小數量單位稱為量化單位（經常用🔺表示）。

編碼

將量化的結果用代碼來表示出來的過程稱為編碼（最小量化單位的整數倍->二進制數）。

AD轉換器轉換原理

本篇文章只是對原理進行一個說明。不同的芯片可以采用不同的技術。不代表stm32就是采用該技術。這篇文章只是個人學習過模電和數電的知識。在ADC原理說明的時候，將這些知識串聯起來，形成一個知識的閉環。

因為AD轉換器轉換原理DA轉換器，因此先對DA轉換的原理先進行說明！

DA轉換原理

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本篇文章以T型電阻網絡型進行說明

當dn-1閉合的時候，也就是說最左邊的電阻接到參考電壓，其他的模擬開關接地。

看截圖中的電路，從左往右看，兩個2R并聯再和R串聯 等價于一個2R電阻。所以最終的等效電路是

理想運放的兩個特性（虛短和虛斷）

虛短：反向輸入端和同向輸入端電位相同

虛斷：運放的反向輸入端和同相輸入端的電流為0.

1）根據虛短特性可以知道，反相輸入端的電壓和同相輸入端的電壓相等，都為0.

2）根據虛斷原理可以知道流過RF的電流（截圖中的紅色箭頭）。

3）根據基爾霍夫電壓定理可以知道Uo的電壓就等于Rf上的電壓大小相等，方向相反!

當d0為1（連接參考電壓時），其他位模擬開關全部接地情況。

該等效電路也很好理解，通過從右往左看，就可以知道，和dn-1接參考電壓的類似。

再根據電路知識中的線性電路的疊加原理可知

顯然看截圖中最后的式子就可以看出數-模的轉換了！

DA轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值稱為分辨率，顯然DA轉換器的位數越多，分辨出的最小電壓能力就越強。

前面的知識講完了，我們現在就可以介紹AD的轉換原理了。

AD轉換原理

1.逐次逼近型AD轉換器

1）轉換開始前，將逐次逼近寄存器清零。

2）開始轉換時將逐次逼近寄存器最高位置為1，其他位全0.此時DA轉換器會輸出電壓和輸入的模擬電壓進行比較

A.DA轉換器的輸出電壓U0 < 輸入的模擬電壓U1.說明DA轉換的電壓太大，要減小，此時Uc=1.

通過控制邏輯將最高位清零，次高位置為1，繼續比較。

B.DA轉換器的輸出電壓U0 >?輸入的模擬電壓U1.說明DA轉換的電壓太小，要增大，此時Uc=0.

通過控制邏輯將最高位保持為1，次高位置為1，繼續比較。

就這樣子逐位進行直到最低位，轉換過程結束。此時寄存器的數值就是轉換的結果。

2.并聯比較型AD轉換器

1）顯然通過并聯比較型工作示意圖，根據電阻的伏安特性可以知道各個電阻的電壓。

2）各個電阻的電壓與模擬輸入電壓在運放電路中進行比較

? ? ? A.當模擬輸入電壓>電阻側電壓，輸出1

? ? ? B.當模擬輸入電壓<電阻側電壓，輸出0

3）和運放的比較結果有7中情況，可以用編碼器將7中狀態信息轉化為計算機系統可以處理的二進制信息

編碼器

因為數字系統只能處理二值運算，因此需要將數字電路的各種信息用二值代碼表示出來。這個過程就是編碼。實現編碼的電路就稱為編碼器。編碼器是一個多輸入和多輸出的組合邏輯電路。m表示輸入信息的狀態數，n表示代碼的位數，一般情況下他們之間存在m<= 2的n次方關系。

寄存器+代碼轉換器-》編碼器

輸入有7種狀態，所以3條輸出線即可（2的3 次方-1）！

顯然就完成了模數的轉化。

下面對編碼器的涉及到的邏輯器件進行說明，以完成所學的電路、模電、數電的知識閉環。

同步D觸發器和邊沿D觸發器

在復雜的數字電路中，要繼續進行各種的復雜的運算與控制，就必須將曾經的輸入過的信號以及運算結果暫時保存起來。以便與新的輸入信號進一步運算來共同確定電路的輸出狀態。這樣子就要求電路中必須包含記憶功能的電路單元-觸發器

觸發器輸出有Q和Q非，因此也稱為雙穩態觸發器。

同步D觸發器的由來：

基本RS觸發器 -> 同步RS觸發器 ->同步D觸發器 和邊沿D觸發器

基本RS觸發器

同步RS觸發器

同步RS觸發器是為了使得多個相關的觸發器同時工作，必須給電路加上統一的控制信號，這個控制信號就叫做時鐘脈沖信號，簡稱CP.，這種觸發器叫做同步RS觸發器

D觸發器是在同步RS觸發器的基礎上解決約束條件問題(即同步RS寄存器都是有效設置信號情況）而產生的。

特性方程

補充同步輸入端和異步輸入端的概念！

同步D觸發器

D觸發器的特性方程位

邊沿型D觸發器（維持-阻塞D觸發器）

由同步RS觸發器與利用反饋構成了邊沿型D觸發器！