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。但因為單片機只能處理數字信號，所以需要?個能將模擬信號轉換為數字信號的介質——模數轉換器（ADC），模擬量轉換為數字量包含以下幾個步驟：采樣、保持、量化、編碼。本文我們以ADI亞德諾半導體24位Σ-ΔADC為例，為大家講解ADC碼值的轉換過程。

AD7768-1介紹

AD7768-1是一款低功率、高性能 Σ-Δ 模數轉換器（ADC），其具有一個Σ-Δ調制器和數字濾波器，可實現AC和DC信號的精確轉換。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調制器對模擬輸入進行過采樣，并將數字表示傳遞給數字濾波器塊。數據被濾波，增益調整和抽取（抽取率取決于用戶設置）后在SPI接口上輸出。其中量化以及編碼除了ADC本身之外，還涉及到基準源Reference，AD7768-1外部基準源電壓范圍支持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

AD7768-1可以使用高達5V的參考電壓并轉換模擬輸入之間的差分電壓（AIN+和AIN?）到數字輸出。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輸入電壓（如0V、AVSS或其他參考電壓），ADC轉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，值得注意的是目前絕大多數ADC在輸出碼值的時候是以二進制補碼（twos complement format）的形式輸出的，AD7768-1也是如此。

圖2 ADC理想傳遞函數

二進制補碼

二進制補碼（twos complement format）是一種常用的二進制數表示方法，它主要用來表示負數的大小。在二進制補碼中，正數的表示方法和普通的二進制數表示方法沒有任何區別，但是負數的表示方法是通過將它的絕對值的二進制數取反（即將每一位的0變為1，1變為0），再加1得到的。假設要用二進制補碼表示數字-5，則首先需要將5的二進制數101取反得到010，再加1得到011，即011就是-5的二進制補碼。

基于以上信息，根據下圖（圖3)）我們可以得出ADC輸出的碼值和理想輸入電壓的對應關系；其中-FS是可以輸入的最低電壓，因為是一個負值，MSB位取1，所以得到800000，正常來講的話這個值應該是最小的，FS是可以輸入的最高電壓，應該對應0XFFFFFF。Midscale對于24分辨率ADC來說的話，應該取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是直接二進制碼值，那么此時Midscale Code需要對應轉換為直接二進制的碼值0X800000（對應十進制的 8388608），否則就會發現只有前端輸入正電壓是正確的，負電壓就會報錯了。

圖4 根據ADC輸出碼值求輸入電壓

總結

本文以AD7768-1為例介紹了通用ADC進行編碼過程，以及根據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ADC都是按照二級制補碼方式輸出編碼值，這是為了方便計算機對符號和數值的統一運算而不需要增加額外的硬件電路，一定要和ADC輸出的原碼區分開。欲了解關于更多ADI產品和方案信息，請與駿龍科技當地的辦事處聯系，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細的技術解答。

參考資料：

AD7768-1 數據手冊和產品信息 | 亞德諾（ADI）半導體 (analog.com)