模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種用于將模擬信號（如光敏電阻或熱敏電阻的輸出）轉(zhuǎn)換為可由數(shù)字計算機或微控制器處理的二進制信號的設(shè)備。

將模擬信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字信號有多種方法，但在本教程中我們將討論逐次逼近法，因為這可能是最常用的方法。

采樣

每個交流波形都有特定的頻率、波長和振幅。為了將這種波轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，我們以周期性間隔（稱為采樣率）測量交流波形的振幅。更高的采樣率將產(chǎn)生更精確的交流波形表示：

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理

下圖 1 所示是 ATMEGA328 中使用的 ADC 的框圖。

圖1：逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

時鐘 CLK 提供采樣率，SAR 是逐次逼近寄存器，EOC 是輸出到處理器的信號，用于指示當前采樣已完成，Vref 是 5V 電源或外部電壓基準。DAC 是數(shù)模轉(zhuǎn)換器，Vin 是模擬輸入引腳，S/H 是采樣保持器，COMP 是比較器。

轉(zhuǎn)換過程由輸入 ADC 的 Vin 端模擬信號啟動。接收到該信號后，ADC 的控制單元將向逐次逼近寄存器發(fā)出命令，該寄存器開始通過逐次逼近法生成數(shù)字信號。生成的數(shù)字數(shù)據(jù)由 DAC 轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后與當前模擬信號和參考電壓進行比較。此時可用的數(shù)字數(shù)據(jù)通過輸出寄存器輸出。

ADC 的核心是采樣保持 (S/H)，如下圖 2 所示：

圖 2：采樣和保持

對于每個采樣時鐘周期，S1 閉合，S2 斷開，使電容器快速充電至波形的當前值。然后，S2 閉合，S1 斷開，比較器讀取電壓。

數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作原理

我們?nèi)绾螌?ADC 輸出的數(shù)字位與模擬電壓電平關(guān)聯(lián)起來？假設(shè)一個 10 位 ADC 的采樣值為 0001100100。我們首先需要將這個二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)。

如何將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)。首先，將二進制數(shù)按下表排列，可能的組合數(shù)從右到左依次遞增：

現(xiàn)在，將位值乘以可能的組合數(shù)：

0512 + 0256 + 0128 + 164 + 132 + 016 + 08 + 14 + 02 + 01 = 100

那么，我們讀到的電壓是多少？

在 Arduino ADC 中，ADC 輸出范圍限制在 0 到 1023 之間。假設(shè)我們使用本地 5V 作為參考，則：（1023 / 5V）* Vin = 返回的整數(shù)值。

因此，如果 ADC 輸出整數(shù)值 100（如上所示），則電壓為：電壓 = (5V * 100) / 1023 = 0.488V

就是這樣！模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D 轉(zhuǎn)換器）雖然相當復(fù)雜，但了解它們確實很有益處。