单片机系统内部运算时用的全部是数字量,即0和1,因此对单片机系统而言,我们无法直接操作模拟量,必须将模拟量转换成数字量 。所谓数字量,就是用一系列0和1组成的一进制代码表示某个信号大小的量 。用数字量表示同一个模拟量时,数字位数可以多也可以少,位数越多则表示的精度越高,位数越少表示的精度就越低 。

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比如上图中正弦波模拟量,我们可以用一个0000~-1111位二进制数字量来表示它,5位二进制数最多只能有32种组合形式,因此需把这个正弦波最大值与最小值之间分成32等分,每一等分用一组5位二进制数来表示 。很显然,如果用32等分数字量表示这个模拟量的话,任意两相邻等分之间的模拟量我们便无法表示出来,唯有增加等分,也就是再增加数字量的位数才可表示出来 。因此,若要用数字量完全表示一个模拟量的话,其数字量位数就为无穷多位 。但若要设计出这样的硬件，现在的技术还无法完成 。单片机在采集模拟信号时,通常都需要在前端加上模拟量/数字量转换器,简称模/数转换器,即常说的A/D (Analog to Digital)芯片 。下面来看看AD的原理吧 。
在A/D转换器中,因为输入的模拟信号在时间上是连续的,而输出的数字信号代码是离散的,所以A/D转换器在进行转换时,必须在一系列选定的瞬间(时间坐标轴上的一些规定点上)对输入的模拟信号采样,然后再把这些采样值转换为数字量 。因此,一般的A/D转换过程是通过采样保持、量化和编码这三个步骤完成的,即首先对输入的模拟电压信号采样,采样结束后进入保持时间,在这段时间内将采样的电压量转化为数字量,并按一定的编码形式给出转换结果,然后开始下一次采样 。模拟量到数字量转换过程如下 。

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1. 采样定理
【AD英文缩写是什么意思 ad是什么意思的缩写】可以证明,为了正确无误地用下图中图1所示的采样信号vs表示模拟信号v,必须满足:
F≧2Fimax (1)·
式中,后为采样频率, Fimax为输入信号v的最高频率分量的频率 。上式就是所谓的采样定理 。在满足采样定理的条件下,可以用一个低通滤波器将信号vs还原为v,这个低通滤波器的电压传输系数|A(f)|在低于Fimax的范围内应保持不变,而在Fs-Fimax以前应迅速下降为零,如图b所示 。因此,采样定理规定了A/D转换的频率下限 。

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因此, A/D转换器工作时的采样频率必须高于式（1）所规定的频率 。采样频率提高以后,留给A/D转换器每次进行转换的时间也相应缩短了,这就要求转换电路必须具备更快的工作速度 。因此,不能无限制地提高采样频率,通常取fs=(3~5)fm已经能够满足要求 。因为每次把采样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间,所以在每次采样以后,必须把采样电压保持一段时间 。可见,进行A/D转换时所用的输入电压,实际上是每次采样结束时的V值 。
2．量化和编码
我们知道,数字信号不仅在时间上是离散的,而且数值上的变化也不是连续的 。这就是说,任何一个数字量的大小,都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的 。因此,在用数字量表示采样电压时,也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数,这个转化过程就叫做量化 。所规定的最小数量单位叫做量化单位,用A表示 。显然,数字信号最低有效位中的1表示的数量大小,就等于A 。把量化的数值用二进制代码表示,称为编码 。这个二进制代码就是A/D转换的输出信号 。既然模拟电压是连续的,那么它就不一定能被A整除,因而不可避免地会引入误差,我们把这种误差称为量化误差 。在把模拟信号划分为不同的量化等级时,用不同的划分方法可以得到不同的量化误差 。假定需要把0~+1V的模拟电压信号转换成三位二进制代码,这时便可以取A=(1/8) V并规定凡数值在0~ (1/8) V之间的模拟电压都当做0× A看待,用二进制的000表示:凡数值在(1/8) ~ (2/8) V之间的模拟电压都当做1× A看待,用二进制的001表示, ,如图(a)所示 。不难看出,最大的量化误差可达A,即(1/8) V.

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