什麼是 ADC（類比數位轉換器）及其工作原理?
要點
類比數位轉換器 (ADC) 在將聲音和光等連續訊號轉換為離散數位值方面發揮關鍵作用，然後可將其用於多種用途。
數位類比轉換器 (ADC) 的取樣頻率與每秒獲得的測量數量成正比，因此，增加該速率可以更精確地描述輸入訊號。
類比數位轉換器 (ADC) 的解析度是影響採集樣本保真度的關鍵因素。更高的位數意味著更精細的灰階和更準確的讀數。各種類型的 ADC 在速度、精度和能效等性能特徵之間表現出不同的平衡。
類比數位轉換器 (ADC) 在將連續物理現象轉換為適合計算應用程式使用的離散數位資料方面發揮著至關重要的作用。然而，人們可能不清楚這些設備如何有效地將類比訊號轉換為數位可用的表示形式。
ADC 有何用途?
ADC（類比數位轉換器）無所不在，可以在智慧型手機等各種設備中找到，它將人類語音轉換為二進位代碼。此外，它們還用於汽車中監測車輪旋轉。此外，這些轉換器在藉助示波器捕獲電訊號並以數位形式表示方面發揮重要作用。最後，值得注意的是，人們經常在多媒體技術領域遇到 ADC，必須將類比訊號轉換為數位格式。
什麼是取樣率?取樣率如何影響 ADC?
自動微分計算機 (ADC) 的關鍵效能指標之一是取樣率，它測量在給定時間間隔內讀取讀數的頻率。
最先進的示波器每秒可收集高達 10 GB 的樣本，而資源豐富的 MCP3008 ADC 則可管理較適中的 25 萬個樣本。在音訊領域，通常採用每秒 44011 個樣本 (44.1 kHz) 的常見取樣頻率。
增加取樣數量可以提高表示訊號的準確性，但是，根據具體應用，這可能並不總是必要的。例如，當建構用於控制電子設備（例如音訊或燈光控制台上的電子設備）的推子組時，被測量的值不需要高頻變化，因為人類手指無法以這樣的速度移動。重要的是要有足夠的取樣來確保平穩且反應迅速的結果，而不是過高的取樣率。
什麼是比特率?比特率會影響 ADC 的品質嗎?
我們樣本的品質取決於比特率，比特率決定了可用於量化電位的二進位狀態的數量。增加的比特率允許每個樣本中存在更多種類的值，最終產生更精緻和準確的表示。
二進制是指僅由兩個符號組成的數字系統，通常表示為“0”或“1”，在數位通訊中發揮重要作用。為了更好地理解其功能和操作，可以參考我們先前對此主題的討論。特定任務所需的位數可能會根據目前的特定應用而有所不同。在確定適當的位元深度時，還必須考慮所使用的協議所施加的限製或人類感知的限制等因素。
多路復用如何提升 ADC 品質?
ADS1115 和 MCP3008 等流行的 ADC 晶片提供多種輸入。但在幕後，它們實際上只包含一個 ADC。這是可能的，因為這些設備內建了多工器。多工器在電子和電信領域絕對無所不在。它們是數位開關，充當 ADC 的流量控制。 ADC 可能會對一個通道進行取樣，然後對下一個通道進行取樣，然後再對下一個通道進行取樣。因此，如果您有 8 個通道且取樣率為 200,000，則可以輪換所有通道，每個通道會擷取 25,000 個樣本。
有哪些類型的 ADC?
自動偵測計數器 (ADC) 的功能可能會因預算限制和特定效能要求等因素而異。
快閃記憶體類比數位轉換器(ADC) 透過一個複雜的過程進行操作，該過程涉及電阻器陣列，該電阻器陣列將參考電壓分為多個步驟，每個步驟都使用一組比較器與輸入訊號進行比較。快閃 ADC 的主要優點是轉換速度快，但由於可用比較器的數量有限，其精度受到限制。此外，由於運作中使用了眾多比較器，這些 ADC 會消耗相當大的功耗。
分級類比數位轉換器 (ADC) 的實作涉及將轉換過程分為兩個不同的階段。第一階段負責提供輸入訊號幅度的近似表示，而第二階段則更精確地確定該值。這種方法有助於減少所需比較器的數量，而比較器通常會增加成本和複雜性。在某些情況下，分級 ADC 可能會包含額外的級，其中包括糾錯機制，以進一步提高其準確性和可靠性。
SAR（逐次逼近暫存器）ADC 的操作涉及利用二分搜尋的形式。為了說明這一點，請考慮一個範例，其中有八個位元需要轉換。在這種情況下，SAR 開始計算時會考慮中間值，即 10000000，該值位於 00000000（表示最小可能值）和 11111111（表示最大可能值）之間。如果輸入電壓超過中點，SAR保留最低有效位元為1，表示真實值必須大於或等於目前估計值。相反，如果輸入電壓低於中點，SAR 將設定最小值
透過迭代地將可能值的範圍減半，我們逐步完善搜索，直到得出類比數位轉換器 (ADC) 輸出的估計值。假設輸入訊號在 0 到 255 的範圍內，ADC 透過與中點比較的一系列計算最終確定輸出約為 77。
Sigma-Delta 轉換器代表了一類先進的類比數位轉換技術，由於其高度專業化的性質，理解起來特別困難。這些設備通常用於涉及訊號或音樂精確測量的要求較高的應用，它們利用過採樣和複雜的數學運算以及複雜的濾波演算法來提高分辨率，同時降低採樣率。因此，它們非常適合低雜訊水平和提高精度優先於快速資料擷取速率的情況。
事實上，存在整合轉換過程的類比數位轉換器 (ADC)。與 Sigma Delta 類型相比，這些轉換器的運行速度較慢，並利用電容器進行充電，由此可以確定輸出電壓。在許多情況下，這些設備的取樣率與電源頻率相協調，以便盡可能降低雜訊水準。
什麼是奈奎斯特-香農理論?
為了將類比訊號數位化，有必要獲得至少兩個與訊號中的每個振盪相對應的數據點。具體來說，這些點應分別代表波形在其上限和下限處的峰值幅度。此要求要求最小取樣頻率等於或大於被測訊號中存在的最大頻率分量的兩倍。
奈奎斯特頻率的概念是指數位訊號中能夠準確表示的最高頻率，最初由英國數學家埃德蒙·惠特克提出，隨後由瑞典裔美國物理學家哈利·奈奎斯特和美國數學家、密碼學家克勞德‧香農提出。然而，由於奈奎斯特對該理論的進一步發展和普及的貢獻，它已被普遍與奈奎斯特聯繫在一起。
任何理論命題的有效性本質上都是不確定的，因為波形內波峰和波谷點的精確時間無法事先預測。此外，在沿其軌蹟的中間點對訊號進行採樣可能會掩蓋輸入訊號中本來很明顯的任何變化，從而使所得測量結果失真。
或者也許，人們可以感知到人類以前不知道的全新電磁振盪:
這些幻覺稱為別名。
別名問題
您可能認識一種被稱為「馬車車輪」錯覺的現象。當膠片上捕捉到移動的物體並導致汽車等車輛的輪子或直升機的旋翼槳葉看似以緩慢的速度反向移動時，就會出現這種視錯覺。在極端情況下，葉片的旋轉甚至可能突然停止，從而導致不尋常的視覺效果，如隨附影片所示。
在追求過時的電子娛樂時，觀察者經常會察覺到線性元素（例如柵欄、樓梯或具有水平帶的服裝）內的異常扭曲。類似地，在透過不標準的數位通道傳輸通訊期間，聽眾可能會遇到通常稱為「口哨聲」的不和諧噪音。這些聽覺像差可歸因於一種稱為混疊的特定形式的退化，當訊號超過能夠準確捕捉其頻率成分的取樣率時，就會發生混疊。當應用於複雜的音訊來源（例如打擊樂器）時，這種現象變得特別明顯，其中較高頻率分量由於其在取樣資料中的有限表示而被放大。
對任何單一現象的理解對於掌握所有類似的事件至關重要。對於車輪來說，不可變的顯示速率阻礙了運動的準確描繪。當一個物體在每一幀內完成 350 度的旋轉時，從邏輯上講，它已經倒退了 10 度。因此，收集的數據與正在評估的參數不一致。簡而言之，採樣資訊與預期測量缺乏一致性。
目前的問題並不只限於模數轉換過程。事實上，它通常涉及將一種類型的數位訊號轉換為另一種類型。
解決此問題的一種可能方法是利用自動微分計算機 (ADC) 常用的特定過濾技術，以減少此類偽影的出現。或者，另一種策略需要收集比準確表示訊號波形所需的多得多的數據點。透過增加採樣資料點的數量，可以顯著提高所描繪波形的整體精度。
更高品質的樣品以獲得最佳結果
事實上，對於那些可能覺得這些主題很有趣的人來說，值得注意的是，我們在探索這些主題時僅僅觸及了表面。自動對偶檢查器 (ADC) 的複雜性涉及大量有待充分深入研究和理解的領域。
從最終用戶或典型 Arduino 愛好者的角度來看，這些設備也表現出簡單性。接收輸入電壓，然後是對應的數位輸出。因此，無論所尋求的測量結果如何（無論是包含特定土地的濕度水平、聲帶的振動頻率還是透鏡內彎曲的光粒子的軌跡），模擬到-數位轉換器（ADC）可以輕鬆有效地執行此類任務。