物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中模擬量的檢測方案_AD轉(zhuǎn)換器

01 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用AD轉(zhuǎn)換器

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用AD轉(zhuǎn)換器的原因主要有以下幾點：

實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換

基礎(chǔ)功能：AD轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器，Analog-to-Digital Converter）的基本功能是將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，傳感器等設(shè)備采集到的大多為模擬信號（如溫度、濕度、壓力等），而物聯(lián)網(wǎng)的通信、處理、存儲和傳輸?shù)群罄m(xù)操作通常需要以數(shù)字信號的形式進行。

兼容性：數(shù)字信號具有抗干擾能力強、易于傳輸和處理等優(yōu)點，更適合在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用。因此，AD轉(zhuǎn)換器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中起到了將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的關(guān)鍵作用，使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠更高效地處理和分析各種傳感器數(shù)據(jù)。

提升系統(tǒng)性能和精度

高分辨率：現(xiàn)代AD轉(zhuǎn)換器通常具有較高的分辨率，能夠更精確地表示模擬信號的細微變化。這對于需要高精度數(shù)據(jù)采集的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來說至關(guān)重要，如醫(yī)療監(jiān)測、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

高轉(zhuǎn)換速率：高轉(zhuǎn)換速率的AD轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崟r或近乎實時地將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對實時性要求較高的應(yīng)用場景，如自動駕駛、實時監(jiān)控等。

適應(yīng)多樣化的應(yīng)用場景

廣泛適用性：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)涉及眾多領(lǐng)域和場景，如智能家居、智慧城市、工業(yè)控制等。這些場景中的傳感器種類繁多，采集到的模擬信號也各不相同。AD轉(zhuǎn)換器能夠適應(yīng)不同種類的模擬信號，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)字信號處理和分析。

集成化和小型化：隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，AD轉(zhuǎn)換器逐漸實現(xiàn)了高度集成化和小型化。這使得AD轉(zhuǎn)換器更容易與其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成在一起，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)整體性能。

推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展

技術(shù)基礎(chǔ)：AD轉(zhuǎn)換器作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件之一，其技術(shù)進步和創(chuàng)新為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體發(fā)展提供了有力支撐。例如，高精度、高速度、低功耗的AD轉(zhuǎn)換器不斷涌現(xiàn)，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)忍峁┝烁嗫赡苄浴?/p>

應(yīng)用拓展：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，AD轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍也在不斷拓展。未來，AD轉(zhuǎn)換器將在更多領(lǐng)域和場景中發(fā)揮重要作用，推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步創(chuàng)新和發(fā)展。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用AD轉(zhuǎn)換器是為了實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、提升系統(tǒng)性能和精度、適應(yīng)多樣化的應(yīng)用場景以及推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。

本文會再為大家詳解轉(zhuǎn)換器家族中的一員——AD轉(zhuǎn)換器。

02 AD轉(zhuǎn)換器的定義

AD轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，簡稱ADC）是一種電子設(shè)備，用于將模擬信號（如電壓、電流等連續(xù)變化的物理量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（以二進制代碼形式表示）。這種轉(zhuǎn)換在數(shù)字系統(tǒng)中至關(guān)重要，因為數(shù)字系統(tǒng)只能處理數(shù)字信號。

03 AD轉(zhuǎn)換器的原理

自然界有很多天然的模擬信號，例如人的聲音大小、速度。而嵌入式處理器或者單片機系統(tǒng)只能處理數(shù)字，要想研究人的聲音大小、速度，就需要講這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。于是，就需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器充當中間的橋梁，它的質(zhì)量很重要。

AD轉(zhuǎn)換器的工作原理主要包括采樣、量化、編碼三個基本步驟，有時還包括保持步驟：

采樣：以一定的頻率對輸入的模擬信號進行取樣，得到離散時間點上的一系列采樣值。

保持（在某些設(shè)計中）：在采樣之后，保持電路會保持采樣值不變，以便進行后續(xù)的量化處理。

量化：將每個采樣值映射為一個最接近的數(shù)字值，并保持該數(shù)字值不變。量化過程中會引入量化誤差，這是由AD轉(zhuǎn)換器的有限分辨率引起的。

編碼：將這些數(shù)字量通過編碼器轉(zhuǎn)換為二進制形式，得到相應(yīng)的數(shù)字輸出。

04 AD轉(zhuǎn)換器的分類

AD轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)其工作原理、精度、速度等特性進行分類，常見的類型包括：

逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器：使用逼近法逐漸逼近輸入模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。具有較高的轉(zhuǎn)換速度和適中的精度，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

積分型AD轉(zhuǎn)換器：通過對輸入信號進行積分并測量積分結(jié)果的時間來完成轉(zhuǎn)換。適用于對低頻信號進行高精度測量。

閃存型AD轉(zhuǎn)換器：使用大量的比較器和編碼器同時對輸入信號進行采樣和測量，具有極高的轉(zhuǎn)換速度和較高的精度，但功耗和硬件資源需求較大。

管道型AD轉(zhuǎn)換器：采用多級轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，每級完成部分轉(zhuǎn)換，最后合并結(jié)果得到最終數(shù)字輸出。具有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度。

轉(zhuǎn)換器芯片包括A/D轉(zhuǎn)換器芯片和D/A轉(zhuǎn)換器芯片。模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC，A代表模擬量 D代表數(shù)字量，通常是指一個將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬的器件。

05 AD轉(zhuǎn)換器的選型參數(shù)

選型時，需要考慮以下關(guān)鍵參數(shù)：

分辨率：表示數(shù)字量與模擬量之間可區(qū)分的最小差別，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。分辨率越高，精度越高。

轉(zhuǎn)換速率：指完成一次從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換所需時間的倒數(shù)，決定了AD轉(zhuǎn)換器的處理速度。

量化誤差：由于AD轉(zhuǎn)換器的有限分辨率引起的誤差，是選擇高精度AD轉(zhuǎn)換器時需要考慮的重要因素。

輸入阻抗、頻率、輸入最大電流等：這些參數(shù)會影響AD轉(zhuǎn)換器的性能和穩(wěn)定性，選型時需根據(jù)實際需求進行選擇。

接口和封裝：AD轉(zhuǎn)換器的接口種類和封裝形式會影響其在系統(tǒng)中的應(yīng)用和布局。

這個理解起來應(yīng)該比較容易，采樣率一般是指芯片每秒采集信號的個數(shù)。比如1KHz/s，表示1s內(nèi)，這個ADC可以采集1K個點。采樣率越高，采集的點數(shù)越多，那么對信號的還原度就越高。比如A跟B，A采集3個點，最終還原出來的波形跟原始波形相差較大，B采集了6個點，那么在還原是就越接近原始信號。所以在這里我們要引出奈奎斯特定理。也就是如果對原始信號進行采集。采樣率必須大于其2倍。這樣才能正常的還原出原始信號，否則會發(fā)生混疊現(xiàn)象。如圖C所示，原始波形完全無法恢復(fù)。

計算應(yīng)用

關(guān)鍵的計算是10010001B=91H=145,145就是我們要分成的份數(shù)。這里面的10010001B有量化的誤差，而后面的0.0195*145=2.83V中的0.0195不同的AD 也有不同的數(shù)值。但是只要這兩個誤差在項目允許的范圍內(nèi)就沒有大問題。

06 AD轉(zhuǎn)換器的使用注意事項

在使用AD轉(zhuǎn)換器時，需要注意以下幾點：

確保輸入信號在AD轉(zhuǎn)換器的量程范圍內(nèi)，避免超出量程導致?lián)p壞或錯誤輸出。

注意AD轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗和輸出阻抗，防止對信號源或后續(xù)電路造成不利影響。

在需要放大的信號路徑中，最好使用電壓跟隨器來穩(wěn)定電壓，減少干擾。

在PCB布局時，應(yīng)盡量將電源和芯片集中放置，減少干擾和噪聲。

根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的AD轉(zhuǎn)換器類型和型號，以達到最佳的性能和成本效益。

07 AD轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用場景

AD轉(zhuǎn)換器在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，包括但不限于以下領(lǐng)域：

通信系統(tǒng)：用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行數(shù)字通信和數(shù)據(jù)傳輸。

儀器測量：用于測量和采集各種傳感器信號如溫度、壓力、濕度等。

自動化控制：用于實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)中的模擬信號。

醫(yī)療設(shè)備：將生理信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式進行診斷、監(jiān)測和治療。

音頻和視頻處理：用于音頻接口和視頻采集卡等設(shè)備的信號處理。

電力系統(tǒng)：用于電力系統(tǒng)監(jiān)測和保護，采集電力信號進行分析和控制。

汽車電子：用于汽車系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、控制和娛樂應(yīng)用。

08 廠商

由于AD轉(zhuǎn)換器市場競爭激烈，存在眾多廠商提供不同規(guī)格和性能的AD轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。一些知名的廠商包括德州儀器（TI）、亞德諾半導體（ADI）、美信（Maxim Integrated）、恩智浦（NXP）等。這些廠商在AD轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域擁有豐富的產(chǎn)品線和技術(shù)實力，能夠為用戶提供多樣化的選擇和解決方案。在選擇廠商時，可以根據(jù)應(yīng)用需求、性能指標、成本預(yù)算以及技術(shù)支持等方面進行綜合考慮。

供應(yīng)商A：TM(天微)

1、產(chǎn)品能力

（1）選型手冊

（2）主推型號1：TM7711

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

TM(天微)TM7711是一款高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）芯片，以下是關(guān)于該芯片的詳細解析：

產(chǎn)品概述

TM7711是天微（TM）品牌下的一款24位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，廣泛應(yīng)用于電子秤低頻測量、壓力溫度傳感等領(lǐng)域。該芯片以其高精度、低功耗和快速響應(yīng)的特點，成為智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于DSP系統(tǒng)的理想選擇。

功能特點

高精度：采用Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)24位無丟失代碼性能，確保測量結(jié)果的準確性。

低噪聲：內(nèi)置低噪聲放大器，增益可達128，有效抑制噪聲干擾，提高信號質(zhì)量。

可編程性：通過通信口可調(diào)節(jié)片內(nèi)數(shù)字濾波器的截止點和輸出更新速率，滿足不同應(yīng)用需求。

寬電壓范圍：工作電壓范圍為2.6V至5.5V，適應(yīng)多種供電環(huán)境。

抗干擾能力強：同步抑制50Hz和60Hz的電源干擾，確保測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

內(nèi)置時鐘振蕩器：無需外接器件，簡化電路設(shè)計，降低成本。

通信簡便：提供簡單的二線串行通信口，便于與微控制器等設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。

封裝與引腳

TM7711芯片通常采用SOP8封裝形式，引腳布局緊湊，便于在PCB上進行布局和焊接。

應(yīng)用場景

電子秤：作為電子秤的低頻測量模擬前端，接受來自傳感器的低電平輸入信號，并轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字輸出。

壓力溫度傳感：在需要高精度壓力和溫度測量的場合，如工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

智能系統(tǒng)：為基于微控制器或DSP系統(tǒng)的智能設(shè)備提供高精度數(shù)據(jù)采集功能。

注意事項

在使用TM7711芯片時，應(yīng)確保輸入信號在芯片的量程范圍內(nèi)，避免超出量程導致?lián)p壞或錯誤輸出。

注意芯片的引腳布局和焊接質(zhì)量，確保電路連接的穩(wěn)定性和可靠性。

在進行電路設(shè)計時，應(yīng)充分考慮芯片的供電電壓、工作電流等參數(shù)，確保電路的正常工作。

在使用過程中，如遇到問題可及時聯(lián)系芯片供應(yīng)商或相關(guān)技術(shù)支持部門尋求幫助。

硬件參考設(shè)計

研發(fā)設(shè)計注意使用事項

與TM7711連接的單片機需要的外設(shè)資源，兩個普通IO口，一個輸入（推薦浮空輸入），一個輸出。 對于TM7711模塊，其中DT(Dout),用于向外傳輸數(shù)據(jù)，也就是數(shù)據(jù)線，方向?qū)ν猓黄渲蠸CK（PD_SCK）是輸入外部時鐘的，也就是時鐘線。 所以，對于單片機，需要一個輸入IO口，讀取Dout的數(shù)據(jù)；需要一個輸出IO口，發(fā)送時鐘信號（方波），輸出給TM7711模塊。 2.串口時序 想要正確使用這個串口需要讀時序圖，如圖所示： 對于單片機來說，與Dout連接的輸入IO口，電平從高變成低電平，說明TM7711準備好了，可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。 這個時候，與PD_SCK連接的輸出IO口，開始發(fā)送方波（時鐘），每個方波讀取一位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總共24位。 圖上有三個PD_SCK的時序圖，是用于選擇下一次不同的通道和增益用的，所以這個模塊可以同時采集兩路惠斯通電橋的值。按照實際情況，選擇一種或者兩種的組合。所以單片機最少要發(fā)25個脈沖，前24個用于讀取這次的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，最后一個用于選擇下一次的通道和增益。 注意：其實關(guān)鍵的就是那幾個T1，2，3，4的時間要求，不能低于也不能超時，否則都不能得到正確結(jié)果.

(2)讀取采樣值TM7711模塊的串口輸出數(shù)據(jù)為24位的轉(zhuǎn)換值數(shù)據(jù)。count為讀取到的值，通過移位，一位一位讀??；

首先，將單片機輸出口變成低電平，如果高電平達到一定時間會復(fù)位TM7711模塊的，所以平時一定將輸出口電平置為低；

然后就是等待單片機輸入口的電平變低，為了防止硬件出錯，在這里設(shè)置了超時時間，實際效果大概1s，過了1s直接跳出循環(huán)，避免一直等待，同時超時跳出時的AD值非常大，容易排除它；然后就加了一個誤觸發(fā)消除，用的延時的方法。然后就進入讀取AD轉(zhuǎn)換值了，先將單片機輸出口電平變高，延時一定時間，然后變低，然后讀入輸入口的電平狀態(tài)，寫入count.

最后，循環(huán)24次后，發(fā)最后一個脈沖，說明下一次AD轉(zhuǎn)換為差分輸入10hz，128增益。與0x800000異或是因為為了排除負。到這里，AD轉(zhuǎn)換后的值就讀取了.

核心料（哪些項目在用）

智能垃圾桶項目稱重方案

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

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審核編輯 黃宇