将代码转换为电压,如何可以实现？

许多初步了解模数转换器(ADC)的人想知道如何将ADC代码转换为电压。或者，他们的问题是针对特定应用，例如：如何将ADC代码转换回物理量，如电流、温度、重量或压力。在这个包含两篇文章的博客系列中，我将讨论如何为各种应用执行这一数学转换。

将代码转换为电压

ADC采样模拟信号提供表示输入信号的量化数字码。数字输出代码得到后处理，并且结果可以报告给使用该信息做出决定和采取行动的操作者。因此，重要的是将数字码正确地与它们表示的模拟信号建立关联。

一般而言，ADC输入电压通过简单的关系与输出代码相关，如公式1所示：

其中V_IN (V)是ADC的输入电压（称为输入，如下所述），输出代码是ADC的十进制格式的数字输出代码（计数），LSB大小是ADC代码中的最低有效位（LSB）。

公式1是可用于任何ADC的一般公式。如果ADC的输出代码为二进制或二进制补码格式也没有关系，只要将二进制数正确转换为其等效十进制值即可。

确定LSB大小

完成ADC转换后，将输出代码的十进制值乘以LSB大小来计算输入电压。知道LSB大小是代码和电压之间转换的关键。

公式2可确定LSB大小：

其中FSR是与基准电压成比例的ADC的满量程输入范围（单位为伏特），N是ADC输出代码中的位数。2^N等于ADC代码的总数。

LSB大小等于满量程输入范围（FSR）除以ADC代码的总数。这相当于覆盖整个输入范围所需的每个代码的步长。图1为4位ADC（2⁴ = 16个代码）的阶跃函数，它将输入电压映射到输出代码。

图1：ADC输入传递函数（N = 4）

满量程范围和输入基准电压

要注意所使用ADC的FSR，因为不同的ADC有不同的FSR。FSR总是与基准电压成正比，也可能取决于任何内部增益，如公式3所示：

其中V_REF是ADC的基准电压（单位为伏特）；m是基准电压比例系数（例如，如果ADC的差分输入范围允许输入电压为从-V_REF到V_REF，则m = 2，因此FSR = 2V_REF），增益是ADC的内部增益（如果有，否则为1V / V）。我在这个公式中包含了增益，以便在ADC包含增益级的情况下计算输入基准电压，如图2所示。

图2：输入基准电压

delta-sigma ADC通常在ADC输入之前集成可编程增益放大器（PGA）增益级；这就是公式3包括增益项的原因。通过在FSR计算中包括PGA增益，LSB大小计算也考虑了该增益。这意味着，当输出代码乘以LSB大小时，结果是PGA输入之前的输入基准电压（VIN），如图2所示，而不是放大的（输出基准）电压。注意，如果系统在ADC之前使用额外的信号调节，则该电路的效果可能需要额外的计算以确定系统的输入基准电压（在信号调节电路之前）。

示例代码

在大多数情况下，ADC代码由微控制器以8位段读取，并连接成32位数据类型。如果ADC的分辨率小于32位，并且输出代码有符号，则需要将数据符号扩展为32位整数数据类型以保留符号。图3中的代码为该操作的示例。

图3：读取24位ADC数据的代码示例

在前面的布冯，我解释了如何通过使用公式1将ADC的输出代码乘以最低有效位（LSB）大小来计算模数转换器（ADC）的输入电压：

为计算ADC的LSB大小，我们使用公式2：

现在，您已经知道如何从输出代码中计算输入电压，我们来看几个常见的应用示例，它们使用Δ-ΣADC来显示如何从测量电压计算相关的物理参数。通过每个示例，我提供了相关TI Designs参考设计的链接，您可以在其中获得额外的设计帮助。

电流分流测量

ADC测量电压；因此，您必须先将电流转换成电压。最简单的方法是强制电流通过具有已知值的电阻，如图1所示。

图1：电流分流测量

电流和电压之间的关系由欧姆定律（V = I?R）给出。要获取当前幅度I，请将ADC上测得的电压乘以电阻V_R，并将其除以电阻R，如公式3所示：

确保电流测量的准确性需要精确稳定的分流电阻。其他设计考虑可在汽车车载充电器系统（TIDA-00456）的TI Designs电压和电流测量参考设计中找到。

RTD温度测量

电阻温度检测器（RTD）是具有温度依赖性电阻的温度传感器。ADC间接测量RTD电阻并推断RTD温度。测量配置与图1相似，只是已知的励磁电流I_Excite被强制流经电阻器，以产生电压。该电流也可以产生ADC的参考电压，使其测量成比例，如图2所示。

图2：成比例RTD测量

为了计算RTD电阻，R_RTD，将测量电压V_RTD除以激励电流I_Excite，如公式4所示：

电流源的精度通常会影响电阻测量的精度；但通过使用图2所示的比例配置，您可以消除此依赖关系。注意LSB大小如何与激励电流成比例，如等式