第九章 類比數位轉換器(Analog to Digital
Converter)
9-1、 簡介
任何一個物理量的值，都可以將它轉換為電壓的大小，此時便可以針對此物理量的值加以運算或儲存，而處理此值的電路可以分為數位(Digital)及類比(Analog)兩種系統，因此我們經常會處理類比信號與數位信號。在處理的過程中，有時會在兩種系統作轉換：數位到類比轉換器(Digital –To- Analog Converter；DAC、D∕A)是將數位信號轉為類比信號；而類比到數位轉換器(Analog –To- Digital Converter；ADC、A∕D)則是將類比信號轉為數位信號。
在實際的應用中，經常會將類比信號(如聲音、溫度)轉換為數位信號後再作處理。之所以要將類比信號轉換為數位信號是因為數位信號有如下的優點：
? 數位信號比較不易受到雜訊干擾
類比系統將類比信號直接作處理，若在處理的過程中有雜訊的干擾，例如我們將類比信號做放大，在放大的同時雜訊也會被放大，其放大的結果就可想而知了。數位信號是不具連續性的訊號。在數位系統中，所處理的信號通常以二進位編碼，0代表為低電壓(Low)，1代表為高電壓(High)，0與1之間會有一段距離可以容忍一些雜訊的干擾，使得數位系統可以在處理數位信號的時候，比較不易受到雜訊干擾，所以運算的結果也是比較穩定而精確的。
? 數位信號比較容易儲存
在儲存數位信號時，儲存的是一連串由1和0組合的數字，因此可以儲存數位信號的裝置很多，例如記憶體、磁碟機、光碟片、磁帶機，都可以儲存數位信號。而類比信號的儲存是將信號連續的振幅電壓儲存下來，因此目前可以看到的儲存媒體就只有錄音或錄影帶了。
? 數位信號比較容易處理
我們經常會對數位信號作處理，例如對信號做複製、修改、混合與分離等，這些處理對於數位系統而言只是對是對一連串的數字做運算，通常只要有一部電腦即可處理。而對於類比信號而言，就可能需要一些專用的設備，因此數位信號比類比信號容易處理。
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在類比到數位的轉換(ADC)中有兩個重要的數值需要考慮：解析度（Resolution）及取樣率(Sampling Rate)。
解析度即為在經過數位轉換後所造成的量化誤差，因為在電腦中紀錄資料的位元組是有限的，例如以8Bit來記錄5V的電壓範圍，即：5／28＝19.53mV，表示每個位元之間相差19.53 mV，因此解析度（Resolution）愈高表示轉換後所造成的誤差愈小。
取樣率簡單的說就是每秒鐘取樣數目，取樣的頻率愈高，未來類比波形重建的品質就會愈好，失真會愈小。一般而言，取樣率必須至少為兩倍欲觀察信號頻率大小，而濾波的截止頻率為二分之一取樣頻率─即Nyquist Frequency。但若是類比信號輸入的頻率增高，取樣頻率就要變得更高，如此數位系統所處理的速度就要增高，儲存取樣資料的記憶容量相對的也要變得更大，這些都是必須留意的地方。
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9-2、 ET44M210的ADC
圖9-1：ET44M210的ADC功能
圖9-1為ET44M210中Analog –To- Digital Converter (ADC)的功能方塊圖。ET44M210中的ADC功能，它可以將輸入的類比信號轉換為10Bit的數位信號，並且可同時輸入16個類比信號，在同一個時間內會有一個輸入類比信號轉換為數位信號輸出。圖中左上角ADC0 ~ ADCF為16個輸入類比信號，經過一個 16→1 的類比開關，選擇其中一組類比輸入作為轉換器的輸入，轉換為數位信號。
ADC0 ~ ADCF為ET44M210的I/O埠接腳之一，當左下角的ADE除能(=0)時，ADC0 ~ ADCF 為一般的I/O埠。當左下角的ADE致能(=1)時，ADC0 ~ ADCF 為16類比信號輸入埠。當ADE致能(=1)時，左邊的IMS[0:2]暫存器可以控制哪些埠為類比信號輸入埠，哪些埠為一般的I/O埠。在不需要有這麼多的類比信號輸入時，可設定此暫存器以保留一些I/O埠給其他目的使用。
例如：當 IMS[0:2] 設為000時，
表示PORT E的Bit6及Bit7為類比信號輸入埠， 其他接腳則為為一般的I/O埠。
當類比信號輸入時，會連接到一個 16→1 的類比開關，此開關由AIPS[0:3] 暫存器控制，可選擇要將哪一個的類比信號轉換為數位信號。
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圖中右邊為ADC的運算單元，當ADE致能(=1)時，ADC的運算功能就準備開始動作。ADC的運算單元左下方的CKR[0:2] 暫存器是控制ADC轉換的速率。當所有動作都準備就緒之後，ADC的運算單元右下方的ADRUN是控制是否開始動作，當ADRUN致能(=1)時，ADC的運算單元便開始將輸入的類比信號運算轉換為數位信號。
當運算結束之後，ADC的運算單元便將結果存於ADDATAH及ADDATAL之中，在寫入ADDATAH最後一個bit之後，這時會設定AD的中斷旗標ADIF通知MCU已經完成一個AD轉換，MCU可以將資料取走以便進行下一次的AD轉換。
JP11357911P1121X2X3X123456781Y2Y3Y5V1315171921232527293133353739VDD+C14.7UVI5V+C24.7U41434547246810121416182022242628303234363840424446485V 圖9-2：ET44M210實驗電路板ADC接腳
圖9-2所示為ET44M210實驗電路板ADC的接腳，它是以搖桿的方式連接到PORT E的Bit6與Bit7，也就是ADC的Channel 14與Channel 15。由於搖桿是連接到5V的電壓，因此在使用實驗電路板以搖桿模擬ADC的功能時，必須將另外一個USB線接上電腦，使用USB所提供的5V電源。如圖9-3所示。
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圖9-3：ICE與電腦連接圖
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