1.3 ADC前端电路简介

ADC前端电路的主要功能是调理传感器信号，将弱信号放大到ADC能够接收的输入范围。ADC前端电路示意图如图1-1所示。

下面分别介绍图中各环节的功能与特性。

1.传感器

传感器由敏感元件与相关电路组成，用于检测非电物理量，并将非电物理量转换为电量信号输入到运放电路。

2.传感器激励电路

传感器激励电路用于向传感器提供电源，例如，传感器电路是电桥，则向电桥提供稳定的电压源或电流源；而对于热敏电阻传感器，则需要稳定电流源使电阻转换成电压。

3.信号调理电路

信号调理电路的功能为弱信号放大与电平移位，目的是使放大器正常工作，使信号满足ADC输入的需求。

信号调理电路的输入需要保护，以避免静电（ESD）、过电压和过电流，特别是在长线传感器的情况下，更需要静电（ESD）、过电压和过电流保护。

4.有源滤波器

滤波电路可以改善信号质量，以满足ADC精度的需求。在大部分情况下，使用无源RC滤波器就足够了，但在某些情况下，需要有源滤波电路消除ADC采样时出现的混叠频率噪声，使ADC转换出的数值更准确。

滤波器设计需要使用滤波器设计软件，Microchip公司提供免费的滤波器设计软件FilterLAB。除了模拟信号滤波外，还需要在单片机中实现数字滤波，以滤掉ADC转换过程中出现的噪声。

5.ADC（模数转换器）

ADC将模拟信号转换成数字信号，然后送到单片机中进行数据处理。

ADC的输入为信号调理电路的输出，也就是传感器检测的物理信号。

ADC将模拟量转换为数字量的位数，称为ADC的位数。

在参考电压的支持下，模拟量转换为数字量输出，ADC的分辨率与ADC的位数有关。例如，对于参考电压为5V，10位ADC的分辨率（每个数字代表的电压值）为5V/(210-1)=4.887mV，而12位ADC的分辨率为5V/(212-1)=1.221mV。

ADC的误差，就是ADC输出的数字与输入模拟信号值之差，通常有微分误差、积分误差、非线性误差、偏移误差等。

ADC工作需要稳定的参考电源VREF，对于10位ADC，其参考电源、输出数字量D与输入模拟量Vi之间的关系为：

通常，要求参考电压VREF很稳定，不随温度变化。例如，压力传感器测量力的范围为200kg，传感器输出信号为0～20mV，信号调理电路的放大倍数为250倍，ADC输入信号范围为0～5V，采用10位ADC，则有如表1-1所示的标度变换表。

可以得到每个数字代表0.1955kg（0.1955kg/bit）或5.1bit/kg。

如果传感器、信号调理放大器与ADC的增益都很稳定，则转换就很准确。但是，通常增益是温度的函数，因此增益误差可以引起转换误差，ADC的增益与参考电压VREF有关，ADC的参考电压不应随温度变化。

6.单片机

单片机是将CPU（微处理器）、RAM/Flash存储器、I/O接口和各种外围模块集成在一块芯片上的单片微型计算机，简称为单片机。在其他国家，又称单片机为微控制器（MCU）。单片机广泛应用在军事、工业、民用等各个领域，使当今社会进入智能化时代，每时每刻都有大量基于单片机的产品被设计出来，满足社会各方面的需求。单片机结构框图如图1-2所示。

单片机具有数学处理能力，因此在单片机中可以采用数字滤波算法消除ADC转换中生成的噪声，同时还可以采用计算多项式或查表的方法校正传感器的误差，修正传感器的非线性。

单片机可以实现很多功能，如传感器断线检测、超限报警、标度转换等。

传感器、单片机与通信接口集成在一起，就是智能传感器。

传感器、单片机与执行机构集成在一起，就是智能控制器。

单片机与种类繁多的控制对象一起，组成各种各样的嵌入式系统，改变着人们的生活，而电子技术就是联系单片机与控制对象之间的纽带。