現代社會離不開數字化，但我們所生活的真實世界并不是數字化的，數字世界的0和1無法表示所有的現象。例如溫度，只能在一個范圍內連續變化，不能發生像從0到1這樣的瞬時跳變，類似溫度這樣的物理量被人們稱為模擬量。處理器無法理解這些模擬量，必須將它們經過模數轉換變成數字量才能被處理器進一步處理。

像溫度這樣的數據必須先被轉換成微處理器能夠處理的形式，這一任務通常由各類傳感器來完成。例如，電路中的溫度傳感器能夠將溫度值轉換成某個電壓值，比如0.3V、3.27V、5.01V等。由于傳感器表達的是模擬信號，它不會像數字信號那樣只有簡單的高電平和低電平，有可能是在這兩者之間的任何一個數值，至于到底有多少可能的值則取決于模數轉換的精度，精度越高能夠得到的值就會越多。

用來獲得自然界信息的傳感器目前已經深入到我們的生活和工作中，那么，獲得的信息是什么樣的，如何將這些信息提取到處理器并進行相關運算呢？這就涉及到現代科技的一項重要且基本的技術——模數轉換，下面就來為大家介紹模數轉換器。

一 、 模擬數字轉換器

模擬數字轉換器即A/D轉換器，簡稱ADC（Analog to Digital Converter），通常是指將模擬信號轉變為數字信號的電子元件，最常用的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號。由于數字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小，故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小，因此輸出的數字量表示為輸入信號相對于參考信號的大小。

二、模數信號

在詳細介紹模數轉換過程之前，先了解一些相關的名詞和概念。

1.信號采樣

模擬信號在時域上是連續的，因此可以將它轉換為時間上連續的一系列數字信號。這樣就要求定義一個參數來表示新的數字信號采樣自模擬信號的速率，這個速率稱為轉換器的采樣率或采樣頻率。

2.采集誤差

采集連續變化、帶寬受限的信號（即每隔一段時間測量并存儲一個信號值），然后通過插值將轉換后的離散信號還原為原始信號，這一過程的精確度受量化誤差的限制，只有當采樣率高于信號頻率的兩倍時才可能達到對原始信號的忠實還原。

3.采樣—保持

由于實際使用的模擬數字轉換器不能進行完全實時的轉換，所以對輸入信號進行一次轉換的過程中必須通過一些外加方法使之保持恒定，常用的有采樣-保持電路。在大多數情況下，通過使用一個電容器存儲輸入的模擬電壓，并通過開關或門電路來閉合、斷開這個電容和輸入信號的連接，許多模擬數字轉換集成電路在內部就已經包含了這樣的采樣-保持子系統。

以上是模數轉換過程中涉及到的一些概念和名詞，下面將通過實際運用更直觀地展示模數轉換過程。

三.模數轉換實例

1.硬件選擇

（1）光源

本次實驗采用的是銳光凱奇自己設計的一種可外觸發光源。

（2）光電探測器

本次使用的是日本濱松（Hamamatsu ）公司的S2281-01光電傳感器。該光電傳感器本質是光電二極管，它會將照射在探測器表面的光照強度通過電壓進行輸出，光強越強，輸出的電壓越大，并且變化是線性的。

（3）NI采集卡

本次使用的數據采集卡是NI公司生產的USB-6008，該數據采集卡具有數字輸入輸出和模擬輸入輸出的功能，USB-6008有8個模數轉換器，每一個模數轉換器的精度都是12bit，能夠讀取4096（2^12^= 4096）個狀態。在采集卡的每一個模擬輸入管腳上，電壓的變化范疇是從-10V到10V，因此USB-6008能夠感知到的最小電壓變化是4.8毫伏（20/4096 ≈ 4.8mV）。本次實驗用其進行信號采集。

2.硬件連接圖

圖4 硬件連接圖

為了盡可能去除環境光的影響，在光源和光電傳感器的中間放置一根套管。

3.實驗步驟

通過光電傳感器接收光源發出的不斷變化的光強，將光電傳感器的輸出接到數據采集卡上，通過分析實驗結果來闡述NI采集卡的優勢與特點。圖5是本次實驗的原理圖。

圖5 實驗原理圖

四.實驗結果分析

將硬件線路連接好之后，增大光源的功率（光強），使照射在光電傳感器表面的光強增大，從而使光電傳感器輸出的電壓增大，通過數據采集卡將采集到的數據傳輸給計算機進行顯示。采集到的結果如圖6。由于光源發出光的光強會有小幅度的跳動，在恒定光強下采集到的數值會有抖動，如圖7。

圖6 增大光強數據圖

圖7 光強跳變圖

通過對NI采集卡的采集結果分析，可以發現，傳感器輸出的模擬量經過AD轉換后，像是分段了一樣，這是因為數據采集卡會根據采集到的信號大小進行范圍的劃分，并歸屬到一個數字的信號中去（假設該AD轉換器會將4個mV進行一個數字量的劃分，傳感器輸出的值為0.571，又或者是0.572，經過AD轉換后，會變成0.570），這與數學中的分段函數很相似。

通過圖7分析可知，數值的跳變范圍大概在4個mV左右，這是由上文中提到的分辨率決定的。AD轉換器的分辨率越高，對模擬信號的“還原”程度也就越高，但在實際應用中，并不是分辨率越高越好，要結合實際需求，根據測量信號的變化范圍和處理數據的需要來選擇合適的AD轉換器。

接下來介紹另外一個實例，通過對激光器信號斬波得到一個方波信號。此實例的硬件部分是將上述實驗的光源替換成激光器，并且在激光器和探測器中間加上一個風扇，但實驗原理不變。激光器、風扇及硬件連接如圖8所示：

圖8 實際系統圖片

圖9為獲得的斬波信號：

圖9 經過AD轉換后的信號

當激光通過風扇扇葉之間的空隙打在探測器上時，探測器輸出高電平，而當激光被扇葉擋住打在扇葉上時，探測器輸出低電平，由于間隙相較于一片扇葉所占的體積更小，所以高電平的持續時間短（可以看見斬波信號圖中高電平持續時間短）。在理想情況下該圖表應該是理想的方波信號，但是圖中信號的上升沿和下降沿有持續時間而非跳變，這是由于激光器發出的激光柱被風扇切光的過程需要時間，在這段時間內，探測器接收的激光信號是由強到弱的（探測器上的激光光柱由大至小），同理，下降沿對應激光光柱由小變大。