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一、ADC 简介

Analog to Digital Converter的缩写，又叫模数转换器。它可以将外部的模拟信号转化成数字信号。对于 GPIO口来说高于某个电压值，它读出来的只有高电平，低于就是低电平。假如我想知道具体的电压数值就要借助于 ADC的帮助，它可以将一个范围内的电压精确的读取出来。假设我们的 GPIO 口只要高于 1.7V的都认为是高电平，例如，比如某个 IO口上外接了一个设备它能提供 0-2V的电压变化，我们在这个 IO口上使用 GPIO模式去读取的话我们只能获得0和1两个数据，但是我们使用ADC模式去读取就可以获得 0-2V之间连续变化的数值。

ADC的工作原理

模拟信号转化为数字信号，一般分为4个步骤进行：采样、保持、量化和编码。前两个步骤在采样和保持在电路中完成，后两个步骤在ADC中完成。ADC是把经过与标准量比较处理后的模拟量转化为二进制数值表示的离散信号的转化器。所以任何一个模数转化器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为ADC芯片最大的可转换信号大小。

采样与保持

• 取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图11.8.1所示。图（a）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号vO(t)为输入信号v1,而在（Ts-τ）期间，传输门关闭，输出信号vO(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。
  

• 通过分析可以看到，取样信号S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。
  取样定理：设取样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号v1(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs与fimax必须满足下面的关系fs≥2fimax，工程上一般取fs>(3～5)fimax。
  将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。

取样与保持过程往往是通过取样-保持电路同时完成的。取样-保持电路的原理图及输出波形如图11.8.2所示。

• 电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和开关驱动电路组成。电路中要求A1具有很高的输入阻抗，以减少对输入信号源的影响。为使保持阶段CH上所存电荷不易泄放，A2也应具有较高输入阻抗，A2还应具有低的输出阻抗，这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中AV1·AV2=1。
• 现结合图11.8.2来分析取样-保持电路的工作原理。在t=t0时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于AV1·AV2=1，因此v0=vI，在t0～t1时间间隔内是取样阶段。在t=t1时刻S断开。若A2的输入阻抗为无穷大、S为理想开关，这样可认为电容CH没有放电回路，其两端电压保持为v0不变，图11.8.2(b)中t1到t2的平坦段，就是保持阶段。

取样-保持电路以由多种型号的单片集成电路产品。如双极型工艺的有AD585、AD684；混合型工艺的有AD1154、SHC76等。

量化与编码

• 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。
• 量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。
• 在量化过程中，由于取样电压不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差称之为量化误差，用ε表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D 转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。

ADC的基本原理和分类

• 根据A/D转换器的原理可将A/D转换器分成两大类。一类是直接型A/D转换器，将输入的电压信号直接转换成数字代码，不经过中间任何变量；另一类是间接型A/D转换器，将输入的电压转变成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再将这个中间量变成数字代码输出。
• 尽管A/D转换器的种类很多，但目前广泛应用的主要有三种类型：逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器、V/F变换式A/D转换器。另外，近些年有一种新型的Σ-Δ型A/D转换器异军突起，在仪器中得到了广泛的应用。

二、MQ-2烟雾传感器简介

• MQ-2烟雾传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SNo2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
• MQ-2烟雾传感器对液化气、丙烷、氢气、烟雾的灵敏度较高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想，故因此，MQ气体传感器可以准确来说是一个多种气体探测器，它的优点：灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单和性价比高，有模拟和数字信号输出两种选择
• 有4个引脚分别为：VCC(电源线),GND(地线),DO(数字信号),AO(模拟信号)

三、MQ-2工作原理和特性

工作原理

MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。处于200~300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的浓度而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。

特性

• MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度 ，尤其对烷类烟雾更为敏感
  具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息。（经过测试:对烷类的感应度比纸张木材燃烧产生的烟雾要好的多 ，输出的电压升高的比较快）
• MQ-2型传感器具有良好的重复性与长期的稳定性。 初始稳定，响应时间短，长时间工作性 能
  好。需要注意：在使用之前必须加热一段时间，否则其输出的电阻与电压不准确。
• 其检测可燃气体与烟雾的范围就是 100~10000ppm（ppm为体积浓度。1 ppm=1立方厘米/1立方米）
• 电路设计电压范围宽，24V以下均可，加热电压5±0、2V 需要注意：加热电压。如果过高，会导致内部的信号线熔断，从而器件报废。

四、MQ-2的应用电路

MQ-2常用的电路有两种，一种使用采用比较器电路监控，另一种为ADC电路检测。

• 加热电阻串联R1电阻，VCC供电；传感器主体的感应电阻串联R2电阻，组成一个分压电阻，信号电压随着感应电阻阻值的变化而变化；
• 信号电压连接至比较电路的反向端Rp为比较电压，当信号电压小于比较电压时，比较电路输出高电平；当信号电压大于比较电压时，比较电路输出低电平，LED点亮。