ADC（Analog to Digital Converter）是模擬轉(zhuǎn)數(shù)字采樣器。Arduino的ADC口只能測(cè)量直流電睁冬，即0.0v ~ REFv(REF ≥ 0.0)镐确，但有時(shí)我們需要測(cè)量-REFv ~ +REFv的交流電祥诽，如音頻信號(hào)黍聂，那就變得尷尬了~=￣ω￣=

設(shè)計(jì)思路

讓交流音頻信號(hào)可被Arduino測(cè)量：

∵ Arduino的ADC只能采集0 ~ V_REF的電壓值躺苦，且V_REF ≥ 0
∵ 音頻信號(hào)是-v ~ +v的交流信號(hào)，v ≥ 0
∴ 為音頻信號(hào)加上+v的偏置電壓产还，使其電壓變化范圍全部大于等于0匹厘，再將其放大到V_REF即可被Arduino測(cè)量

在Arduino中對(duì)畸變的信號(hào)還原：

∵ 假設(shè)原始音頻信號(hào)為V，它的最低電壓為V_{org_min}
∵ 對(duì)其加上偏置電壓后為V' = V + V_{org_min}
∵ 對(duì)其放大后的電壓為V'' = n · (V + V_{org_min})
∴ 解算后的實(shí)際電壓 V = (1 / n) · V'' - V_{org_min}

如下圖所示：

原始音頻信號(hào)

原始音頻信號(hào) + 偏置電壓

(原始音頻信號(hào) + 偏置電壓) * 放大

參考電路

共射極放大電路

共射極放大電路可以為信號(hào)添加一個(gè)固定的直流偏置電壓脐区，使信號(hào)完全偏移到正電壓上愈诚，另外它也可以放大信號(hào)的電壓，滿(mǎn)足Arduino ADC接口的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)牛隅。

共射極放大電路

電路分析

上面的電路為固定偏置共射極放大電路炕柔。我們計(jì)算的共射極放大電路中使用到的三極管是NPN型三極管，它有三個(gè)極：

• 基極：符號(hào)b媒佣，可看作是控制水管流量的閥門(mén)
• 集電極：符號(hào)c匕累，可看作是水管的注水端
• 發(fā)射極：符號(hào)e，可看作是書(shū)管的出水端

NPN晶體三極管

三極管有兩種半導(dǎo)體類(lèi)型：

• 硅管丈攒，集電極與發(fā)射極之間的壓降為V_BE = 0.7v
• 鍺管哩罪，集電極與發(fā)射極之間的壓降為V_BE = 0.2v（因?yàn)榇┩鸽娏鞔螅菀讚p壞巡验，現(xiàn)在應(yīng)該基本棄用了）

三極管的放大倍數(shù)：

• β，三極管的放大倍數(shù)通常用β來(lái)表示

參數(shù)計(jì)算

我們一般計(jì)算一個(gè)放大電路的參數(shù)碘耳，會(huì)把里面的電流都控制到一個(gè)靜態(tài)的點(diǎn)上去計(jì)算显设，這樣可以避開(kāi)復(fù)雜的電流變化帶來(lái)的計(jì)算上的麻煩。而我們輸入端有個(gè)阻隔直流的電容C辛辨，所以信號(hào)靜止不變時(shí)捕捂，能夠輸入放大電路的電壓就為0v了瑟枫，這就引入了靜態(tài)工作點(diǎn)的參數(shù)估算，習(xí)慣上也把它稱(chēng)作Q點(diǎn)指攒。

靜態(tài)工作點(diǎn)

因?yàn)檩斎敕糯箅娐返碾妷簽?v慷妙，所以這個(gè)時(shí)候在三極管基極b(閥門(mén)端)上輸入的電壓就只有電阻R_b上的電壓V_b了，此時(shí)我們就知道了流入三極管基極b(閥門(mén)端)的電流I_b

I_b = Vcc / R_b

進(jìn)而由三極管VT放大后輸出的電流I_c為

I_c = β * I_b = β * Vcc / R_b

所以三極管VT輸出的電壓V_ce為

V_ce = V_cc - I_c * R_c

一般情況下允悦，V_cc和VT的放大倍數(shù)β都已經(jīng)事先確定膝擂，所以接下來(lái)要確認(rèn)的是分壓電阻R_c和偏置電阻R_b。

• 調(diào)整R_c可以調(diào)節(jié)VT輸出的最大電壓
• 調(diào)整R_b可以調(diào)節(jié)對(duì)輸入信號(hào)施加的偏置電壓隙弛，使信號(hào)的負(fù)半周全部提高到0v以上

偏置電阻R_b

電源電流通過(guò)偏置電阻R_b流入三極管VT基極b(閥門(mén)端)的電流是I_b = Vcc / R_b架馋，在三極管VT的集電極c和發(fā)射極e之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)β * I_b*倍的電流，經(jīng)過(guò)電阻R_e的轉(zhuǎn)換全闷，在電阻R_e兩端就會(huì)得到一個(gè)電壓V_e叉寂，這就是偏置電壓。

偏置電壓負(fù)責(zé)處于正負(fù)半周上的信號(hào)提高到正半周总珠，使信號(hào)在任何時(shí)候都不會(huì)有電壓為負(fù)的情況出現(xiàn)屏鳍。

所以我們調(diào)整偏置電阻R_b的目的也就明了了，我們要調(diào)整一個(gè)足夠的偏置電壓局服，使得信號(hào)在任何時(shí)候都不會(huì)有負(fù)電壓孕蝉，但也不能調(diào)整得太大，使信號(hào)的最高電壓超過(guò)三極管VT的放大極限腌逢，出現(xiàn)飽和的情況（因?yàn)轱柡筒糠制鋵?shí)會(huì)被“削頂”降淮，而不是像下面的示意圖一樣好好活著~）

偏置電壓

穩(wěn)定Q點(diǎn)

因?yàn)槿龢O管VT的放大系數(shù)β會(huì)隨著溫度的升高而升高，即通過(guò)集電極c與發(fā)射極e之間的電流I_ce會(huì)增加搏讶，從而流向基極b的電流I_b會(huì)減少佳鳖，這就造成偏置電壓降低。
這會(huì)讓偏置并放大后的音頻信號(hào)上下浮動(dòng)媒惕，而且可能造成"削頂"失真系吩。

要解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要改良放大電路妒蔚，為分壓式偏置共射極放大電路穿挨，如下圖。

分壓式偏置共射極放大電路

我們添加了電阻R_b2和電阻R_e來(lái)平衡偏置電壓肴盏。
偏置電阻R_b1和R_b2把電源電壓V_cc按電阻比例穩(wěn)定的分為兩部分科盛，輸入三極管VT基極b(閥門(mén)端)的電壓V_b也由偏置電阻R_b1和R_b2的分壓值決定，所以V_b是穩(wěn)定的菜皂。
此時(shí)贞绵，如果三極管VT溫度上升，通過(guò)集電極c與發(fā)射極e之間的電流I_ce會(huì)增加恍飘，那么電阻R_e的電壓V_e也會(huì)上升榨崩，三極管VT的基極b和發(fā)射極e之間的壓降就下降了谴垫，所以流入三極管基極b的電流I_b也降低了，從而降低了偏置電壓母蛛，使偏置電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)翩剪。

計(jì)算各電阻的值

三極管VT的基極b的電壓V_b為

V_b = (R_b2 / (R_b1 + R_b2)) * V~cc

三極管VT的發(fā)射極b的電流I_e為

I_e = (V_b - V_be) / R_e

三極管VT的集電極c與發(fā)射極e之間壓降V_ce為

V_ce = V_cc - I_c * (R_c + R_e) ≈ V_cc - I_e * (R_c + R_e)

[未完，但要不要待續(xù)咧~←_←]

運(yùn)算放大器

又有新東西了

運(yùn)放輸入阻抗高彩郊，輸出阻抗低前弯，放大倍數(shù)高，做ADC的信號(hào)匹配再合適不過(guò)了~

如果使用運(yùn)放來(lái)適配ADC采集交流電信號(hào)焦辅，做到如下兩級(jí)就通常就足夠了:

加法器 → 反向放大器

• 加法器博杖，用于把交流信號(hào)偏置到正電壓上，進(jìn)入ADC的電壓采集范圍
• 反向放大器筷登，把交流電信號(hào)適配到ADC的最大量程上剃根，提高ADC采集的分辨率