第十一章AD轉(zhuǎn)換

第十一章AD轉(zhuǎn)換211.1A/D轉(zhuǎn)換器原理模擬信號(hào)：在時(shí)間上和數(shù)值上連續(xù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)：在時(shí)間上和數(shù)值上不連續(xù)的（即離散的）信號(hào)。uu模擬信號(hào)波形數(shù)字信號(hào)波形ttA/D轉(zhuǎn)換器的基本原理1、模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)A/D變換模數(shù)轉(zhuǎn)換則是將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換功能的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。2、模數(shù)轉(zhuǎn)換概述典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

模擬電子開(kāi)關(guān)S在采樣脈沖CLKS的控制下重復(fù)接通、斷開(kāi)的過(guò)程。S接通時(shí)，ui(t)對(duì)C充電，為采樣過(guò)程；S斷開(kāi)時(shí)，C上的電壓保持不變，為保持過(guò)程。在保持過(guò)程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。3、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理顯然，模數(shù)轉(zhuǎn)換一般要分采樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟進(jìn)行。A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理s(t)t

采樣是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性地抽取樣值的過(guò)程，就是把隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上斷續(xù)、在幅度上等于采樣時(shí)間內(nèi)模擬信號(hào)大小的一串脈沖。1)采樣、保持utts(t)ttstws(t)t采樣電路示意圖采樣信號(hào)采樣

脈沖輸入模擬信號(hào)采樣保持信號(hào)

采樣脈沖的頻率fs(1/Ts)越高，采樣越密，采樣值就越多，其取樣信號(hào)vs的包絡(luò)線就越接近于輸入模擬信號(hào)的波形。

采樣定理：為了能不失真地恢復(fù)原模擬信號(hào)，采樣頻率應(yīng)不小于輸人模擬信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍，即fs≥2fimax。A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理2）采樣-保持電路

由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在每次采樣結(jié)束后，應(yīng)保持采樣電壓值在一段時(shí)間內(nèi)不變，直到下一次采樣開(kāi)始。這就要在采樣后加上保持電路，實(shí)際采樣-保持是做成一個(gè)電路。

量化、編碼電路也要由取樣脈沖S(t)控制，使它分別在

t1-t5時(shí)刻開(kāi)始對(duì)Vo轉(zhuǎn)換，也就是在保持時(shí)間內(nèi)(Ts-tw)內(nèi)完成量化和編碼。A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

經(jīng)過(guò)采樣和保持而抽取的電壓值仍然屬模擬量的范疇，由于任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)最小數(shù)量單位(1LSB)的整數(shù)倍，因此用數(shù)字量表示取樣電壓值時(shí)，先要把其采樣電壓化為最小單位的整數(shù)倍。3）量化和編碼量化：

所取得的最小單位，用△表示，△＝1LSB。量化單位

把量化后的電壓值再轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的代碼，如二進(jìn)制、十進(jìn)制碼等的過(guò)程。編碼：量化編碼A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理(a)采用直接舍去小數(shù)點(diǎn)的方法，最大的量化誤差是△。量化誤差：實(shí)際輸入電壓值與量化值之間的偏差(a)(b)(b)采用直接四舍五入的方法，最大的量化誤差是△/2。A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理電路組成二、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

DAC：數(shù)模轉(zhuǎn)換器，作用是按照不同的輸入數(shù)碼產(chǎn)生一組相應(yīng)的比較電壓UR:

電壓比較器：將輸入的電壓信號(hào)UI與UR進(jìn)行比較，當(dāng)UI≥UR時(shí)，輸出C0＝1(C0’=0)；當(dāng)UI<UR時(shí)，輸出C0＝0(C0’=1)；C0和C0’

分別連接各個(gè)邊沿JK觸發(fā)器的J、K端。4位脈沖發(fā)生器：用它來(lái)產(chǎn)生4各的負(fù)向節(jié)拍脈沖CLK0-CLK3’；用這4個(gè)節(jié)拍脈沖來(lái)控制其他電路完成逐次比較。該發(fā)生器通常由4位環(huán)形計(jì)數(shù)器構(gòu)成。JK觸發(fā)器：作用是在4個(gè)的負(fù)向節(jié)拍脈沖CP0-CP3’=0的推動(dòng)下，記憶每次比較的結(jié)果，并向DAC提供輸入數(shù)碼。3D存儲(chǔ)器：作用是在節(jié)拍脈沖的觸發(fā)下，記憶最后的比較結(jié)果，并行輸出二進(jìn)制代碼。d2d0d1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理工作原理DAC輸出的比較電壓d2d0d1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理逐次逼近型ADCA/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

相對(duì)精度是指A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來(lái)表示。如相對(duì)精度不大于(1/2)LSB，就說(shuō)明實(shí)際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量的最大誤差不超過(guò)(1/2)LSB。三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1、分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－8＝20mV；而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－12。2、相對(duì)精度A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

轉(zhuǎn)換速度是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號(hào)所經(jīng)過(guò)的這段時(shí)間。3、轉(zhuǎn)換速度A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理A/D轉(zhuǎn)換器的主要類型（1）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、速度慢。（2）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快、分辨率高、抗干擾能力差。A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理2.0~5V輸入信號(hào)用8位AD采集，其1LSB代表多少電壓值？轉(zhuǎn)換后表示的數(shù)據(jù)范圍是0x00~

。1.模數(shù)轉(zhuǎn)換有哪幾個(gè)步驟?輸入信號(hào)用10位AD采集，其1LSB為多少電壓值？轉(zhuǎn)換后表示的數(shù)據(jù)范圍是多少?練習(xí)A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理17

11.2S3C2410XA/D轉(zhuǎn)換器具有8通道模擬輸入的10位CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC在2.5MHz的A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘下，最大轉(zhuǎn)化速率可達(dá)到500KSPS（每秒采樣500千次）。11.2.1A/D轉(zhuǎn)換器概述S3C2410XADC控制器接口框圖19

采用近似比較算法（計(jì)數(shù)式）的8路10位A/D，集成零比較器，內(nèi)部產(chǎn)生比較時(shí)鐘信號(hào)；支持軟件使能休眠模式，以減少電源損耗。其主要特性如下： （1）精度（Resolution）：10-bit。 （2）微分線性誤差（DifferentialLinearityError）：。 （3）積分線性誤差（IntegralLinearityError）：。 （4）最大轉(zhuǎn)換速率（MaximumConversionRate）：500KSPS。 （5）輸入電壓（InputVoltageRange）：。 （6）片上采樣保持電路。 （7）正常模式。 （8）單獨(dú)X，Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模式。 （9）自動(dòng)X，Y坐標(biāo)順序轉(zhuǎn)換模式。（10）等待中斷模式。11.2.1A/D轉(zhuǎn)換器概述20

11.2.2A/D控制器寄存器（1）寄存器組：A/D控制寄存器ADCCON、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器ADCDAT（2）A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時(shí)間計(jì)算。 例，PCLK為50MHz，PRESCALER

=

49；所有10位轉(zhuǎn)換時(shí)間為

50MHz

/

(49

+

1)

=

1MHz

轉(zhuǎn)換時(shí)間為1/(1M/5cycles)

=

5us注意：完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要5個(gè)時(shí)鐘周期。A/D轉(zhuǎn)換器的最大工作時(shí)鐘為，所以最大的采樣率可以達(dá)到500kbit/s。S3C2410的3個(gè)ADC電位器對(duì)應(yīng)AIN0-2，觸摸屏電路使用AIN5和AIN7。另外AIN3、4、6用4芯排針座引出，供用戶接入其他模擬信號(hào)之用。ADC電路的參考電壓VREF固定為3.3V電壓，輸入電壓范圍是0到。S3C2410AA/D寄存器RegisterAddressR/WDescriptionRstValueADCCON0x58000000R/WADC控制寄存器0x3FC4ADCTSC0x58000004R/W觸摸屏控制寄存器0x058ADCDLY0x58000008R/WADC起始延遲寄存器0x00FFADCDAT00x5800000CRADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)0寄存器-ADCDAT10x58000010RADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)1寄存器-A/D轉(zhuǎn)換控制寄存器負(fù)責(zé)對(duì)S3C2410內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以完成需要的功能。A/D轉(zhuǎn)換控制寄存器地址為0x58000000，復(fù)位值默認(rèn)0x3FC4。寄存器地址讀/寫描述復(fù)位值A(chǔ)DCCON0x58000000讀/寫ADC控制寄存器0x3FC4A/D轉(zhuǎn)換控制寄存器S3C2410AA/D寄存器ECFLG---轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志(只讀)0：轉(zhuǎn)換操作中1：轉(zhuǎn)換結(jié)束PRSCEN---轉(zhuǎn)換器預(yù)分頻器使能0：停止預(yù)分頻器；1：使能預(yù)分頻器PRSCVL---轉(zhuǎn)換器預(yù)分頻器數(shù)值N范圍：1~255SEL_MUX---模擬輸入通道選擇000~111：AIN0~AIN7STDBM---備用模式設(shè)置

0：正常工作模式；1：備用模式，不做A/D轉(zhuǎn)換READ_START---通過(guò)讀取啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

0：停止通過(guò)讀取啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；1：使能通過(guò)讀取啟動(dòng)轉(zhuǎn)換ENABLE_START---啟動(dòng)轉(zhuǎn)換(若READ_START為1，則該位無(wú)效) 0：無(wú)效； 1：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換(啟動(dòng)后被清0)151413…65…3210ECFLGPRSCENPRSCVLSEL_MUXSTDBMREAD_STARTENABLE_STARTADCCON---ADC控制寄存器ADC控制寄存器(ADCCON)(R/W)ADCCON符號(hào)位描述初始狀態(tài)ECFLG[15]A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志(只讀)。0：A/D轉(zhuǎn)換中；1：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束0PRSCEN[14]A/D轉(zhuǎn)換器前置分頻器使能控制。0：禁止；1：使能0PRSCVL[13:6]A/D轉(zhuǎn)換器前置分頻器數(shù)值設(shè)置，數(shù)值取值范圍：1～255。注意：當(dāng)前置分頻器數(shù)值為N時(shí)，分頻數(shù)值為N＋1。0xFFSEL_MUX[5:3]模擬輸入通道選擇。000：AIN0；001：AIN1；010：AIN2；011：AIN3；100：AIN4；101：AIN5；110：AIN6；111：AIN70A/D轉(zhuǎn)換率=PCLK/(PRSCVL+1)S3C2410AA/D寄存器A/D采樣的時(shí)鐘頻率由A/D采樣預(yù)分頻PRSCVL決定。假設(shè)CPU主時(shí)鐘頻率為50MHz，ADCPSR設(shè)置值為49，完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要至少5個(gè)時(shí)鐘周期，那么采樣頻率為：

f=50MHz/(49+1)=1MHz

轉(zhuǎn)換時(shí)間=1/(1MHz/5cycles)=5μsA/D采樣的頻率S3C2410AA/D寄存器A/D控制寄存器的bit[0]置1可以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，該位會(huì)被自動(dòng)清除。同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)還需要指定轉(zhuǎn)換通道，人們通過(guò)設(shè)置控制寄存器的bit[5:3]來(lái)完成8個(gè)通道的選擇。例如，下面的代碼完成通道2的選擇：

rADCCON=0x1|(0x2<<3);2.啟動(dòng)采樣S3C2410AA/D寄存器當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，可以通過(guò)讀取A/D數(shù)據(jù)寄存器(ADCDAT)的值獲取轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過(guò)檢查A/D控制轉(zhuǎn)換器ECFLG位(bit[15])的值，可以確定A/D轉(zhuǎn)換是否完成，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后就可以從數(shù)據(jù)寄存器讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。3．取得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果S3C2410AA/D寄存器ADC觸摸屏控制寄存器(ADCTSC)(R/W)ADCTSC符號(hào)位描述初始狀態(tài)Reserved[8]保留位0YM_SEN[7]選擇YMON的輸出值。

0：YMON輸出0(YM=高阻)1：YMON輸出1(YM=GND)0YP_SEN[6]選擇nYPON的輸出值。

0：nYPON輸出0(YP=外部電壓)1：nYPON輸出1(YP連接到AIN[5])1XM_SEN[5]選擇XMON的輸出值。

0：XMON輸出0(XM=高阻)1：XMON輸出1(XM=GND)0S3C2410AA/D寄存器XP_SEN[4]選擇nXPON的輸出值。

0：nXPON輸出0(XP=外部電壓)1：nXPON輸出1(XP連接AIN[7])0PULL_UP[3]上拉開(kāi)關(guān)使能。

0：XP上拉使能；1：XP上拉禁止1AUTO_PST[2]X位置和Y位置自動(dòng)順序轉(zhuǎn)換。

0：正常ADC轉(zhuǎn)換模式

1：自動(dòng)順序X/Y位置轉(zhuǎn)換模式0XY_PST[1:0]X位置或Y位置的手動(dòng)測(cè)量。

00：無(wú)操作模式；01：X位置測(cè)量

10：Y位置測(cè)量；11：等待中斷模式0ADC觸摸屏控制寄存器(ADCTSC)(R/W)S3C2410AA/D寄存器ADCDLY符號(hào)位描述DELAY[15:0](1)在正常轉(zhuǎn)換模式、分開(kāi)的X/Y位置轉(zhuǎn)換模式和X/Y位置自動(dòng)(順序)轉(zhuǎn)換模式的X/Y位置轉(zhuǎn)換延時(shí)值。(2)在等待中斷模式：當(dāng)在此模式按下觸筆時(shí)，這個(gè)寄存器在幾ms時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生用于進(jìn)行X/Y方向自動(dòng)轉(zhuǎn)換的中斷信號(hào)(INT_TC)。注意：不能使用零位值(0x0000)ADC啟動(dòng)延時(shí)寄存器(ADCDLY)(R/W)S3C2410AA/D寄存器S3C2410A有ADCDAT0和ADCDAT1兩個(gè)ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器。ADCDAT0和ADCDAT1為只讀寄存器，地址分別為0x5800000C和0x58000010。在觸摸屏應(yīng)用中，分別使用ADCDAT0和ADCDAT1保存X位置和Y位置的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。對(duì)于正常的A/D轉(zhuǎn)換，只用ADCDAT0來(lái)保存轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。ADCDAT0和ADCDAT1S3C2410AA/D寄存器A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器寄存器地址R/W描述復(fù)位值A(chǔ)DCDAT00x5800000CRADC數(shù)據(jù)寄存器ADCDAT0位描述初始值XPDATA[9:0]X轉(zhuǎn)換結(jié)果S3C2410AA/D寄存器ADCDAT0的位功能ADCDAT0位名位描述UPDOWN[15]在等待中斷模式時(shí)，觸筆的狀態(tài)為上還是下。0：觸筆為下?tīng)顟B(tài)；1：觸筆為上狀態(tài)AUTO_PST[14]X位置和Y位置的自動(dòng)順序轉(zhuǎn)換。0：正常A/D轉(zhuǎn)換；1：X/Y位置自動(dòng)順序測(cè)量XY_PST[13:12]手動(dòng)測(cè)量X位置或Y位置。00：無(wú)操作模式；01：X位置測(cè)量10：Y位置測(cè)量；11：等待中斷模式Reserved[11:10]保留XPDATA(正常ADC)[9:0]X位置的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值(包括正常A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)值)。取值范圍：0～3FFS3C2410AA/D寄存器ADCDAT1的位功能描述ADCDAT1位名位描述[15:10]與ADCDAT0的位功能相同YPDATA(正常ADC)[9:0]Y位置的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值。取值范圍：0～3FFS3C2410AA/D寄存器1.要使ARMS3C2410的A/D轉(zhuǎn)換器正常啟動(dòng)，預(yù)分頻因子取50，應(yīng)向ADCCON寫入什么控制字？01001100010000012.要啟動(dòng)ARMS3C2410的A/D轉(zhuǎn)換器讀第2號(hào)通道數(shù)據(jù)（預(yù)分頻因子取16），應(yīng)向ADCCON寫入什么控制字？0100001111010011練習(xí)S3C2410AA/D寄存器

1.設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘頻率A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘頻率取決于ADCCON寄存器的PRSCVL的值，PRSCVL的值可計(jì)算如下：

PRSCVL=PCLK/freq-1；2.啟動(dòng)轉(zhuǎn)換：

rADCCON=0x01;

3，檢查轉(zhuǎn)換是否結(jié)束？

While(rADCCON&0x8000)；4，啟動(dòng)讀允許功能：

rADCCON=0x02；5，讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)：

(Unsignedint)i=rADCDAT0&0x3ffA/D轉(zhuǎn)換控制步驟S