常用ADC種類及工作原理

常用ADC種類及工作原理1、理解模擬信號&數(shù)字信號在開發(fā)中，信號中最常關(guān)注的是模擬信號和數(shù)字信號，這兩者之間也是可以互相轉(zhuǎn)換的。所以需要理解模擬信號和數(shù)字信號的區(qū)別。1)模擬信號：模擬信號是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號。也可以理解為在一段連續(xù)的時間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值(變動的)的信號。像那些電壓/電流與聲音這些都是模擬信號。2)數(shù)字信號：數(shù)字信號指信號幅度的取值是離散的，幅值范圍被限制在有限個數(shù)值之內(nèi)。比如，二進(jìn)制就是一種數(shù)字信號。大多數(shù)情況下，二進(jìn)制碼受噪聲的影響小，易于由數(shù)字電路進(jìn)行處理，所以現(xiàn)在也是被廣泛的應(yīng)用在很多的產(chǎn)品和領(lǐng)域中。2、ADC&DACADC英文名稱-Analog-to-DigitalConverter(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，從字面理解，A稱為模擬信號(Analogsignal)，D稱為數(shù)字信號(digitalsignal)。A/D轉(zhuǎn)換器也就是把模擬信號(A)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(D)的器件。DAC英文名稱-Digital-to-AnalogConverter(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)，D/A轉(zhuǎn)換器剛好與A/D功能相反，它是把數(shù)字信號(D)轉(zhuǎn)換為模擬信號(A)。3、常用ADC種類介紹A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的發(fā)展有較長的歷史了，經(jīng)歷了多次的技術(shù)革新和改進(jìn)，目前常見的模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(A/D、D/A)有：1.逐次逼近型2.積分型ADC3.壓頻變換型ADC說明：逐次逼近型、積分型、壓頻變換型等，主要應(yīng)用于中速或較低速、中等精度的數(shù)據(jù)采集和智能儀器中。1.流水線型ADC說明：流水線型ADC主要應(yīng)用于高速情況下的瞬態(tài)信號處理、快速波形存儲與記錄等領(lǐng)域。1.∑-Δ型ADC說明：∑-Δ型ADC主應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集特別是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領(lǐng)域。此外還有：1.并行比較A/D轉(zhuǎn)換器這些轉(zhuǎn)換器各有其優(yōu)缺點(diǎn)，不同的應(yīng)用場合需要根據(jù)實(shí)際的使用情況進(jìn)行選擇，基本各種應(yīng)用場合都有滿足條件的ADC可選擇使用。4、ADC的工作原理在芯片內(nèi)，模擬信號傳輸進(jìn)去的時候，通過和芯片內(nèi)部的模擬信號部件進(jìn)行比對之后，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號保存到數(shù)字信號寄存器中，從而把一段模擬信號用數(shù)字的方式表達(dá)出來(0和1)的方式表達(dá)出來。以逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換為例。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理框圖可以表示如下：上圖中，Ui為需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的模擬量，Uo為AD比較器的輸出電壓，通過AD轉(zhuǎn)換器的逐漸比較不斷的逼近Ui，最終得到一個與Ui匹配的數(shù)字值。(注意：AD轉(zhuǎn)換一般都是需要一個參考電壓Vrf的)為了更好的說明逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換的大致原理，舉個例子說明一下：逐次逼近轉(zhuǎn)換過程可以用天平稱物重進(jìn)行比擬。假如一開始我們并不能知道物體的重量，用天平稱量這個重物過程時，我們可以先從最重的砝碼開始試放，與被稱物體行進(jìn)比較，若物體重于砝碼，則該砝碼保留，否則移去。再加上第二個次重的砝碼，由物體的重量是否大于砝碼的重量決定第二個砝碼是留下還是移去，就是這樣反復(fù)多次的比較，最終得出物體的重量。總而言之，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，就是將輸入模擬信號與不同的參考電壓作多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。所以上面的框圖就可以詳細(xì)理解為：1)轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。2)開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個數(shù)被數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓Uo，送到比較器中與Ui進(jìn)行比較。若Uo>Ui，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除;若Uo3)反復(fù)如此，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應(yīng)該保留。4)最終就可以得到一個逼近Ui的數(shù)值。因此，逐次逼近型ADC的工作流程，可以總結(jié)為：(1)采樣(2)保持(3)量化5、STM32的ADC的介紹目前市場上流行的單片機(jī)幾乎都有ADC功能，精度有高有低，使用的較多的，當(dāng)屬STM32了。下面以STM32F1為例。STM32F1的ADC是12位的逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的AD的基本特點(diǎn):5.1、STM32F1的ADC開關(guān)控制通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的ADON位可給ADC上電。當(dāng)?shù)谝淮卧O(shè)置ADON位時，它將ADC從斷電狀態(tài)下喚醒。ADC上電延遲一段時間后(tSTAB)，再次設(shè)置ADON位時開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過清除ADON位可以停止轉(zhuǎn)換，并將ADC置于斷電模式。在這個模式中，ADC幾乎不耗電(僅幾個μA)。5.2、STM32F1的ADC時鐘由時鐘控制器提供的ADCCLK時鐘和PCLK2(APB2時鐘)同步。RCC控制器為ADC時鐘提供一個專用的可編程預(yù)分頻器。5.3、STM32F1的ADC通道有16個多路通道?？梢园艳D(zhuǎn)換組織成兩組：規(guī)則組和注入組。在任意多個通道上以任意順序進(jìn)行的一系列轉(zhuǎn)換構(gòu)成成組轉(zhuǎn)換。例如，可以如下順序完成轉(zhuǎn)換：通道3、通道8、通道2、通道2、通道0、通道2、通道2、通道15。如果ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在轉(zhuǎn)換期間被更改，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換被清除，一個新的啟動脈沖將發(fā)送到ADC以轉(zhuǎn)換新選擇的組。5.4、ADC轉(zhuǎn)換模式1)單次轉(zhuǎn)換模式下，ADC只執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換。該模式既可通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的ADON位(只適用于規(guī)則通道)啟動也可通過外部觸發(fā)啟動(適用于規(guī)則通道或注入通道)，這時CONT位為0。2)在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式中，當(dāng)前面ADC轉(zhuǎn)換一結(jié)束馬上就啟動另一次轉(zhuǎn)換。此模式可通過外部觸發(fā)啟動或通過設(shè)置ADC_CR2寄存器上的ADON位啟動，此時CONT位是1。5.5、ADC校準(zhǔn)ADC有一個內(nèi)置自校準(zhǔn)模式。校準(zhǔn)可大幅減小因內(nèi)部電容器組的變化而造成的準(zhǔn)精度誤差。在校準(zhǔn)期間，在每個電容器上都會計算出一個誤差修正碼(數(shù)字值)，這個碼用于消除在隨后的轉(zhuǎn)換中每個電容器上產(chǎn)生的誤差。通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的CAL位啟動校準(zhǔn)。一旦校準(zhǔn)結(jié)束，CAL位被硬件復(fù)位，可以開始正常轉(zhuǎn)換。建議在上電時執(zhí)行一次ADC校準(zhǔn)。校準(zhǔn)階段結(jié)束后，校準(zhǔn)碼儲存在ADC_DR中。注意：1建議在每次上電后執(zhí)行一次校準(zhǔn)。2啟動校準(zhǔn)前，ADC必須處于關(guān)電狀態(tài)(ADON=’0’)超過至少兩個ADC時鐘周期。5.6、ADC通道的采樣時間ADC使用若干個ADC_CLK周期對輸入電壓采樣，采樣周期數(shù)目可以通過