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  • ADC模数转换器工作原理及分类
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    2018-05-18 16:31:16

        前言:最近需要用到ADC测量电压,看手册的第一句就被逐次逼近型ADC[噎住] ( *⊙~⊙)了,想知道是啥原理有啥好处,百度发现这篇文章很好的解答了我的疑问,转载自@阿基米东

        现在的软件、无线电、数字图像采集都需要有高速的A/D采样保证有效性和精度,一般的测控系统也希望在精度上有所突破,人类数字化的浪潮推动了A/D转换器不断变革,而A/D转换器是人类实现数字化的先锋。A/D转换器发展了30多年,经历了多次的技术革新,从并行逐次逼近型积分型ADC,到近年来新发展起来的 ∑-Δ型 和 流水线型ADC,它们各有其优缺点,能满足不同的应用场合的使用。

    ADC的工作原理

      模数转换器即A/D转换器,或简称ADC,通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是把经过与标准量比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的转换器。故任何一个模数转换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最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。

    ADC的分类

      模数转换器的种类很多,按工作原理的不同,可分成间接ADC直接ADC。间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率,然后再把这些中间量转换成数字量,常用的有双积分型ADC。直接ADC则直接转换成数字量,常用的有并联比较型ADC和逐次逼近型ADC。

      并联比较型ADC:采用各量级同时并行比较,各位输出码也是同时并行产生,所以转换速度快。并联比较型ADC的缺点是成本高、功耗大。

      逐次逼近型ADC:它产生一系列比较电压VR,但它是逐个产生比较电压,逐次与输入电压分别比较,以逐渐逼近的方式进行模数转换的。它比并联比较型ADC的转换速度慢,比双分积型ADC要快得多,属于中速ADC器件。

      双积分型ADC:它先对输入采样电压和基准电压进行两次积分,获得与采样电压平均值成正比的时间间隔,同时用计数器对标准时钟脉冲计数。它的优点是抗干扰能力强,稳定性好;主要缺点是转换速度低

    ADC的选型(技术指标)

    • 采样精度 —— 即分辨率,一般有8位、10位、12位、16位等;
    • 转换时间 —— 即每次采样所需的时间,表征 ADC 的转换速度,与 ADC 的时钟频率、采样周期、转换周期有关;
    • 数据输出方式 —— 如并口输出、串口输出;
    • ADC类型 —— 如上面所提到的,ADC 有多种类型,不同类型的 ADC 有不同的性能极限;
    • 工作电压 —— 需要注意 ADC 的工作电压范围、能否直接测量负电压等;
    • 芯片封装 —— 芯片封装是否符合产品设计要求;
    • 性价比 —— 控制成本。
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    自然界有很多天然的模拟信号,例如人的声音大小、速度。而嵌入式处理器或者单片机系统只能处理数字,要想研究人的声音大小、速度,就需要讲这些模拟量转换成数字量。于是,就需要模数转换器、数模转换器。模数转换器、数模转换器充当中间的桥梁,它的质量很重要。

    获得AD数据,换算数据(把采集到的数据跟现实连接起来)

    工作过程

    分辨率:4/2^3=0.5V

    AD就是决定性能的关键

    关键的计算是10010001B=91H=145,145就是我们要分成的份数。这里面的10010001B有量化的误差,而后面的0.0195*145=2.83V中的0.0195不同的AD 也有不同的数值。但是只要这两个误差在项目允许的范围内就没有大问题。

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    ADC:模数转换器,将模拟信号(0v,3v,6v等)转换为表示一定比例电压值的数字信号(1,2,3等)。

    STM32F10x ADC特点

    12位逐次逼近型的模拟数字转换器。
    最多带3个ADC控制器
    最多支持18个通道,可最多测量16个外部和2个内部信号源。
    支持单次和连续转换模式
    转换结束,注入转换结束,和发生模拟看门狗事件时产生中断。
    通道0到通道n的自动扫描模式
    自动校准
    采样间隔可以按通道编程
    规则通道和注入通道均有外部触发选项
    转换结果支持左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器
    ADC转换时间:最小转换时间 1us。(最大转换速度为1MHz,在ADCCLK=14M,采样周期为1.5个ADC时钟下得到。)

    在这里插入图片描述

    ADC供电要求:2.4V-3.6V
    ADC输入范围:VREF-(负参考电压,一般为0v) ≤ VIN(输入电压) ≤ VREF+(正参考电压,一般为3.3v)

    STM32F10x系列芯片ADC通道和引脚对应关系

    在这里插入图片描述
    ADC框图
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    STM32通道组

    规则通道组:相当正常运行的程序,即对通道转换的进行排序,最多16个通道。
    注入通道组:相当于中断,可以打断规则通道组的转换顺序,去转换指定的通道,最多4个通道。
    在这里插入图片描述

    通道转换模式

    单次转换模式:ADC只执行一次转换。
    连续转换模式:当前ADC转换一结束马上启动另一次转换。
    扫描模式:ADC扫描所有被(规则或注入)通道组选中的通道,并在每个通道上进行单次转换。
    在扫描模式下,由ADC_SQRx或者ADC_JSQRx寄存器选中的通道被转换。如果设置了EOCIE或者JEOCIE,即使能中断标志位,则在最后一个通道转换完毕后才会产生EOC或者JEOC中断。

    转换结束会将数据传入对应的寄存器,并将转换结束标志置1,若设置了使能中断标志位,则开启中断。

    ADC中断

    规则组和注入组的每个通道转换结束都会产生中断

    ADC时钟配置

    来自APB2总线时钟的分配

    不要让ADC时钟超过14MHz,否则可能不准。

    ====================================================================

    常用库函数

    void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
    void ADC_DeInit(ADC_TypeDef* ADCx)
    void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
    void ADC_ITConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT, FunctionalState NewState);
    void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
    void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
    uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);

    void ADC_ResetCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
    FlagStatus ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
    void ADC_StartCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
    FlagStatus ADC_GetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

    ADC初始化函数ADC_Init

    void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
    
    typedef struct
    {
      uint32_t ADC_Mode;//ADC模式:配置ADC_CR1寄存器的位[19:16]  :DUALMODE[3:0]位
      FunctionalState ADC_ScanConvMode; //是否使用扫描模式。ADC_CR1位8:SCAN位 
      FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; //单次转换OR连续转换:ADC_CR2的位1:CONT
      uint32_t ADC_ExternalTrigConv;  //触发方式:ADC_CR2的位[19:17] :EXTSEL[2:0]                
      uint32_t ADC_DataAlign;   //对齐方式:左对齐还是右对齐:ADC_CR2的位11:ALIGN         
      uint8_t ADC_NbrOfChannel;//规则通道序列长度:ADC_SQR1的位[23:20]: L[3:0]       
    }ADC_InitTypeDef;
    
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//独立模式ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;	//不开启扫描 
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//单次转换模式
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;//触发软件 
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//ADC数据右对齐
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;//顺序进行规则转换的ADC通道的数目
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);	
    

    ADC使能函数 ADC_Cmd();

    void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
    

    ADC使能软件转换函数 ADC_SoftwareStartConvCmd

    void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx,FunctionalState NewState)
    
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);//使能ADC1的软件转换启动
    

    ADC 规则通道配置函数ADC_RegularChannelConfig

    void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx,uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
    
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 );
    

    ADC 获取转换结果函数ADC_GetConversionValue

    uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);
    
    ADC_GetConversionValue(ADC1);//获取ADC1转换结果
    

    ADC单次转换实现步骤
    1.开启PA口时钟和ADC1时钟,设置PA1为模拟输入。
    GPIO_Init();
    APB2PeriphClockCmd();
    2. 复位ADC1,同时设置ADC1分频因子。
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
    ADC_DeInit(ADC1);
    3. 初始化ADC1参数,设置ADC1的工作模式以及规则序列的相关信息。
    void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
    4. 使能ADC并校准。
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    5. 配置规则通道参数:
    ADC_RegularChannelConfig();
    6.开启软件转换:ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1);
    7.等待转换完成,读取ADC值。
    ADC_GetConversionValue(ADC1);

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  • 模数转换器(ADC)的基本原理模拟信号转换为数字信号,一般分为四个步骤进行,即取样、保持、量化和编码。前两个步骤在取样-保持电路中完成,后两步骤则在ADC中完成。常用的ADC有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型...
    模数转换器(ADC)的基本原理 
    模拟信号转换为数字信号,一般分为四个步骤进行,即取样、保持、量化和编码。前两个步骤在取样-保持电路中完成,后两步骤则在ADC中完成。

    常用的ADC有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ -Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点:

    1 积分型(如TLC7135) 。积分型ADC工作原理是将输入电压转换成时间或频率,然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率,但缺点是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。初期的单片ADC大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。双积分是一种常用的AD 转换技术,具有精度高,抗干扰能力强等优点。但高精度的双积分AD芯片,价格较贵,增加了单片机系统的成本。

    2 逐次逼近型(如TLC0831) 。逐次逼近型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低,在低分辨率( < 12位)时价格便宜,但高精度( > 12位)时价格很高。

    3 并行比较型/串并行比较型(如TLC5510) 。并行比较型AD采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称FLash型。由于转换速率极高, n位的转换需要2n - 1个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频AD 转换器等速度特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由2个n /2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换,所以称为Halfflash型。

    4 Σ-Δ调制型(如AD7701) 。Σ- Δ型ADC以很低的采样分辨率( 1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化,通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率,然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。Σ-Δ型ADC的电路结构是由非常简单的模拟电路和十分复杂的数字信号处理电路构成。

    5 电容阵列逐次比较型。电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式,也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致,在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。

    6 压频变换型(如AD650) 。压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低,但是需要外部计数电路共同完成AD转换。

    数模转换器(DAC)的基本原理 

    DAC的内部电路构成无太大差异,一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。大多数DAC由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成。按数字输入值切换开关,产生比例于输入的电流(或电压) 。此外,也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部的。DAC分为电压型和电流型两大类,电压型DAC有权电阻网络、T型电阻网络和树形开关网络等;电流型DAC有权电流型电阻网络和倒T型电阻网络等。












    本文转自张昺华-sky博客园博客,原文链接:http://www.cnblogs.com/sky-heaven/p/5693057.html,如需转载请自行联系原作者

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模数转换器的基本原理

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