Cortex-M3學習日志（六）-- ADC實驗

1、積分型ADC（如TLC7135）

積分型ADC工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。

2、逐次比較型ADC（如TLC0831）

逐次比較型AD由一個比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在分辨率較低（<12位）時價格便宜，但高精度（>12位）時價格很高。

3、并行比較型/串并行比較型ADC（如TLC5510）

并行比較型AD采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉(zhuǎn)換，又稱Flash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領域。

串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實行轉(zhuǎn)換，所以稱為Half flash(半快速)型。還有分成三步或更多步實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉(zhuǎn)換時序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現(xiàn)代的分級型AD中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。

4、Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)調(diào)制型ADC（如AD7705）

Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。

5、電容陣列逐次比較型ADC

電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。

6、壓頻變換型ADC（如AD650）

壓頻變換型（Voltage-Frequency Converter）是通過間接轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辨率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。

DAC的內(nèi)部電路構(gòu)成無太大差異,一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運算等進行分類。大多數(shù)DAC由電阻陣列和多個電流開關(或電壓開關)構(gòu)成。按數(shù)字輸入值切換開關,產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。此外,也有為了改善精度而把恒流源放入器件內(nèi)部的。DAC分為電壓型和電流型兩大類,電壓型DAC有權(quán)電阻網(wǎng)絡、T型電阻網(wǎng)絡和樹形開關網(wǎng)絡等;電流型DAC有權(quán)電流型電阻網(wǎng)絡和倒T型電阻網(wǎng)絡等。

1電壓輸出型(如TLC5620)。電壓輸出型DAC雖有直接從電阻陣列輸出電壓的,但一般采用內(nèi)置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負載,由于無輸出放大器部分的延遲,故常作為高速DAC使用。

2電流輸出型(如THS5661A )。電流輸出型DAC很少直接利用電流輸出,大多外接電流-電壓轉(zhuǎn)換電路得到電壓輸出,后者有兩種方法:一是只在輸出引腳上接負載電阻而進行電流-電壓轉(zhuǎn)換,二是外接運算放大器。

3乘算型(如AD7533)。DAC中有使用恒定基準電壓的,也有在基準電壓輸入上加交流信號的,后者由于能得到數(shù)字輸入和基準電壓輸入相乘的結(jié)果而輸出,因而稱為乘算型DAC。乘算型DAC一般不僅可以進行乘法運算,而且可以作為使輸入信號數(shù)字化地衰減的衰減器及對輸入信號進行調(diào)制的調(diào)制器使用。

4一位DAC。一位DAC與前述轉(zhuǎn)換方式全然不同,它將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制或頻率調(diào)制的輸出,然后用數(shù)字濾波器作平均化而得到一般的電壓輸出,用于音頻等場合。

選用ADC時要注意這幾個參數(shù)：取樣與保持時間、量化與編碼方式、分辨率、轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換時間、絕對精準度、相對精準度等。

1、取樣與保持

由于取樣時間極短，取樣輸出為一串斷續(xù)的窄脈沖。要把每個取樣的窄脈沖信號數(shù)字化，是需要一定的時間。因此在兩次取樣之間，應將取樣的模擬信號暫時儲存到下個取樣脈沖到來，這個動作稱之為保持。在模擬電路設計上，因此需要增加一個取樣-保持電路。為了保證有正確轉(zhuǎn)換，模擬電路要保留著還未轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。一個取樣-保持電路可保證模擬電路中取樣時，取樣時間的穩(wěn)定并儲存，通常使用電容組件來儲存電荷。根據(jù)數(shù)字信號處理的基本原理，奈奎斯特（Nyquist）取樣定理（懶貓記得這個定理應該是在《信號與線性系統(tǒng)》這本課上學的^_^），若要能正確且忠實地呈現(xiàn)所擷取的模擬信號，必須取樣頻率至少高于最大頻率的2倍。例如，若是輸入一個100Hz的正弦波的話，最小的取樣頻率至少要2倍，即是200Hz。雖說理論值是如此，但真正在應用時，最好是接近10倍才會有不錯的還原效果(因取樣點越多)。若針對多信道的A/D轉(zhuǎn)換器來說，就必須乘上信道數(shù)，這樣平均下去，每一個通道才不會有失真的情況產(chǎn)生。

2、量化與編碼

量化與編碼電路是A/D轉(zhuǎn)換器的核心組成的部分，一般對取樣值的量化方式有下列兩種：

（1）只舍去不進位

首先取一最小量化單位Δ=U/2n，U是輸入模擬電壓的最大值，n是輸出數(shù)字數(shù)值的位數(shù)。當輸入模擬電壓U在0~Δ之間，則歸入0Δ，當U在Δ~2Δ之間，則歸入1Δ。透過這樣的量化方法產(chǎn)生的最大量化誤差為Δ/2，而且量化誤差總是為正，+1/2LSB。

（2）有舍去有進位

如果量化單位Δ=2U/(2 n+1–1)，當輸入電壓U在0～Δ/2之間，歸入0Δ，當U在Δ/2~3/2Δ之間的話，就要歸入1Δ。這種量化方法產(chǎn)生的最大量化誤差為Δ/2，而且量化誤差有正，有負，為±1/2LSB。量化結(jié)果也造成了所謂的量化誤差。

3、解析度

指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小模擬輸入量。通常用轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8-bit，10-bit，12-bit與16-bit等。位數(shù)越高，分辨率越高。若小于最小變化量的輸入模擬電壓的任何變化，將不會引起輸出數(shù)字值的變化。采用12-bit的AD574，若是滿刻度為10V的話，分辨率即為10V / 212 = 2.44mV。而常用的8-bit的ADC0804，若是滿刻度為5V的話，分辨率即為5V / 28 = 19.53mV。選擇適用的A/D轉(zhuǎn)換器是相當重要的，并不是分辨率越高越好。不需要分辨率高的場合，所擷取到的大多是噪聲。分辨率太低，會有無法取樣到所需的信號。

4、轉(zhuǎn)換誤差

通常以相對誤差的形式輸出，其表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出數(shù)字值與理想輸出數(shù)字值的差別，并用最低有效位LSB的倍數(shù)表示。

5、轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換時間是A/D轉(zhuǎn)換完成一次所需的時間。從啟動信號開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出值為止的時間間隔。轉(zhuǎn)換時間越短則轉(zhuǎn)換速度就越快。

6、精準度

對于A/D轉(zhuǎn)換器，精準度指的是在輸出端產(chǎn)生所設定的數(shù)字數(shù)值，其實際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。精確度依計算方式不同，可以區(qū)分為：絕對精確度與相對精確度。所謂的絕對精確度是指實際輸出值與理論輸出值的接近程度，其相關的關系是如下式子所列：

相對精準度指的是滿刻度值校準以后，任意數(shù)字輸出所對應的實際模擬輸入值(中間值)與理論值(中間值)之差。對于線性A/D轉(zhuǎn)換器，相對精準度就是它的線性程度。由于電路制作上影響，會產(chǎn)生像是非線性誤差，或是量化誤差等減低相對精準度的因素。相對精確度是指實際輸出值與理想理論滿刻輸出值之接近程度，其相關的關系是如下式子所列：

基本上，一個n-bit的轉(zhuǎn)換器就有n個數(shù)字輸出位。這種所產(chǎn)生的位數(shù)值是等效于在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端的模擬大小特性值。如果外部所要輸入電壓或是電流量較大的話，所轉(zhuǎn)換后的的位數(shù)值也就較大。透過并列端口接口或是微處理機連接A/D轉(zhuǎn)換器時，必須了解如何去控制或是驅(qū)動這顆A/D轉(zhuǎn)換器的問題。因此需要了解到A/D轉(zhuǎn)換器上的控制信號有哪些。

懶貓為了總結(jié)學過的東東，翻箱倒塌柜，終于找到了大學的課本，又在大學城的圖書包管里面坐了幾個小時，當然了懶貓不也在網(wǎng)上轉(zhuǎn)了N久，所以呢，以上知識大部分來源網(wǎng)絡，懶貓囫圇吞棗的咽進了肚里，但大部分也開始消化了，嘻嘻……好了，這ADC有知識先暫時總結(jié)到這，下面說一說這次實驗的思路（是思路不是絲路^_^）及電路圖，并簡單的總結(jié)一下LPC1768內(nèi)部集成的ADC。

LPC1768內(nèi)部集成的是12位主次逼近式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有8個通道，它的基本時鐘由APB時鐘提供，它還包含一個可編程的分頻器，可以將APB時鐘調(diào)整為主次逼近轉(zhuǎn)換所需的時鐘（最大可達13MHz）。與ADC相關的引腳配置包括功能配置也即配置引腳功能選擇寄存器PINSEL，一般ADC是第二功能，這次實驗的電路連接的是ADC0.2通道所以要把P0.25配置成ADC功能，即PINCON->PINSEL1 |= (1<<18);。還要把電源參考引腳連接上參考電源一般是接3V或與VCC電壓相等。與ADC相關的寄存器包括：

1、外圍器接口電源管理寄存器PCONP，要把這個寄存器的第12位即PCADC位置位，這一位是ADC的電源控制與時鐘控制位。

2、A/D控制寄存器ADCR，主要是控制ADC轉(zhuǎn)換的一些操作如通道選擇，工作模式選擇等等，AD轉(zhuǎn)換開始前，必須設置ADCR寄存器來選擇工作模式。

3、A/D全局數(shù)據(jù)寄存器ADGDR，它包含最近一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

4、A/D中斷使能寄存器ADINTEN，如果使用轉(zhuǎn)換完中斷時，需要配置此寄存器，它包含的使能位控制每一個A/D通道的DONE標記是否用來產(chǎn)生中斷。

5、A/D通道n數(shù)據(jù)寄存器ADDRn，共有8個，它包含在通道n上完成的最近一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。

6、A/D狀態(tài)寄存器AD0STAT，它包含所有A/D通道的DONE標志和OVERRUN標志，以及A/D中斷標志。

關于這幾個寄存器的各位代表是什么意思，如何設置，這里就不總結(jié)了，芯片的數(shù)據(jù)手冊上寫的很清楚，如果你覺得看英文不舒服可以參考一下周公那公司翻譯的中文版，應該對初學者有所幫助。下面說一下這次實驗的電路圖：

圖1-1電位器分壓電路圖

實驗電路很簡單，就是一個電位器來分壓，然后由AD轉(zhuǎn)換器的通道2來采樣電壓，然后再把采集到的電壓通過串口0發(fā)送的到串口以便觀察采樣的電壓值，好了，電路這塊就不多費口舌了，留點筆墨說一下程序吧，下面先貼出ADC的源代碼：

一、AdcFunc.c源代碼（主要就是與ADC相關的一些函數(shù)）

#include"adc.h"

void AdcInit(void)

{

SC->PCONP |= (1 << 12);

PINCON->PINSEL1 |= (1<<18);

ADC -> ADCR |= ( 1 << 2 )

|( ( 18000000 / ADC_CLK - 1 ) << 8 )

|( 0 << 16 )

|( 1 << 21 )

|( 1 << 24)

|( 0 << 27) ;

}

unsigned int AdcConver(void)

{

unsigned int i = 0;

unsigned long ulADCbuf = 0;

unsigned intulADCData = 0;

for(i=0;i

{

ADC -> ADCR |= 1 << 24;

while (!(ADC ->ADSTAT & (1 << 2)));

ADC -> ADCR |= (1 <<24);

while ((ADC ->ADSTAT & (1 << 2)) == 0);

ulADCbuf= ADC ->ADDR2;

ulADCbuf= (ulADCbuf >> 4) & 0xfff;

ulADCData += (unsigned int)ulADCbuf;

}

//ADC -> ADCR &= ~(1<<21)&(~(1<<24));

ulADCData = (ulADCData/ADC_CNT);

ulADCData = (ulADCData*3300)/4096;

returnulADCData;

}

這個源代碼，主要就是ADC初始化與ADC采樣程序，程序中我已將用到的寄存器都注釋了，對于初學者來說應該不是太難了，下面貼出主程序的部分代碼：

二、mian.c（主要調(diào)度函數(shù)及應用函數(shù)）

void AdcDisVal(void)

{

unsigned int adcval = 0;

unsigned int hh = 0;

unsigned int hi = 0;

unsigned int ll = 0;

unsigned int lo = 0;

adcval = AdcConver();

if(adcval != AdcValOld)

{

if(((adcval+1)!=AdcValOld)&&((adcval+2)!=AdcValOld)&&((adcval+3)!=AdcValOld))

{

if(((adcval-1)!=AdcValOld)&&((adcval-2)!=AdcValOld)&&((adcval-3)!=AdcValOld))

{

hh = adcval/1000;

hi = adcval00/100;

ll = adcval0/10;

lo = adcval;

AdcVal[38] = (unsigned char)hh + 0x30;

AdcVal[40] = (unsigned char)hi + 0x30;

AdcVal[41] = (unsigned char)ll + 0x30;

AdcVal[42] = (unsigned char)lo + 0x30;

UARTSend(0,AdcVal,50);

AdcValOld =adcval;

}

}

}

}

下面是程序執(zhí)行結(jié)果：

圖1-2程序執(zhí)行結(jié)果

這只是部分代碼，詳細的源代碼請參考附件。這段代碼是將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符發(fā)送到串口顯示，里面沒有什么復雜的計算，都是爛大街的程序，因為懶貓也不是什么高手，也說不出什么高深的理論，只能總結(jié)點簡單的東西，希望這些簡單的實驗能起到拋磚引玉的作用，讓初學者盡快能邁入單片機這扇門，萬事開頭難，徘徊在門口的感覺最不好愛，懶貓也曾彷徨過，也曾無奈過，也曾痛苦過，也曾抱怨過，但道路雖然崎嶇，只要你堅持就能爬到山頂。懶貓深知很多人面對電子有著莫大的興趣，但卻無從下手，沒有高手指導，沒有教材參考，這種感覺實在不好愛，所以懶貓有空便會寫下自己的學習日志，盡量簡單，盡量詳細，俗話說師傅引進門，修行靠個人，當你熬過陣痛，跨進電子這扇門之后，剩下的事就是發(fā)揮你的聰明才智，努力的創(chuàng)造奇妙的未來！還是那句老話，學無難易，貴在堅持！

好了，今天先總結(jié)到這吧，最近手頭上的事有點多，所以自學的時間有點緊，學習的事推了又推，但不管怎樣，懶貓依然是懶貓，懶貓依然會堅持最初的夢想，一直努力的走下去……