第08章 ADC模数转换详解.pdfVIP

7.12 ADC模数转换实验 本节我们学习 STM32 的ADC 。 7.12.1 名词解释 1.模拟信号：模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续 的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。像那些电压/ 电流与声音这些都是模拟信号。 2.数字信号：数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二 进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到 了广泛的应用。 3. ADC：Analog-to-Digital Converter （模数转换器），从字面上看，A 我们称为模拟信 号（Analog signal ），D 我们称为数字信号（digital signal ），A/D 转换器也就是把模拟信号 转换成数字信号的器件。这里我们顺带了讲一下 DAC，D/A 转换器刚好与 A/D 功能相反，， 它是把数字信号转换为模拟信号。 这一章节，我们学习STM32的ADC 。我们通过ADC 的通道采样电位器上的电压值，通 过串口将电压数据打印出来。 7.12.2 常用ADC种类介绍 现在的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，经历了多次的技术革新，目前常见的模数转换器 （ADC ）有： 1．逐次逼近型 2．积分型ADC 3．并行比较A/D 转换器 4 ．压频变换型ADC 5．∑-Δ型 ADC 6．流水线型ADC 这些转换器各有其优缺点，能满足不同的应用场合的使用。逐次逼近型、积分型、压频 变换型等，主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。流水线型 ADC 主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录等领域。∑-Δ型 ADC 主应用 于高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。 本实验我们对逐次逼近型ADC进行解析。 7.12.3 ADC工作原理 ADC 是模拟信号转换成数字信号，模拟信号是曲线，而数字信号是由 0 和 1 组成的， 所以在转换的过程中会有数据失真的存在，这个就与 ADC 的精度有关了，如果要完全非常 精确的描述出整个模拟信号，那么这个数字信号将要精确到小数点后很多位，这样的精度是 无止境的，一般市场上的 ADC 一般描述上 12 位精度就已经很不错了。 这种 AD 转换是采用对模拟信号逐次逼近转成数字信号的方式来做的，在一个芯片的内 部，模拟信号传输进去，通过芯片内部模拟信号部件比对之后，从而转变成数字信号给到芯 片内部的数字信号寄存器，从而把一段模拟信号用 0 和 1 的方式放入到芯片内部的寄存器 中。 STM32 单片机的 ADC 是逐次逼近型模数转换器。下面我们对该类型模数转换器进行分 析。逐次逼近型模数转换器原理框图，如下： 逐次逼近转换过程和用天平称物重非常相似。天平称重物过程是，从最重的砝码开始试 放，与被称物体行进比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。再加上第二个次重 砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去。照此一直加到最 小一个砝码为止。将所有留下的砝码重量相加，就得此物体的重量。 仿照这一思路，逐次比较型 A/D 转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压作多 次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。转换开始前先将所有寄 存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成 1，使输出数字为 100…0。这 个数被数模转换器转换成相应的模拟电压 Uo，送到比较器中与 Ui 进行比较。若 Uo＞Ui， 说明数字过大了，故将最高位的 1 清除；若 Uo＜Ui ，说明数字还不够大，应将最高位的 1 保留。然后，再按同样的方式将次高位置成 1，并且经过比较以后确定这个 1 是否应该保 留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数 字量输出。 7.12.4 ADC逐次逼近转换器的工作流程 这部分是有 ADC 内部完成，我们只需要对它进行简单的了解。 逐次逼近型模数转换器经过 4 个步骤把模拟信号转换成数字信号，分别是：采样、保持、 量化与编码。 1）采样，又称为抽样。将模拟信号抽样就是