6.1. ADC基礎(chǔ)知識

6.1.1. 什么是ADC

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。

6.1.2. CW32的ADC介紹

CW32F003 內(nèi)部集成一個 12 位精度、最高 1M SPS 轉(zhuǎn)換速度的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (SAR ADC)，最多可將 16 路模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。現(xiàn)實世界中的絕大多數(shù)信號都是模擬量，如光、電、聲、圖像信號等，都要由 ADC 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，才能由 MCU 進(jìn)行數(shù)字化處理。

主要特性

12 位精度

可編程轉(zhuǎn)換速度，最高達(dá) 1M SPS

16 路輸入轉(zhuǎn)換通道

- 13 路外部引腳輸入

- 內(nèi)置溫度傳感器

- 內(nèi)置 BGR 1.2V 基準(zhǔn)

- 1/3 VDD 電源電壓

4 路參考電壓源（Vref）

- VDD 電源電壓

- ExRef（PB04）引腳電壓

- 內(nèi)置 1.5V 參考電壓

- 內(nèi)置 2.5V 參考電壓

采樣電壓輸入范圍：0 ~ Vref

多種轉(zhuǎn)換模式，全部支持轉(zhuǎn)換累加功能

- 單次轉(zhuǎn)換

- 多次轉(zhuǎn)換

- 連續(xù)轉(zhuǎn)換

- 序列掃描轉(zhuǎn)換

- 序列斷續(xù)轉(zhuǎn)換

支持單通道、序列通道兩種通道選擇，最大同時支持 4 個序列

支持輸入通道電壓閾值監(jiān)測

內(nèi)置信號跟隨器，可轉(zhuǎn)換高阻抗輸入信號

支持片內(nèi)外設(shè)自動觸發(fā) ADC 轉(zhuǎn)換

6.1.3. ADC基本參數(shù)

分辨率：表示ADC轉(zhuǎn)換器的輸出精度，通常以位數(shù)（bit）表示，比如8位、10位、12位等，位數(shù)越高，精度越高。

采樣率：表示ADC對模擬輸入信號進(jìn)行采樣的速率，通常以每秒采樣次數(shù)（samples per second，SPS）表示，也稱為轉(zhuǎn)換速率，表示ADC能夠進(jìn)行多少次模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。

采樣范圍：指ADC可以采集到的模擬輸入信號的電壓范圍，范圍見下：

0 ≤ ADC ≤ Vref

Vref 為參考電壓，CW32F003有四路電壓參考源見上文。

6.1.4. 基本原理

CW32F003采用的是逐次逼近型的12位ADC，逐次逼近型ADC是一種常見的ADC工作原理，它的思想是通過比較模擬信號與參考電壓之間的大小關(guān)系來逐步逼近輸入信號的數(shù)字表示。在逐次逼近型ADC中，輸入信號和參考電壓被加入一個差分放大器中，產(chǎn)生一個差分電壓。

然后，這個差分電壓被輸入到一個逐步逼近的數(shù)字量化器中，該量化器以逐步遞減的方式將其與一系列參考電壓進(jìn)行比較。具體來說，在每個逼近階段，量化器將輸入信號與一個中間電壓點進(jìn)行比較，將該電壓點上方或下方的參考電壓作為下一個逼近階段的參考電壓。這個過程一直持續(xù)到量化器逼近到最終的數(shù)字輸出值為止。

我們數(shù)字電壓電流表的采樣電路原理圖如下圖所示，

圖6-1 電壓采樣電路原理圖

如果使用1.5V作為參考電壓，根據(jù)R8和R7的阻值配比可以得到最高采樣電壓為：

1.5 / 10 * （220 + 10）= 34.5V

電流采樣的電路原理圖見圖6-2，對電流采樣本質(zhì)上是對檢流電阻的電壓進(jìn)行采樣。

圖6-2 電流采樣原理圖

6.2. ADC優(yōu)點

1.數(shù)字信號具有良好的抗干擾性。數(shù)字信號是由一系列離散的數(shù)字表示，因此可以抵抗模擬信號受到的各種干擾，如噪聲、漂移等。

2.方便數(shù)字信號的存儲、處理和傳輸。由于數(shù)字信號是離散的，因此它們可以輕松存儲在計算機(jī)內(nèi)存或其他數(shù)字設(shè)備中，方便進(jìn)行處理和傳輸。

3.具有可編程性。現(xiàn)代的ADC出現(xiàn)了很多可編程的功能，例如可編程增益、采樣率和濾波器等，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化。

4.適用性廣泛。ADC被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通信、醫(yī)療、電子測量、音頻、視頻等領(lǐng)域，可轉(zhuǎn)換各種不同類型的模擬信號，包括電壓、電流、聲音、光信號等。

6.3. ADC應(yīng)用

ADC的應(yīng)用非常廣泛。例如，我們可以用ADC將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過計算機(jī)進(jìn)行處理和分析；ADC在音頻處理中也起著重要的作用，將模擬聲音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并接下來進(jìn)行數(shù)字信號處理；無線電通信中的信號調(diào)制也需要使用ADC等。總的來說，ADC在現(xiàn)代電子工程中非常重要，是數(shù)字信號處理和控制技術(shù)的關(guān)鍵部分。

6.4. ADC采樣顯示

在下面我們對CW32F003的ADC通道進(jìn)行配置，輸入5V電壓給電壓表，CW32將采樣得到的值輸入數(shù)碼管顯示，對ADC通道的配置代碼如下;

#include "ADC.h"


uint16_t Volt_Buffer;        //存放ADC采樣值


void ADC_init(void)
{
    ADC_InitTypeDef     ADC_InitStructure;         //ADC配置結(jié)構(gòu)體
    ADC_SerialChTypeDef ADC_SerialChStructure;     //ADC序列通道結(jié)構(gòu)體
    GPIO_InitTypeDef    GPIO_Init_Struct;


    __RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); //打開ADC對應(yīng)引腳時鐘   
    __RCC_ADC_CLK_ENABLE();   // 打開ADC時鐘


    GPIO_Init_Struct.IT   = GPIO_IT_NONE;
    GPIO_Init_Struct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;//將GPIO的模式配置成模擬功能
    GPIO_Init_Struct.Pins = GPIO_PIN_1;      // PB01是電壓采集引腳
    GPIO_Init(CW_GPIOB, &GPIO_Init_Struct);
    PB01_ANALOG_ENABLE();                    //使能模擬引腳


    ADC_StructInit(&ADC_InitStructure);      // ADC默認(rèn)值初始化
    ADC_InitStructure.ADC_ClkDiv = ADC_Clk_Div4; //ADC工作時鐘配置 PCLK/4 = 6/4 = 1.5Mhz


/*信號電壓較低時，可以降低參考電壓來提高分辨率。改變參考電壓后，同樣二進(jìn)制表示的電壓值就會不一樣，
  最大的二進(jìn)制（全1）表示的就是你的參考電壓，在計算實際電壓時，就需要將參考電壓考慮進(jìn)去。*/
    ADC_InitStructure.ADC_VrefSel    = ADC_Vref_BGR1p5;//參考電壓設(shè)置為1.5V
    //由于電壓信號為慢速信號，ADC采樣時間為十個ADC采樣周期以確保準(zhǔn)確 
    ADC_InitStructure.ADC_SampleTime = ADC_SampTime10Clk;
    //Sqr為序列配置寄存器，這里只用到了序列0的通道，所以配置成0表示只轉(zhuǎn)換Sqr0序列
    ADC_SerialChStructure.ADC_SqrEns     = ADC_SqrEns0;     
    ADC_SerialChStructure.ADC_Sqr0Chmux  = ADC_SqrCh9;//配置ADC序列，PB01是ADC的第9通道
    ADC_SerialChStructure.ADC_InitStruct = ADC_InitStructure; //ADC初始化


    ADC_SerialChContinuousModeCfg(&ADC_SerialChStructure);   //ADC序列連續(xù)轉(zhuǎn)換模式配置
    ADC_ClearITPendingAll();           //清除ADC所有中斷狀態(tài)
    ADC_Enable();                      // ADC使能
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ENABLE);  //ADC轉(zhuǎn)換軟件啟動命令
}


void Get_ADC_Value(void)               //取得ADC采樣的值傳給全局變量Volt_Buffer
{
    ADC_GetSqr0Result(&Volt_Buffer);
}

在主函數(shù)中初始化ADC后在BTIM1的中斷服務(wù)程序中調(diào)用 Get_ADC_Value 得到ADC采樣的值，再在主函數(shù)的 while 循環(huán)中調(diào)用數(shù)碼管顯示函數(shù) Display 將ADC采樣值顯示到數(shù)碼管上。下圖為數(shù)字電壓電流表接入5V電壓時的采樣顯示圖。可以看到接入5V時ADC采樣得到669，我們可以計算：

(669/4096)* [(1.5/10)*(200+10)] = 5.145 V

其中4096代表CW32的ADC采樣精度12位為2^12=4096，由于我們的測試樣品中220KΩ的電阻被替換成了200KΩ，所以計算公式如上，與萬用表測量數(shù)值相符。（各位學(xué)員最終收到的版本是220KΩ的電阻）

圖6-3 ADC采樣顯示

圖6-4 萬用表測量5V

6.5. ADC采樣計算

根據(jù)上文，ADC所采樣的值雖然準(zhǔn)確地顯示在數(shù)碼管上，但采樣值仍需要轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)值。計算思路與上述公式類似，只是顯示到數(shù)碼管上需要將數(shù)值擴(kuò)大100倍。因此采樣計算的思路為：將采樣得到的值（比如在5V輸入的情況下ADC采樣得到668）用上述計算公式計算得到的結(jié)果后乘以100：

(668/4096)* [(1.5/10)*(200+10)] * 100 = 513.7 V

由于變量為整形，最終輸入給顯示函數(shù) Display 的值為513，在 Display 函數(shù)里對輸入的值進(jìn)行判定，如果輸入值大于1000，則數(shù)碼管只能顯示xx.x V，所以我們只取輸入值的千百十位；如果輸入值小于1000，比如現(xiàn)在輸入值為513，則數(shù)碼管可顯示x.xx V,分別將513的百十個位存入 Seg_Reg 數(shù)組中。

最終需要添加一個 Cal_Buffer 變量來存儲 Volt_Buffer 的值、一個電壓計算函數(shù)，再修改 Display 函數(shù)見下文：

uint16_t Cal_Buffer;  //存儲 Volt_Buffer 的值


#define ADC_REF_VALUE (1500) //擴(kuò)大1000倍  1.5 * 1000 = 1500
#define R2            (200) //單位：KΩ
#define R1            (10)


void Volt_Cal(void)   //將ADC采樣值轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)值
{
  Cal_Buffer = Volt_Buffer;   //存儲中斷服務(wù)程序中取得的ADC采樣值
  Cal_Buffer = (Cal_Buffer * ADC_REF_VALUE >> 12) * (R2 + R1)/R1;//計算得到的值為標(biāo)準(zhǔn)值的1000倍


    if(Cal_Buffer % 10 >= 5)     // 四舍五入
    {
        Cal_Buffer = Cal_Buffer / 10 + 1;  
    }
    else
    {
        Cal_Buffer = Cal_Buffer / 10;   //此時的值為標(biāo)準(zhǔn)值的100倍
    }
}

在 while 循環(huán)中調(diào)用數(shù)碼管顯示函數(shù) Display 之前先調(diào)用 Volt_Cal 函數(shù)。

int main()
{
  RCC_Configuration();
  Seg_Init();
  Btim1_Init();
  ADC_init();


  while(1)
    {
      Volt_Cal();
      Display(Cal_Buffer); 
    }
}

Display 函數(shù)的更新如下：

void Display(uint32_t value)
{
  uint8_t Thousands;   //千位
  uint8_t Hundreds;    //百位
  uint8_t Tens;        //十位
  uint8_t Units;       //個位


  Thousands = value / 1000;     //如果輸入值大于1000，只取輸入值的千百十位
  if(Thousands > 0)             //大于0則說明輸入值的千位有值
    {
       Units     = value % 10;
       value     = Units > 5 ? (value + 10) : value; // 根據(jù)后一位四舍五入
       Thousands = value / 1000 % 10;                //只取千百十位
       Hundreds  = value / 100 % 10;
       Tens      = value / 10 % 10;


       // 顯示xx.x伏
       Seg_Reg[0] = Thousands;
       Seg_Reg[1] = Hundreds + 10; // 加dp顯示
       Seg_Reg[2] = Tens;
    }


  else                            //如果輸入值的千位沒有值，則取百十個位
    {
        Units     = value % 10;
        Tens      = value / 10 % 10;
        Hundreds  = value / 100 % 10;


        // 顯示x.xx伏
        Seg_Reg[0] = Hundreds + 10; // 加dp顯示
        Seg_Reg[1] = Tens;
        Seg_Reg[2] = Units;
    }
}

圖6-5 采樣計算后顯示值 此時萬用表測得電壓如下：

圖6-6 萬用表測量值（5V）



審核編輯：劉清