模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理

數(shù)模轉(zhuǎn)換器( analog to digitI converter,ADC)，簡稱為A/D，ADC是鏈接模擬世界和數(shù)字世界的橋梁。它用于將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式離散信號。典型的，ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為與電壓值成比例表示的數(shù)字離散信號，對于不同廠商所提供的ADC,其輸出的數(shù)字信號可能使用不同的編碼格式

注:有一些模叔數(shù)字轉(zhuǎn)換器并非純的電子設(shè)備，如旋轉(zhuǎn)編碼器，也可看作是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

ADC的一些參數(shù)

分辨率、響應(yīng)類型、誤差和采樣率

1）分辨率

在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，分辨率是指對于所允許輸入的模擬信號范圍，它能輸出離散數(shù)字信號值的個數(shù)。這些輸出的信號值通用二進(jìn)制數(shù)來表示，如圖22.1所示，因此，分辨率經(jīng)常用比特作為單位，且這些離散值的個數(shù)是2的冪次方。例如，一個具有8位分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以將模擬信號編碼成256個不同的離散值(離散梯度)，其范圍可以是0~255(即無符號整數(shù))或從-128~127(即帶符號整數(shù))，至于使用哪一種編碼格式，則取決所選用的ADC器件。

分辨率也可以用電氣性質(zhì)來描述，如使用伏特(V)，使得輸出離散信號產(chǎn)生一個變化所需的最小輸入電壓的差值被稱作最低有效位( least significant bit,LSB電壓。這樣，模數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率(Q)等于LSB電壓。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電壓分辨率由下面等式確定子式中，VRefHi和VRefLOw一是轉(zhuǎn)換過程允許輸入到ADC的電壓上限和下限值；N是模擬數(shù)字

Q=(?VRefHi??-??VRefLOw)/2N

如果輸入電壓的變化小于Q值，則ADC無法分辨出電壓的變化，這樣，就帶量化誤差，N值越大，即ADC輸出數(shù)字量的位數(shù)越多，則Q越小，可分辨的電壓變化欲小，分辨能力就越強(qiáng)，量化導(dǎo)致的誤差就越小

2）響應(yīng)類型

大多數(shù)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)類型為線性，這里的線性是指輸出信號的值與輸入信號的值成線性比，一些早期的轉(zhuǎn)換的響應(yīng)類型呈對數(shù)關(guān)系，ADC器件可表示數(shù)字量的范圍內(nèi)，中間部分線性度較好，而兩端線性度較差

3）誤差

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的誤差有若干種來源。量化誤差和非線性誤差是任何模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換中存在的內(nèi)在誤差

3）采樣率

模擬信號在時域上是連續(xù)的，可以將它轉(zhuǎn)換為時間上連續(xù)的一系列數(shù)字信號。因此，要R定義一個參數(shù)來表示獲取模擬信號上每個值并表示成數(shù)字信號的速度。通常將這個參數(shù)稱為ADC的采樣率或采樣航率

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的類型（以后自己了解了在上圖分析）

Flash ADC

逐次逼近寄存器型ADC

積分型ADC

數(shù)字躍遷型ADC

STC單片機(jī)內(nèi)ADC的結(jié)構(gòu)

STC單片機(jī)的ADC由多路選擇開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器?ADC RES和?ADC RESI以及ADC控制寄存器ADC_ CONTR構(gòu)成

通過設(shè)置ADC控制寄存器ADC_ CONTR中的?SPEED1和?SPEEDO比特位，該ADC模塊的最高采樣速率可以達(dá)到300kHz,即30萬次采樣/s(30ksps,30 k sample per second)。

該ADC是典型的SAR結(jié)構(gòu)，這種結(jié)果是一種典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。在該ADC的前端提供了一個8通道的模擬多路復(fù)用開關(guān)，在ADC控制寄存器?ADC CONTR內(nèi)的CHS2CS比特位的控制下，將ADC=ADC7的模擬信號多路復(fù)用到比較器

該結(jié)構(gòu)的ADC包含一個比較器和DAC,通過逐次比較邏輯，從最高有效位MSB開始，順序地對每一個輸入電壓與內(nèi)置DAC輸出進(jìn)行比較。經(jīng)過多次比較后，使其轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量逼近輸入模擬信號所對應(yīng)的數(shù)字量的值。將最終得到的數(shù)字量保存在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器?ADC _RES和?ADC _RESL中.同時，將ADC控制寄存器?ADC_CONTR中的轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志?ADC_ FLAG置1,以供程序查詢或者向CPU發(fā)出中斷請求.

ADC裝換結(jié)果的計算方式

P1模擬功能控制寄存器

STC單片機(jī)的8路模擬信號的輸入端口設(shè)置在P1端口的8個引腳上，即P1.0~P.7.當(dāng)上電復(fù)位后，P1口設(shè)置為弱上拉I0口，用戶可以通過軟件將8個引腳上的任何一個設(shè)置為ADC模擬輸入，沒有設(shè)置為ADC模擬輸人的引腳可以作為普通I/O使用。

7.ADC控制寄存器

1) ADC_POWER

ADC電源控制位。當(dāng)該位為0時，關(guān)閉ADC電源；當(dāng)該位為1時，打開ADC電源

2）SPEED1?與SPEED0?數(shù)模速度轉(zhuǎn)換控制位

3）ADC_FLAG

ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位。當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束時，有硬件將該位置1，需要軟件清0

4）ADC_START

ADC?轉(zhuǎn)換啟動位，1是ADC開始啟動轉(zhuǎn)換

5）CHS0 CSH1 CHS2模擬輸入通道位

控制哪一個引腳作為模擬輸入?。

8.中斷有關(guān)的寄存器

IE地址0xA8 ?其中的B5?，為EADC，當(dāng)該位是1?是，允許ADC?中斷

IP優(yōu)先級控制器0xB8?，其中的B5位?PADC?，為1?是最高級中斷級別，0?最低級中斷級別。