談談STM32 ADC采集原理


ADC概念:它是把連續的模擬信號轉變為離散的數字信號的器件。

轉換器的分類:積分型、逐次逼近型、並行比較型/串並行比較型 、Σ-Δ調制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。

1).積分型 :AD工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率),然后由定時器/計數獲得數字值。

2).逐次比較型 SAR :AD由一個比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成,從MSB開始,順序地對每一位將輸入電壓與內置DA轉換器輸出進行比較,經n次比較而輸出數字值。

3).並行比較型 /串並行比較型 :AD采用多個比較器,僅作一次比較而實行轉換,又稱FLash(快速)型。由於轉換速率極高,n位的轉換需要2n-1個比較器,因此電路規模也極大,價格也高,只適用於視頻AD轉換器等速度特高的領域,串並行比較型AD結構上介於並行型和逐次比較型之間,最典型的是由2個n/2位的並行AD轉換器配合DA轉換器組成,用兩次比較實行轉換,所以稱為 Half flash(半快速)型。還有分成三步或多部實現AD轉換的叫做分級(Multistep/Subrangling)型AD,而從轉換時序角度又可稱為流水線(Pipelined)型AD。

4). Σ-Δ (Sigma delta) 調制型 (AD7705) :Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉換器和數字濾波器等組成。原理上近似於積分型,將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)信號,用數字濾波器處理后得到數字值。

5).電容陣列逐次比較型 :AD在內置DA轉換器中采用電容矩陣方式,也可稱為電荷再分配型。

6).壓頻變換型 (AD650) :(Voltage-Frequency Converter)是通過間接轉換方式實現模數轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率,然后用計數器將頻率轉換成數字量。

下面說一下我在網絡看到對逐次逼近法較為通俗的理解:如圖1

圖1

逐次逼近轉換過程和用天平稱物重非常相似。天平稱重物過程是從最重的砝碼開始試放,與被稱物體行進比較,若物體重於砝碼則該砝碼保留否則移去。再加上第二個次重砝碼由物體的重量是否大於砝碼的重量決定第二個砝碼是留下還是移去,照此一直加到最小一個砝碼為止,將所有留下的砝碼重量相加就得此物體的重量。

圖1的電路,它由啟動脈沖啟動后,在第一個時鍾脈沖作用下,控制電路使時序產生器的最高位置1,其他位置0,其輸出經數據寄存器將1000……0,送入D/A轉換器。輸入電壓首先與D/A器輸出電壓(VREF/2)相比較,如v1≥VREF/2,比較器輸出為1,若vI<VREF/2,則為0。比較結果存於數據寄存器的Dn-1位。然后在第二個CP作用下,移位寄存器的次高位置1,其他低位置0。如最高位已存1,則此時v0=(3/4)VREF。於是v1再與(3/4)VREF相比較,如v1≥(3/4)VREF,則次高位Dn-2存1,否則Dn-2=0;如最高位為0,則v0=VREF/4,與v0比較,如v1≥VREF/4,則Dn-2位存1,否則存0……。以此類推,逐次比較得到輸出數字量。

為了進一步理解逐次比較A/D轉換器的工作原理及轉換過程。下面用實例加以說明。

設圖1電路為8位A/D轉換器,輸入模擬量vA=6.84V,D/A轉換器基准電壓VREF=10V。根據逐次比較D/A轉換器的工作原理,可畫出在轉換過程中CP、啟動脈沖、D7-D0及D/A轉換器輸出電壓v0的波形,如圖2所示。由圖.2可知當啟動脈沖低電平到來后轉換開始在第一個CP作用下,數據寄存器將D7-D0=10000000送入D/A轉換器,其輸出電壓v0=5V,vA與v0比較vA>v0存1;第二個CP到來時,寄存器輸出D7-D0=11000000,v0為7.5V,vA再7.5V比較,因vA<7.5V,所以D6存0;輸入第三個CP時,D7-D0=10100000,v0=6.25V;vA再與v0比較,……如此重復比較下去,經8個時鍾周期,轉換結束。由圖中v0的波形可見,在逐次比較過程中,與輸出數字量對應的模擬電壓v0逐漸逼近vA值,最后得到A/D轉換器轉換結果D7-D0為10101111。該數字量所對應的模擬電壓為6.8359375V與實際輸入的模擬電壓6.84V的相對誤差僅為0.06%。

圖2 


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