1、 理解模擬信號(hào) & 數(shù)字信號(hào)

在開發(fā)中，信號(hào)中最常關(guān)注的是模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，這兩者之間也是可以互相轉(zhuǎn)換的。所以需要理解模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的區(qū)別。

1)模擬信號(hào)：模擬信號(hào)是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號(hào)。

也可以理解為在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值(變動(dòng)的)的信號(hào)。像那些電壓/電流與聲音這些都是模擬信號(hào)。

2)數(shù)字信號(hào)：數(shù)字信號(hào)指信號(hào)幅度的取值是離散的，幅值范圍被限制在有限個(gè)數(shù)值之內(nèi)。

比如，二進(jìn)制就是一種數(shù)字信號(hào)。大多數(shù)情況下，二進(jìn)制碼受噪聲的影響小，易于由數(shù)字電路進(jìn)行處理，所以現(xiàn)在也是被廣泛的應(yīng)用在很多的產(chǎn)品和領(lǐng)域中。

2、ADC & DAC

ADC英文名稱 - Analog-to-Digital Converter(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，從字面理解，A 稱為模擬信號(hào)(Analog signal)，D 稱為數(shù)字信號(hào)(digital signal)。

A/D 轉(zhuǎn)換器也就是把模擬信號(hào)(A)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(D)的器件。

DAC英文名稱- Digital-to- Analog Converter(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)，D/A 轉(zhuǎn)換器剛好與 A/D 功能相反，它是把數(shù)字信號(hào)(D)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)(A)。

3、常用ADC 種類介紹

A/D與D/A 轉(zhuǎn)換器的發(fā)展有較長(zhǎng)的歷史了，經(jīng)歷了多次的技術(shù)革新和改進(jìn)，目前常見的模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(A/D、D/A)有：

1.逐次逼近型

2.積分型 ADC

3.壓頻變換型 ADC

說明：

逐次逼近型、積分型、壓頻變換型等，主要應(yīng)用于中速或較低速、中等精度的數(shù)據(jù)采集和智能儀器中。

1.流水線型 ADC

說明：

流水線型 ADC主要應(yīng)用于高速情況下的瞬態(tài)信號(hào)處理、快速波形存儲(chǔ)與記錄等領(lǐng)域。

1.∑-Δ 型 ADC

說明：

∑-Δ 型 ADC 主應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集特別是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測(cè)量領(lǐng)域。

此外還有：

1.并行比較 A/D 轉(zhuǎn)換器

這些轉(zhuǎn)換器各有其優(yōu)缺點(diǎn)，不同的應(yīng)用場(chǎng)合需要根據(jù)實(shí)際的使用情況進(jìn)行選擇，基本各種應(yīng)用

場(chǎng)合都有滿足條件的ADC可選擇使用。

4、ADC 的工作原理

在芯片內(nèi)，模擬信號(hào)傳輸進(jìn)去的時(shí)候，通過和芯片內(nèi)部的模擬信號(hào)部件進(jìn)行比對(duì)之后，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)保存到數(shù)字信號(hào)寄存器中，從而把一段模擬信號(hào)用數(shù)字的方式表達(dá)出來(0和1)的方式表達(dá)出來。

以逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換為例。

逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理框圖可以表示如下：

上圖中，Ui為需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的模擬量，Uo為AD比較器的輸出電壓，通過AD轉(zhuǎn)換器的逐漸比較不斷的逼近Ui，最終得到一個(gè)與Ui匹配的數(shù)字值。(注意：AD轉(zhuǎn)換一般都是需要一個(gè)參考電壓 Vrf 的)

為了更好的說明逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換的大致原理，舉個(gè)例子說明一下：

逐次逼近轉(zhuǎn)換過程可以用天平稱物重進(jìn)行比擬。

假如一開始我們并不能知道物體的重量，用天平稱量這個(gè)重物過程時(shí)，我們可以先從最重的砝碼開始試放，與被稱物體行進(jìn)比較，若物體重于砝碼，則該砝碼保留，否則移去。再加上第二個(gè)次重的砝碼，由物體的重量是否大于砝碼的重量決定第二個(gè)砝碼是留下還是移去，就是這樣反復(fù)多次的比較，最終得出物體的重量。

總而言之，逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，就是將輸入模擬信號(hào)與不同的參考電壓作多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。

所以上面的框圖就可以詳細(xì)理解為：

1)轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。

2)開始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成 1，使輸出數(shù)字為 100…0。

這個(gè)數(shù)被數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓 Uo，送到比較器中與 Ui 進(jìn)行比較。

若 Uo>Ui，說明數(shù)字過大了，故將最高位的 1 清除;

若 Uo

3)反復(fù)如此，再按同樣的方式將次高位置成 1，并且經(jīng)過比較以后確定這個(gè) 1 是否應(yīng)該保留。

4)最終就可以得到一個(gè)逼近Ui的數(shù)值。

因此，逐次逼近型ADC的工作流程，可以總結(jié)為：

(1)采樣

(2)保持

(3)量化

5、STM32的ADC的介紹

目前市場(chǎng)上流行的單片機(jī)幾乎都有ADC功能，精度有高有低，使用的較多的，當(dāng)屬STM32了。下面以STM32F1為例。

STM32F1的ADC是12位的逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

它的AD的基本特點(diǎn):

5.1、STM32F1的 ADC 開關(guān)控制

通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的ADON位可給ADC上電。當(dāng)?shù)谝淮卧O(shè)置ADON位時(shí)，它將ADC從斷電狀態(tài)下喚醒。

ADC上電延遲一段時(shí)間后(t STAB )，再次設(shè)置ADON位時(shí)開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過清除ADON位可以停止轉(zhuǎn)換，并將ADC置于斷電模式。在這個(gè)模式中，ADC幾乎不耗電(僅幾個(gè)μA)。

5.2、STM32F1的 ADC 時(shí)鐘

由時(shí)鐘控制器提供的ADCCLK時(shí)鐘和PCLK2(APB2時(shí)鐘)同步。RCC控制器為ADC時(shí)鐘提供一個(gè)專用的可編程預(yù)分頻器。

5.3、STM32F1的 ADC 通道

有16個(gè)多路通道?？梢园艳D(zhuǎn)換組織成兩組：規(guī)則組和注入組。在任意多個(gè)通道上以任意順序進(jìn)行的一系列轉(zhuǎn)換構(gòu)成成組轉(zhuǎn)換。例如，可以如下順序完成轉(zhuǎn)換：通道3、通道8、通道2、通道2、通道0、通道2、通道2、通道15。

如果ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在轉(zhuǎn)換期間被更改，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換被清除，一個(gè)新的啟動(dòng)脈沖將發(fā)送到ADC以轉(zhuǎn)換新選擇的組。

5.4、ADC轉(zhuǎn)換模式

1)單次轉(zhuǎn)換模式下，ADC只執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換。該模式既可通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的ADON位(只適用于規(guī)則通道)啟動(dòng)也可通過外部觸發(fā)啟動(dòng)(適用于規(guī)則通道或注入通道)，這時(shí)CONT位為0。

2)在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式中，當(dāng)前面ADC轉(zhuǎn)換一結(jié)束馬上就啟動(dòng)另一次轉(zhuǎn)換。此模式可通過外部觸發(fā)啟動(dòng)或通過設(shè)置ADC_CR2寄存器上的ADON位啟動(dòng)，此時(shí)CONT位是1。

5.5、ADC校準(zhǔn)

ADC有一個(gè)內(nèi)置自校準(zhǔn)模式。校準(zhǔn)可大幅減小因內(nèi)部電容器組的變化而造成的準(zhǔn)精度誤差。在校準(zhǔn)期間，在每個(gè)電容器上都會(huì)計(jì)算出一個(gè)誤差修正碼(數(shù)字值)，這個(gè)碼用于消除在隨后的轉(zhuǎn)換中每個(gè)電容器上產(chǎn)生的誤差。

通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的CAL位啟動(dòng)校準(zhǔn)。一旦校準(zhǔn)結(jié)束，CAL位被硬件復(fù)位，可以開始正常轉(zhuǎn)換。建議在上電時(shí)執(zhí)行一次ADC校準(zhǔn)。校準(zhǔn)階段結(jié)束后，校準(zhǔn)碼儲(chǔ)存在ADC_DR中。

注意：

1 建議在每次上電后執(zhí)行一次校準(zhǔn)。

2 啟動(dòng)校準(zhǔn)前， ADC 必須處于關(guān)電狀態(tài) (ADON=’0’) 超過至少兩個(gè) ADC 時(shí)鐘周期。

5.6、ADC通道的采樣時(shí)間

ADC使用若干個(gè)ADC_CLK周期對(duì)輸入電壓采樣，采樣周期數(shù)目可以通過ADC_SMPR1和ADC_SMPR2寄存器中的SMP[2:0]位更改。每個(gè)通道可以分別用不同的時(shí)間采樣。

總轉(zhuǎn)換時(shí)間如下計(jì)算：

T CONV = 采樣時(shí)間+ 12.5個(gè)周期

例如：

當(dāng)ADCCLK=14MHz，采樣時(shí)間為1.5周期

T CONV = 1.5 + 12.5 = 14周期 = 1μs