单片机中的 AD & DA 模数转换你真的理解吗？

1万 · 2023-8-9 10:45

1、理解模拟信号 & 数字信号

在开发中，信号中最常关注的是模拟信号和数字信号，这两者之间也是可以互相转换的。所以需要理解模拟信号和数字信号的区别。

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。

也可以理解为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（变动的）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：数字信号指信号幅度的取值是离散的，幅值范围被限制在有限个数值之内。

比如，二进制就是一种数字信号。大多数情况下，二进制码受噪声的影响小，易于由数字电路进行处理，所以现在也是被广泛的应用在很多的产品和领域中。

2、ADC & DAC

ADC英文名称 - Analog-to-Digital Converter（模数转换器），从字面理解，A 称为模拟信号（Analog signal），D 称为数字信号（digital signal）。

A/D 转换器也就是把模拟信号（A）转换成数字信号（D）的器件。

DAC英文名称- Digital-to- Analog Converter（数模转换器），D/A 转换器刚好与 A/D 功能相反，它是把数字信号（D）转换为模拟信号（A）。

3、常用ADC 种类介绍

A/D与D/A 转换器的发展有较长的历史了，经历了多次的技术革新和改进，目前常见的模数、数模转换器（A/D、D/A）有：

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1．逐次逼近型2．积分型 ADC3.压频变换型 ADC说明：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。

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1.流水线型 ADC说明：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。

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1.∑-Δ 型 ADC说明：∑-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。

此外还有：

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1．并行比较 A/D 转换器

这些转换器各有其优缺点，不同的应用场合需要根据实际的使用情况进行选择，基本各种应用场合都有满足条件的ADC可选择使用。

4、ADC 的工作原理

在芯片内，模拟信号传输进去的时候，通过和芯片内部的模拟信号部件进行比对之后，从而转换为数字信号保存到数字信号寄存器中，从而把一段模拟信号用数字的方式表达出来（0和1）的方式表达出来。

以逐次逼近型AD转换为例。

逐次逼近型模数转换器原理框图可以表示如下：

上图中，Ui为需要进行转换的模拟量，Uo为AD比较器的输出电压，通过AD转换器的逐渐比较不断的逼近Ui，最终得到一个与Ui匹配的数字值。（注意：AD转换一般都是需要一个参考电压 Vrf 的）

为了更好的说明逐次逼近型AD转换的大致原理，举个例子说明一下：

逐次逼近转换过程可以用天平称物重进行比拟。

假如一开始我们并不能知道物体的重量，用天平称量这个重物过程时，我们可以先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。再加上第二个次重的砝码，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，就是这样反复多次的比较，最终得出物体的重量。

总而言之，逐次逼近型 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。

所以上面的框图就可以详细理解为：

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1）转换开始前先将所有寄存器清零。2）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。3）反复如此，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。4）最终就可以得到一个逼近Ui的数值。

因此，逐次逼近型ADC的工作流程，可以总结为：

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（1）采样
（2）保持
（3）量化

1万 · 2023-8-9 10:46

5、STM32的ADC的介绍

目前市场上流行的单片机几乎都有ADC功能，精度有高有低，使用的较多的，当属STM32了。下面以STM32F1为例。

STM32F1的ADC是12位的逐次逼近型的模数转换器。

它的AD的基本特点:

5.1、STM32F1的 ADC 开关控制

通过设置ADC_CR2寄存器的ADON位可给ADC上电。当第一次设置ADON位时，它将ADC从断电状态下唤醒。

ADC上电延迟一段时间后(t STAB )，再次设置ADON位时开始进行转换。通过清除ADON位可以停止转换，并将ADC置于断电模式。在这个模式中，ADC几乎不耗电(仅几个μA)。

5.2、STM32F1的 ADC 时钟

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由时钟控制器提供的ADCCLK时钟和PCLK2(APB2时钟)同步。RCC控制器为ADC时钟提供一个专用的可编程预分频器。

5.3、STM32F1的 ADC 通道

有16个多路通道。可以把转换组织成两组：规则组和注入组。在任意多个通道上以任意顺序进行的一系列转换构成成组转换。例如，可以如下顺序完成转换：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寄存器在转换期间被更改，当前的转换被清除，一个新的启动脉冲将发送到ADC以转换新选择的组。

5.4、ADC转换模式

1）单次转换模式下，ADC只执行一次转换。该模式既可通过设置ADC_CR2寄存器的ADON位(只适用于规则通道)启动也可通过外部触发启动(适用于规则通道或注入通道)，这时CONT位为0。

2）在连续转换模式中，当前面ADC转换一结束马上就启动另一次转换。此模式可通过外部触发启动或通过设置ADC_CR2寄存器上的ADON位启动，此时CONT位是1。

5.5、ADC校准

ADC有一个内置自校准模式。校准可大幅减小因内部电容器组的变化而造成的准精度误差。在校准期间，在每个电容器上都会计算出一个误差修正码(数字值)，这个码用于消除在随后的转换中每个电容器上产生的误差。

通过设置ADC_CR2寄存器的CAL位启动校准。一旦校准结束，CAL位被硬件复位，可以开始正常转换。建议在上电时执行一次ADC校准。校准阶段结束后，校准码储存在ADC_DR中。

注意：

Properties
1 建议在每次上电后执行一次校准。2 启动校准前， ADC 必须处于关电状态 (ADON=’0’) 超过至少两个 ADC 时钟周期。

5.6、ADC通道的采样时间

ADC使用若干个ADC_CLK周期对输入电压采样，采样周期数目可以通过ADC_SMPR1和ADC_SMPR2寄存器中的SMP[2:0]位更改。每个通道可以分别用不同的时间采样。

总转换时间如下计算：

Nginx
T CONV = 采样时间+ 12.5个周期

例如：

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当ADCCLK=14MHz，采样时间为1.5周期T CONV = 1.5 + 12.5 = 14周期 = 1μs