微機原理與嵌入式接口技術(shù)課件：DA 與 AD 轉(zhuǎn)換技術(shù)

D/A

與A/D

轉(zhuǎn)換技術(shù)7.1D/A轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)7.2STM32的DAC7.3D/A轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)7.4STM32的ADC組習(xí)題7

本章要點

☆D/A轉(zhuǎn)換器工作原理

☆D/A轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)指標(biāo)

☆STM32的DAC功能和轉(zhuǎn)換方法

☆STM32的DAC應(yīng)用

☆A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的工作原理

☆A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

☆STM32的ADC功能和工作模式

☆STM32的ADC轉(zhuǎn)換方法

☆STM32的ADC應(yīng)用

將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的裝置稱為模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱ADC）；將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的裝置稱為數(shù)／模轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC）。

微型計算機完成測量與控制任務(wù)的工作過程如圖7.1

所示。

在微機控制系統(tǒng)中，D/A轉(zhuǎn)換器是計算機與被控制設(shè)備之間傳輸信息時必不可少的橋梁，擔(dān)負(fù)著把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的任務(wù)。D/A轉(zhuǎn)換器按處理數(shù)據(jù)的位數(shù)不同，可分為8位、10

位、12

位和16

位等轉(zhuǎn)換器。圖7.1微型計算機完成測量與控制任務(wù)的工作過程

7.1.1轉(zhuǎn)換原理

D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，它的基本要求是輸出電壓VO

應(yīng)和輸入數(shù)字量成正比，即

典型的D/A轉(zhuǎn)換器芯片通常由模擬開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)以及緩沖電路組成，如圖7.2

所示。電阻網(wǎng)絡(luò)是D/A轉(zhuǎn)換器的核心部件，主要有加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和“Ｔ”形電阻網(wǎng)絡(luò)兩種結(jié)構(gòu)形式。圖7.2

D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖

1.

加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

圖7.3

所示的是加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖，根據(jù)運算放大器原理，放大器輸入電流是通過各個電阻的電流總和。而通過各電阻的電流又是由各位二進制數(shù)字所對應(yīng)的開關(guān)控制。放大器的輸出電壓應(yīng)為

其中V

REF為參考電壓，R

F＝R，D

1

～D

n

為輸入的二進制數(shù)字，其取值為0

時相應(yīng)的開關(guān)斷開，實際電路中的開關(guān)是CMOs電子開關(guān)。圖7.3加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理

2.

T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理

T形電阻網(wǎng)絡(luò)采用分流的原理實現(xiàn)對數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。在圖7.4

中只有兩種電阻R和2R，用集成工藝生產(chǎn)較容易，精度也容易保證，因此應(yīng)用比較廣泛。根據(jù)運算放大器特性，運放的反向輸入端看作虛地，則各節(jié)點D

1～D

n

對地的等效電阻都是R。

如果開關(guān)接入運算放大器反相輸入端，則流經(jīng)各個開關(guān)的電流大小滿足如下關(guān)系：

取反饋電阻R

F＝R，則輸出電壓為圖7.4

T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理

實際電路中各開關(guān)由二進制輸入的各位來控制。因此對于任意的二進制數(shù)字輸出，對應(yīng)的模擬輸出電壓為

其中最高位D

n

稱為最高有效位，最低位D

1

稱為最低有效位。

7.1.2

D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)

D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)有分辨率、轉(zhuǎn)換精度、建立時間、溫度系數(shù)、非線性誤差等，它們都是衡量D/A轉(zhuǎn)換器技術(shù)指標(biāo)的重要參數(shù)。

1.

分辨率

分辨率是指D/A轉(zhuǎn)換器對數(shù)字輸入量變化的敏感程度的度量，它是D/A轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小的輸入量，通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8

位、12

位等。

2.

轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度反映了D/A轉(zhuǎn)換器的精確程度。它與D/A轉(zhuǎn)換器芯片結(jié)構(gòu)、外部電路配置、電源等因素有關(guān)。轉(zhuǎn)換精度又分為絕對轉(zhuǎn)換精度和相對轉(zhuǎn)換精度。

絕對轉(zhuǎn)換精度是以理想狀態(tài)為參照，即D/A轉(zhuǎn)換器的實際輸出值與理論的理想值之間的差值，一般應(yīng)低于1／2LsB。

3.

建立時間

D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間也稱轉(zhuǎn)換時間，是對D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快慢的敏感性能描述指標(biāo)，即當(dāng)輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值，也即進入規(guī)定的精度范圍內(nèi)所需要的時間。

4.

溫度系數(shù)

溫度系數(shù)是D/A轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的特征。

5.

非線性誤差

非線性誤差也稱為線性度，它是指實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想轉(zhuǎn)換特性曲線之間的最大偏差。一般要求非線性誤差的絕對值不大于1／2LsB。非線性誤差越小，說明線性度越好，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量與理想值的偏差就越小。

7.2

STM32的DAC

7.2.1

STM32DAC功能簡介

STM32的DAC模塊（數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換模塊）是12

位數(shù)字輸入、電壓輸出型DAC?？梢耘渲贸?

位或12

位模式，也可以與DＭA控制器配合使用。DAC工作在12

位模式時，數(shù)據(jù)可以設(shè)置成左對齊或右對齊。DAC模塊有兩個輸出通道，每個通道都有獨立的轉(zhuǎn)換器。在雙DAC模式下，兩個通道可以獨立地進行轉(zhuǎn)換，也可以同時進行轉(zhuǎn)換并同步更新兩個通道的輸出。DAC可以通過引腳輸入?yún)⒖茧妷篤

REF+

以獲得更精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

STM32的DAC模塊主要有以下特點：

·兩個DAC轉(zhuǎn)換器：每個轉(zhuǎn)換器對應(yīng)1

個輸出通道；

·12

位模式下，數(shù)據(jù)左對齊或右對齊；

·三角波、噪聲生成；

·兩個DAC通道同時或分步轉(zhuǎn)換；

·每個通道都有DＭＡ功能；

·外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換；

·外部可輸入?yún)⒖茧妷篤

REF+

。

單個通道的DAC框圖如圖7.5

所示。圖中V

DDA為模擬電源，V

ssA為模擬電源地，V

REF+為參考電源，DAC_OUTx為DAC通道ｘ的模擬量輸出（PA4

或PA5

引腳），EXIT_9為外部觸發(fā)引腳。圖7.5

STM32DAC通道模塊框圖

數(shù)字輸入經(jīng)過DAC被線性地轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出，其范圍為0

到V

REF+

。DAC通道引腳上的輸出電壓滿足下面的關(guān)系：

其中V

O

是DAC輸出的模擬電壓，DOR

為數(shù)字量輸出。

【例7.1】假設(shè)V

REF+

為3.3

V，D/A轉(zhuǎn)換位數(shù)n＝12，試求當(dāng)DOR＝2000

時，輸出的模擬電壓V

O

等于多少？

7.2.2

STM32DAC的工作模式

1.

DAC的觸發(fā)

STM32DAC的啟動方式可以設(shè)置為觸發(fā)啟動或非觸發(fā)啟動，由DAC控制寄存器（DAC_CR）中的TENx位決定（ｘ表示DAC的通道，1

或2）。

當(dāng)TENx＝0

時關(guān)閉通道ｘ的觸發(fā)，存入DHRｘ寄存器的數(shù)據(jù)會在一個APB1

時鐘周期內(nèi)自動轉(zhuǎn)存到DORｘ寄存器中，在經(jīng)過時間TsETTLING之后，輸出即有效，這段時間的長短依電源電壓和模擬輸出負(fù)載的不同會有所變化。時序圖如圖7.6

所示。

7.6

DAC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時序圖

軟件觸發(fā)：對DAC_ssWTRIGR寄存器中的sWTRIGx

位置1

可以使能一次軟件觸發(fā)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳入DORｘ寄存器后的一個APB1

周期，該位由硬件自動置0。

定時器觸發(fā)：對DAC_CR的TsEL1［2：0］位進行配置，可以選擇TIM2、TIM4、TIM5、TIM6、TIM7

和TIM8

定時器觸發(fā)，當(dāng)選定的定時器發(fā)生事件后，產(chǎn)生一次定時器觸發(fā)，啟動一次DAC轉(zhuǎn)換。

外部中斷觸發(fā)：對DAC_CR的TsEL1［2：0］位進行配置，可以選擇外部中斷線9

觸發(fā)，當(dāng)該線路發(fā)生指定事件后，使能一次外部中斷觸發(fā)，啟動一次DAC轉(zhuǎn)換。

2.

DAC的波形輸出模式

STM32的DAC有3

種輸出模式，分別是關(guān)閉波形輸出、三角波輸出和噪聲輸出。波形輸出模式受DAC_CR寄存器中WAVE1［1：0］位控制，關(guān)閉波形輸出時，用戶可根據(jù)需要自定義波形輸出。

1）三角波輸出

選擇三角波輸出時可在一個基值上疊加一個小幅度的三角波。選擇DAC的三角波生成功能，在DAC_CR寄存器MAMP1［3：0］位中設(shè)置三角波的幅度。DAC內(nèi)部的三角波計數(shù)器在每次觸發(fā)事件之后的3

個APB1

時鐘周期后累加1。計數(shù)器的值與DAC_DHRｘ寄存器的數(shù)值相加并丟棄溢出位的數(shù)據(jù)后寫入DAC_DORｘ寄存器。在傳入DAC_DORｘ寄存器的數(shù)值小于設(shè)置的最大幅度時，三角波計數(shù)器逐步累加。一旦達(dá)到設(shè)置的最大幅度，則計數(shù)器開始遞減，到0

后再開始累加，周而復(fù)始。三角波生成的示意圖如圖7.7

所示。圖7.7

DAC生成三角波的示意圖

2）噪聲輸出

可以利用線性反饋移位寄存器（LFsR）產(chǎn)生幅度變化的偽噪聲。選擇DAC噪聲生成功能，在DAC_CR寄存器MAMP1［3：0］位中設(shè)置噪聲的屏蔽位，可改變噪聲幅度。LFsR的預(yù)裝入值為0ｘＡＡＡ。按照特定算法，在每次觸發(fā)事件后3

個APB1

時鐘周期之后更新該寄存器的值。設(shè)置DAC_CR寄存器的MAMP1［3：0］位可以屏蔽部分或者全部LFsR的數(shù)據(jù)，這樣得到的ＬsＦR

值與DAC_DHRｘ的數(shù)值相加，去掉溢出位之后即被寫入DAC_DORｘ寄

存器。

3.

DAC的輸出緩存

STM32的DAC集成了2

個輸出緩存，可以用來減少輸出阻抗，無需外部運放即可直接驅(qū)動外部負(fù)載。每個DAC通道輸出緩存可以通過設(shè)置DAC_CR寄存器的BOFFx

位來使能或者關(guān)閉。

7.2.3

STM32DAC的轉(zhuǎn)換

1.

DAC數(shù)據(jù)格式

STM32的DAC是12

位的數(shù)字輸入，它可配置為8

位和12

位，也可配置為單通道和雙通道，在12

位模式下具有左對齊和右對齊兩種格式以適應(yīng)不同格式的用戶數(shù)據(jù)。單通道和雙通道數(shù)據(jù)格式如圖7.8

所示，下面分別進行介紹。圖7.8

DAC數(shù)據(jù)格式

1）單DAC通道

8

位數(shù)據(jù)右對齊：數(shù)據(jù)寫入寄存器DAC_DHR8Rｘ［7：0］位（實際是寫入寄存器DHRｘ［11：4］位）。

12

位數(shù)據(jù)左對齊：數(shù)據(jù)寫入寄存器DAC_DHR12Ｌｘ［15：4］位（實際是寫入寄存器DHRｘ［11：0］位）。

12

位數(shù)據(jù)右對齊：數(shù)據(jù)寫入寄存器DAC_DHR12Rｘ［11：0］位（實際是寫入寄存器DHRｘ［11：0］位）。

2）雙DAC通道

8

位數(shù)據(jù)右對齊：將DAC1

數(shù)據(jù)寫入寄存器DAC_DHR8RD［7：0］位（實際是存入寄存器DHR1［11：4］位），將DAC2

數(shù)據(jù)寫入寄存器DAC_DHR8RD［15：8］位（實際是存入寄存器DHR2［11：4］位）。

12

位數(shù)據(jù)左對齊：將DAC1

數(shù)據(jù)寫入寄存器DAC_DHR12ＬD［15：4］位（實際是存入寄存器DHR1［11：0］位），將DAC2

數(shù)據(jù)寫入寄存器DAC_DHR12ＬD［31：20］位（實際是存入寄存器DHR2［11：0］位）。

12

位數(shù)據(jù)右對齊：將DAC1

數(shù)據(jù)寫入寄存器DAC_DHR12RD［11：0］位（實際是存入寄

存器DHR1［11：0］位），將DAC2

數(shù)據(jù)寫入寄存器DAC_DHR12RD［27：16］位（實際是存入寄存器DHR2［11：0］位）。

根據(jù)對DAC_DHRｙｙｙD

寄存器的操作，經(jīng)過相應(yīng)的移位后，寫入的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)存到DHR1

和DHR2

寄存器中（DHR1

和DHR2

是內(nèi)部的數(shù)據(jù)保存寄存器ｘ）。隨后，DHR1和DHR2

的內(nèi)容或被自動地傳送到DORｘ寄存器，或通過軟件觸發(fā)或外部事件觸發(fā)被傳送到DORｘ寄存器。2.

DAC轉(zhuǎn)

2.

DAC轉(zhuǎn)換

不能直接對寄存器DAC_DORｘ寫入數(shù)據(jù)，任何輸出到DAC通道ｘ的數(shù)據(jù)都必須寫入DAC_DHRｘ寄存器（數(shù)據(jù)實際寫入DAC_DHR8Rｘ、DAC_DHR12Ｌｘ、DAC_DHR12Rｘ、DAC_DHR8RD、DAC_DHR12ＬD

或者DAC_DHR12RD

寄存器）。

如果通道觸發(fā)設(shè)置為禁止，用戶在設(shè)置數(shù)據(jù)格式并賦值時，DAC會自動啟動數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出DOR

寄存器所對應(yīng)的模擬量；如果通道觸發(fā)設(shè)置為定時器觸發(fā)或外部中斷觸發(fā)，在相應(yīng)事件發(fā)生后，也會自動啟動數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出DOR

寄存器所對應(yīng)的模擬量；如果通道觸發(fā)設(shè)置為軟件觸發(fā)，則需要用戶軟件觸發(fā)啟動DAC進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

3.

DAC使能

將DAC_CR寄存器的Ｅnｘ位置1

即可使DAC通道ｘ供電。過一段啟動時間，DAC通道ｘ才會被使能。同其他外設(shè)一樣，要想使用，必須先開啟相應(yīng)的時鐘。STM32的DAC模塊時鐘是由APB1

提供的。

4.

DＭＡ請求

STM32的DAC2

個通道都具有DＭＡ功能。2

個DＭＡ通道可分別用于2

個DAC通道的DＭＡ請求。如果將DAC_CR寄存器中的DＭＡＥnｘ位置1，一旦有外部觸發(fā)（而不是軟件觸發(fā)）發(fā)生，則產(chǎn)生一個DＭＡ請求，將指定地址中的數(shù)據(jù)存入DAC_DHRｘ寄存器中，隨后數(shù)據(jù)被傳送到DAC_DORｘ寄存器，啟動DAC轉(zhuǎn)換輸出。查STM32數(shù)據(jù)手冊可知，DAC通道1

與DＭＡ2

的通道3

對應(yīng)，DAC通道2

與DＭＡ2

的通道4

對應(yīng)。

7.2.4

STM32DAC的應(yīng)用

1.

STM32DAC硬件電路

STM32的DAC集成在芯片內(nèi)部，因此它的硬件電路非常簡單，如圖7.9

所示。其內(nèi)部帶運算放大器，具有一定的負(fù)載能力，開啟輸出緩沖使能可以增加帶負(fù)載

能力。一旦使能DACｘ通道，相應(yīng)的GPIO（PA4

或PA5）引腳就會自動與DAC的模擬輸出相連。圖7.9

DAC硬件電路

2.

開啟DAC輸出的步驟

要正確使用STM32的DAC，需要對相應(yīng)的GPIO

引腳、系統(tǒng)時鐘、DAC控制寄存器等進行一系列的設(shè)置，如果使用了定時器觸發(fā)、外部中斷觸發(fā)和DＭＡ功能，還需要對這些外設(shè)進行配置。下面以軟件觸發(fā)DAC通道1

產(chǎn)生三角波為例，講述使用DAC的一般步驟。

1）GPIO

引腳配置

STM32的DAC通道1

模擬量輸出在PA4

引腳上，因此需要先使能ＰORｔＡ的時鐘，并將PA4

引腳配置為模擬量輸入。DAC本身是輸出，將PA4

引腳配置為模擬量輸入是為了避免額外的干擾和降低功耗。

3.

DAC應(yīng)用的軟件設(shè)計

下面通過幾個應(yīng)用實例，進一步了解和掌握STM32DAC應(yīng)用的具體方法。

【例7.1】在DAC通道1

上自定義輸出方波，通道觸發(fā)關(guān)閉。

【例7.2】使用軟件觸發(fā)方式，在DAC通道1

上產(chǎn)生正弦波，DAC通道2

上產(chǎn)生鋸齒波。

【例7.3】使用定時器2

觸發(fā)，在DAC通道1

上產(chǎn)生三角波，通道2

上產(chǎn)生噪聲。

【例7.4】用DMA的方式在ADC通道1

上產(chǎn)生正弦波，選擇定時器2

觸發(fā)。

7.3Ａ∕D

轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)

7.3.1Ａ∕D

轉(zhuǎn)換原理在A/D轉(zhuǎn)換中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)的，而輸出的數(shù)字信號是離散量，所以進行轉(zhuǎn)換時只能按一定的時間間隔對輸入的模擬信號進行采樣，然后再把采樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。通常A/D轉(zhuǎn)換需要經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼四個步驟。

1.

采樣和保持

A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，在轉(zhuǎn)換過程中，如果輸入到ADC的模擬量發(fā)生變化，則不能保證轉(zhuǎn)換精度。為此，需要在ADC前加入采樣保持電路，最基本的采樣保持器電路如圖7.10

所示。采樣時，V

C

為高電平，開關(guān)s

導(dǎo)通，模擬信號V

in通過s

向電容ＣH充電，如果電容ＣH

電容值很小，電容可以在很短的時間內(nèi)完成充放電，輸出電壓V

O

跟蹤輸入模擬信號的變化。保持時，V

C

為低電平，開關(guān)s

斷開，由于集成運放的輸入阻抗高，電容放電緩慢，輸出電壓V

O

保持在模擬開關(guān)斷開瞬間的輸入信號值。圖7.10基本的采樣保持器電路圖

在進行數(shù)據(jù)采集之前，需要確定采樣頻率：即在一段固定時間內(nèi)采集數(shù)據(jù)的點數(shù)。采樣頻率是一個很重要的參數(shù)，采樣頻率越高，采樣越密，單位時間內(nèi)的采樣值越多，采樣信號就越接近輸入信號的波形，如圖7.11

所示。圖7.11采樣和保持波形示意圖

2.

量化與編碼

輸入的模擬電壓信號經(jīng)過采樣和保持后，得到的是階梯波，而階梯波仍是一個模擬信號。量化就是用基本量化單位的個數(shù)來表示采樣到的模擬信號的幅值，從而實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，這個過程也稱為量化過程。編碼是把已經(jīng)量化的模擬值用二進制、BCD或其他碼來表示，這個過程稱為編碼。

例如，一個12

位的A/D轉(zhuǎn)換器，把輸入電壓分成了4096

等份，若量程為0～3.3

V，則量化單位Δ為

由于模擬電壓信號在數(shù)值上是連續(xù)的，不一定被量化單位Δ整除，所以在量化過程中就可能引入誤差量。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，量化的誤差就越小。例如10

位的A/D轉(zhuǎn)換器最小量化誤差為

由此可見，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，量化等級越細(xì)，量化誤差越小。量化時對誤差有兩種處理方法：只舍不入和有舍有入。只舍不入是將不足一個量化單位的尾數(shù)去掉，取原整數(shù)，誤差相對較大。有舍有入是當(dāng)尾數(shù)小于Δ／2

時用舍尾取整法得其量化值，當(dāng)尾數(shù)大于Δ／2

用舍尾入整法得其量化值。

7.3.2Ａ∕D

轉(zhuǎn)換器分類

隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計思想和制作技術(shù)層出不窮。為了滿足不同檢測和控制任務(wù)的需求，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)運而生。盡管A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前應(yīng)用較為廣泛的主要有三種類型：逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器和V/F變換型A/D轉(zhuǎn)換器。下面簡要介紹這三種A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理。

1.

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是較為常用的一種A/D轉(zhuǎn)換器。它由比較器、參考電源、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器與控制邏輯等部分組成。圖7.12逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

2.

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種高精度、低速度的轉(zhuǎn)換器件，在各種實時性要求不高的測量儀表中有廣泛應(yīng)用。其基本原理是：把待轉(zhuǎn)換的模擬電壓V

A

變換成與之成比例的時間，并在此時間內(nèi)用恒定頻率的脈沖去計數(shù)，這樣就將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字n；n

和V

A

也成正比，也稱為模擬電壓—時間間隔—數(shù)字量轉(zhuǎn)換原理。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖7.13

所示，它由積分器、計數(shù)器、比較器和邏輯控制電路組成。圖7.13雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)圖

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理如圖7.14

所示。轉(zhuǎn)換器先將計數(shù)器復(fù)位，積分電容Ｃ完全放電后，其工作分為兩個階段：

在第一階段，首先對輸入模擬電壓進行固定時間的積分，積分結(jié)束后積分器的輸出電壓為V；然后在此基礎(chǔ)上對該電壓按照一個固定的斜率（取決于參考電壓）進行第二階段的反向積分，并記錄積分器輸出由V

降為0

的時間。圖7.14雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換過程中進行兩次積分，具有如下優(yōu)點：

·抗干擾能力強。尤其對工頻干擾有較強的抑制作用，只要選擇定時器積分時間為20ｍs

的整數(shù)倍即可。

·具有較高的轉(zhuǎn)換精度。這主要取決于計數(shù)脈沖周期，計數(shù)脈沖頻率越高，計數(shù)精度也就越高。

·電路結(jié)構(gòu)簡單。對積分元件R、Ｃ參數(shù)精度要求不高，只要穩(wěn)定性好即可。

·編碼方便。數(shù)字量輸出既可以是二進制，也可以是BCD碼，僅取決于計數(shù)器的計數(shù)規(guī)律。

3.

V/F變換型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

V/F變換是把電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號，其核心部件是電壓—頻率（V/F）變換器。它是將待轉(zhuǎn)換的模擬電壓信號先變換為脈沖信號，該脈沖信號的頻率與信號幅值成正比，然后在一段標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi)，用計數(shù)器累計所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，這就是電壓—頻率—數(shù)字轉(zhuǎn)換原理。

V/F變換器內(nèi)部電路圖如圖7.15（ａ）所示。圖7.15

V/F變換器

圖7.16

給出了完整的V/F變換型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理圖。時基電路產(chǎn)生若干精確的時間間隔，即時基信號，通常取10

s、1

s

或0.1

s

等。計數(shù)器的計數(shù)值經(jīng)鎖存器鎖存后輸出，完成A/D轉(zhuǎn)換全部過程。圖7.16

V/F變換型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理圖

V/F變換型A/D轉(zhuǎn)換器具有以下優(yōu)點：

·由于應(yīng)用了積分電容，具有很好的抗干擾性。V/F變換本身是一個積分過程，用V／F變換器實現(xiàn)A/D變換就是頻率計數(shù)過程，相當(dāng)于在計數(shù)時間內(nèi)對頻率信號進行積分，因而具有較強的抗干擾能力。

·具有良好的線性度和較高的分辨率。數(shù)字位數(shù)與時基信號持續(xù)時間T有關(guān)，T越長，則轉(zhuǎn)換數(shù)字量的位數(shù)就越多。

·電路結(jié)構(gòu)簡單。對外接電容Ｃ要求不高，只要求保持良好的穩(wěn)定性即可。

·接口簡單、占用計算機硬件資源少。頻率信號可輸入CPU的任一個I/O端口或作為中斷及計數(shù)輸入等。

·便于遠(yuǎn)距離傳輸。由于頻率量是開關(guān)信號，因此可以長距離傳輸而不受干擾。

由于以上這些特點，V/F變換器應(yīng)用于一些非快速而需進行較長距離信號傳輸?shù)模粒疍轉(zhuǎn)換過程，此外還可以簡化電路、降低成本、提高性價比。

上述三種A/D轉(zhuǎn)換方法各有特點，不同的性能使它們各自適用于不同的應(yīng)用場合。雙積分型ADC屬于間接轉(zhuǎn)換，其特點是精度高、價格便宜，抗干擾能力強，但轉(zhuǎn)換速率較低。由于雙積分型ADC是利用平均值轉(zhuǎn)換，因此對于常態(tài)干擾的抑制能力較強，常用于數(shù)字電壓表等低速場合。

7.3.3

Ａ/D

轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)

Ａ/D

轉(zhuǎn)換可以有多種實現(xiàn)方式，但它們的性能特點和價格有很大差異。因此在選用時應(yīng)注意各種A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能是否滿足應(yīng)用要求，以及在價格上是否合理。ＡD

轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)主要有以下幾個方面。

1.

分辨率

ADC的分辨率是指能分辨的輸入模擬量的最小值，即輸出數(shù)字量最低位LSB

由1→0或由0→1

變化時輸入模擬量變化的最小值，是A/D輸出的二進制或十進制數(shù)的位數(shù)，也是A/D轉(zhuǎn)換器理論上能達(dá)到的精度。分辨率通常用二進制位數(shù)來表示。

2.

轉(zhuǎn)換速率

ADC的轉(zhuǎn)換速率就是能夠重復(fù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。而完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，則是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。ADC的轉(zhuǎn)換速率與A/D轉(zhuǎn)換原理相關(guān)，雙積分型ADC轉(zhuǎn)換速率較慢，而逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換速率較快。

3.

量化誤差

量化誤差是由ADC的有限分辨率所引起的誤差。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果只能是有限數(shù)量的定值，而模擬信號的取值則是無限的。一個分辨率有限的ADC的階梯狀輸入輸出特性曲線與具有無限分辨率的ADC輸入輸出特性曲線（直線）之間的最大偏差，稱為量化誤差，如圖7.17

所示。

圖7.17

ADC的輸入輸出特性與量化誤差

4.

轉(zhuǎn)換精度

ADC的轉(zhuǎn)換精度有絕對精度和相對精度之分。

所謂絕對精度是指在ADC的整個量程范圍內(nèi)，所對應(yīng)的模擬信號值與實際值之差的最大值，也就是ADC輸出數(shù)值偏離線性最大的距離，單位是LSB，它包括所有的誤差。相對精度是絕對精度與滿量程輸入信號的百分比。

應(yīng)當(dāng)注意，精度和分辨率是兩個不同概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得到的實際值相對于理論值的誤差或接近程度；而分辨率則是指能夠?qū)D(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。

引起ADC誤差的原因除了量化誤差以外，還有設(shè)備誤差。由ADC各種元件的非理想特性造成的誤差稱為設(shè)備誤差，主要有以下幾種。

（1）偏移誤差。偏移誤差指ADC的最低有效位為1

時，其實際輸入電壓與理論輸入電壓之差。

（2）滿刻度誤差。滿刻度誤差又稱為增益誤差。

（3）線性度。線性度有時也稱為非線性度，它是指ADC實際的輸入輸出特性曲線與理想直線的最大偏差。

7.3.4多通道數(shù)據(jù)采集

在計算機測量和控制系統(tǒng)中，很多時候需要對多種參數(shù)進行采集和控制，為了節(jié)省硬件，可以共用同一個A/D或D/A轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)多個回路的多參數(shù)的采集、轉(zhuǎn)換和控制。解決多個回路和A/D或D/A轉(zhuǎn)換器之間的切換問題的硬件設(shè)備稱作多路模擬開關(guān)。

圖7.18

所示是一個多回路分時共用Ａ／D、D/A轉(zhuǎn)換器的多路模擬開關(guān)框圖。圖中，在模擬量輸入端和模擬量輸出端都分別用到了多路模擬開關(guān)，但是兩個多路模擬開關(guān)作用不同。在模擬量輸入通道中實現(xiàn)的是“多選一”形式，即多路模擬開關(guān)的輸入是多路待轉(zhuǎn)換的模擬量，每次只能選其中的一路，該通路經(jīng)采樣保持器，送到A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換后，送入計算機進行處理。在模擬量輸出通道中實現(xiàn)的是“一到多”形式，即D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬控制信號，經(jīng)過多路模擬開關(guān)變換，被送到多個控制對象中的某一個上。圖7.18多回路分時共用Ａ／D、D/A轉(zhuǎn)換器框圖

7.4

STM32的ADC

STM32芯片內(nèi)部集成有12

位的A/D轉(zhuǎn)換器，該ADC是一種逐次逼近型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。它有多達(dá)18

個通道，可測量16

個外部和2

個內(nèi)部信號源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式儲存在16

位的寄存器中。ADC的輸入時鐘不得超過14

MHZ，它是由ＰＣＬＫ2

經(jīng)分頻產(chǎn)生的。

7.4.1

STM32ADC功能簡介

·12

位分辨率

·轉(zhuǎn)換結(jié)束、注入轉(zhuǎn)換結(jié)束和發(fā)生模擬看門狗事件時產(chǎn)生中斷

·單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式

·從通道0

到通道n

的自動掃描模式

·自校準(zhǔn)

·帶內(nèi)嵌數(shù)據(jù)一致性的數(shù)據(jù)對齊

·采樣間隔可以按通道分別設(shè)置

·規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換均有外部觸發(fā)選項

·間斷模式

·雙重模式（帶2

個或以上ADC的器件）

·ADC轉(zhuǎn)換時間：1μs～2μs

·ADC供電要求：2.4～3.6

V；

·ADC輸入范圍：V

REF－≤V

in≤V

REF+

·規(guī)則通道轉(zhuǎn)換期間有DＭＡ請求產(chǎn)生

圖7.19

所示為一個ADC模塊的框圖，其引腳說明見表7.1。圖7.19

ADC模塊框圖

根據(jù)STM32產(chǎn)品不同，ADC轉(zhuǎn)換器個數(shù)不等，最多有3

個，分別是ADC1、ADC2和ADC3。每個ADC轉(zhuǎn)換器都可以獨立工作，分配了與之對應(yīng)的通道和I/O引腳，如表7.2

所示。例如通道0，描述為ADC123_Ｉn0，引腳PA0，表示使用PA0

引腳作為模擬量輸入的ADC通道0，ADC1、ADC2

和ADC3

都可以使用。通道16

為內(nèi)部溫度傳感器輸入，通道17為V

REFINT內(nèi)部參考電壓輸入，溫度傳感器和V

REFINT只能使用ADC1

進行轉(zhuǎn)換。

所有輸入通道被分成規(guī)則通道（最多16

通道）和注入通道（最多4

通道）兩類，注入通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果分別存放于4

個16

位數(shù)據(jù)寄存器中，而所有的規(guī)則通道則共用一個16

位的數(shù)據(jù)寄存器。除此以外，兩通道的觸發(fā)控制和轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志信號都有不同，注入組的控制和狀態(tài)信號一般都以字母Ｊ開頭。

需要注意ADC3

的規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換與ADC1

和ADC2

的不同；TIM8_ＣＨ4

和TIM8_ＴRＧO

及它們的重映射位只存在于大容量產(chǎn)品中。

7.4.2

STM32ADC的工作模式

STM32的ADC有多種轉(zhuǎn)換工作模式，功能十分強大。如圖7.20

所示，單通道單次轉(zhuǎn)換可用于系統(tǒng)初始時檢測某些外部條件是否滿足，從而決定系統(tǒng)是否啟動。而多通道連續(xù)轉(zhuǎn)換則在ADC初始化完成后經(jīng)一次觸發(fā)后自動連續(xù)轉(zhuǎn)換，CPU只需要在轉(zhuǎn)換完成后從ADC的數(shù)據(jù)寄存器中取走結(jié)果。在這些工作方式的支持下，STM32的ADC將許多原來由應(yīng)用軟件完成的工作變成由硬件實現(xiàn)，大大簡化了應(yīng)用程序，節(jié)約了CPU的運行時間。

特別是在連續(xù)轉(zhuǎn)換工作模式下，配合DＭＡ控制器可將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果自動搬運到指定的內(nèi)存空間，CPU不參與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取和轉(zhuǎn)換的啟動，讓ADC全自動化地工作，把CPU的負(fù)荷降到最低。圖7.20

STM32ADC的基本工作模式

1.

獨立ADC和雙ADC模式

含有2

個或以上ADC模塊的STM32產(chǎn)品，可以采用雙ADC模式，也可以采用獨立ADC模式。在獨立ADC模式下，每個ADC模塊可以獨立工作，但不能同步。在雙ADC模式下，可實現(xiàn)同步觸發(fā)和交替觸發(fā)等很多種不同模式。這些模式在STM32參考手冊中有詳細(xì)介紹。本節(jié)只討論獨立ADC模式。

2.

規(guī)則通道和注入通道

STM32的每個ADC模塊都是通過內(nèi)部的模擬多路開關(guān)，切換到不同的輸入通道進行采樣與轉(zhuǎn)換。為了避免在程序中頻繁切換通道的麻煩，STM32引入了成組轉(zhuǎn)換的工作原理，可以由程序預(yù)先設(shè)置好待轉(zhuǎn)換的通道后，對多個模擬通道自動地進行逐個采樣和轉(zhuǎn)換。按照功能不同將輸入通道分成了規(guī)則通道組和注入通道組。

1）規(guī)則通道

規(guī)則通道組最多可以安排16

個通道，最少要安排1

個通道，多于1

個通道的稱為多通道數(shù)據(jù)采集，只有1

個通道的稱為單通道數(shù)據(jù)采集。規(guī)則通道組個數(shù)要寫入ADC_SQR1

寄存器的L［3：0］位中，而它們的轉(zhuǎn)換順序要寫入ADC_SＱR1～ADC_SＱR3

寄存器中，規(guī)則通道的觸發(fā)方式在ADC_ＣR2

寄存器中的ＥＸTSEL［2：0］位中配置。

2）注入通道

注入通道組最多可以安排4

個通道，如果啟用注入通道，最少要安排1

個通道。注入通道的個數(shù)要寫入ADC_JSQR寄存器的L［1：0］位中，而它們的轉(zhuǎn)換順序要寫入ADC_JSQR

寄存器中，注入通道的觸發(fā)方式在ADC_ＣR2

寄存器中的ＪＥＸTSEL［2：0］位中配置。

3.

單次轉(zhuǎn)換模式

在單次轉(zhuǎn)換模式下，ADC只執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換。將ADC_ＣR2

寄存器中的CONT位置0

可選擇單次轉(zhuǎn)換模式。該模式既可通過軟件啟動（只使用規(guī)則通道），也可以通過外部觸發(fā)啟動（適用于規(guī)則通道和注入通道），啟動一次轉(zhuǎn)換一次，一旦轉(zhuǎn)換完成，則：

（1）如果是規(guī)則通道被轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在16

位的寄存器ADC_DR

中，置轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位EOＣ＝1，如果使能了中斷EOCIE，則產(chǎn)生中斷，然后ADC停止工作。

（2）如果是注入通道被轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在16

位的寄存器ADC_CRJ1

中，注入轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位JＥOＣ＝1，如果使能了中斷JEOCIE，則產(chǎn)生中斷，然后ADC停止工作。

4.

連續(xù)轉(zhuǎn)換模式

在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式中，當(dāng)前面一次ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后，馬上啟動另一次轉(zhuǎn)換。將ADC_ＣR2

寄存器中的ＣOnT位置1

可選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，此模式可通過外部觸發(fā)啟動或軟件觸發(fā)啟動，一旦啟動后，ADC執(zhí)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入ADC_DR

寄存器中，如果使能中斷則產(chǎn)生中斷信號，ADC會繼續(xù)啟動下一次的ADC轉(zhuǎn)換，一直循環(huán)往復(fù)。由于規(guī)則通道共用一個結(jié)果數(shù)據(jù)寄存器，如果規(guī)則通道的ADC_DR

寄存器中的數(shù)據(jù)沒有及時取走，數(shù)據(jù)會被下一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果替換。

5.

掃描模式

掃描模式用來掃描一組模擬通道，該模式可通過設(shè)置ADC_CR1

寄存器中SCAN

位設(shè)置，SCAN＝0

表示關(guān)閉掃描模式，SCAN＝1

表示開啟掃描模式。

6.

間斷模式

間斷模式是對多通道轉(zhuǎn)換序列的一個補充，間隔長度為n（n≤8），它必須由外部事件觸發(fā)。

7.4.3

STM32ADC的轉(zhuǎn)換

1.

ADC數(shù)據(jù)格式

1）規(guī)則通道

在規(guī)則通道模式下，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在ADC_DR

中。

2）注入通道

在注入通道模式下，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果要減去存放在ADC_JOFRｘ寄存器中定義的偏移量，最終結(jié)果寫入ADC_JDRｘ寄存器（ｘ＝1～4

對應(yīng)選擇的注入通道號）。

2.

可編程采樣時間

ADC使用若干個ADC_CLK

周期對輸入電壓進行采樣，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。每個通道可以分別用不同的時間采樣?？傓D(zhuǎn)換時間計算如下：TCONV

＝采樣時間＋12.5

個周期。

3.

校準(zhǔn)

ADC有一個內(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，每個電容器上都會計算出一個誤差修正碼（數(shù)字值），這個碼用于消除在隨后的轉(zhuǎn)換中每個電容器上產(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。建議在上電時執(zhí)行一次ADC校準(zhǔn)。校準(zhǔn)階段結(jié)束后，校準(zhǔn)碼存儲在ADC_DR

中。

4.

轉(zhuǎn)換啟動

ADC啟動可以由軟件觸發(fā)，也可以由外部事件觸發(fā)（例如定時器捕獲、EXTI

線）。如果設(shè)置了EXTTRIG

控制位，則外部事件就能夠觸發(fā)轉(zhuǎn)換。EXTTSEL［2：0］和JEXTSEL［2：0］控制位允許應(yīng)用程序選擇8

個可能事件中的某一個，EXTSEL［2：0］位設(shè)置規(guī)則通道組觸發(fā)源，JEXTSEL［2：0］位設(shè)置注入通道組觸發(fā)源的采樣。規(guī)則通道和注入通道觸發(fā)源清單如表7.3

所示，