综合5实验报告

江南大学物联网工程学院实验报告课程名称 嵌入式系统 实验名称 ADC应用实验 实验日期 2016-5- 班级 计科1305 姓名 艾克然木 学号 1030413511 仪器编号 实验报告要求 1.实验目的 2.实验设备 3.实验内容 4.实验原理 5.实验代码 6.实验结果 一、实验目的1了解 A/D转换的基本原理。2掌握 A/D 转换的编程方法。二、实验设备PC机、ARM 仿真器、ARM实验箱。三、实验内容编写程序，将实验箱上的A/D转换器读到的电压值同时以下述两种方式显示出来。具体要求如下：（一）七段数码管显示：以mV为单位，循环显示两路A/D转换器采集到的电压值即可（3秒切换一次）。即：前3秒显示第一路A/D采集到的电压，例如P1234；后3秒显示第二路A/D采集到的电压，例如U3567；最后按照上述规律循环显示（标示符P和U用以区分具体是哪一路的电压值，标示符后面是以mV为单位的电压值）。（二）LCD屏幕显示：以mV为单位，循环显示两路A/D转换器采集到的电压值。前3秒显示第一路A/D采集到的电压，例如P1234；后3秒显示第二路A/D采集到的电压，例如U3567；最后按照上述规律循环显示。要求在LCD屏幕上的某个位置显示自己的姓名和学号。四、实验原理随着电子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用，利用数 字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数 字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量，模拟量经传感器转换成电信号的模拟量 后，需要经过经模/数转换变成数字信号才可输入到数字系统中进行处理和控制，因而作为 把模拟电量转换成数字量输出的接口电路-A/D 转换器是现实世界中模拟信号向数字信号的 桥梁，是电子技术发展的关键和瓶所在。当前，为了适应计算机、通讯和多媒体技术的飞速发展以及高新技术领域的数字化进程 不断加快，ADC在工艺、结构、性能上都有了很大的变化，正在朝着低功耗、高速、高分 辨率的方向发展。4.1 ADC 的主要类型目前，世界上有多种类型的 ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型 ADC，也有近年来新发展起来的-型和流水线型 ADC，多种类型的 ADC 各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。低功耗、高速、高分辨率是新型的 ADC 的发展方向，同时 ADC 的这一发展方向将适应现代数字电子技术的发展。任何 ADC 都包括三个基本功能：抽样、量化和编码。抽样过程将模拟信号在时间上离散化，使之成为抽样信号；量化将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；编码则将数字信号弹簧表示成数字系统所能接受的形式。如何实现这三个功能就决定了ADC的形式和性能。同时，ADC 的分辨率越高，需要的转换时间就越长，转换速度就越低，故ADC 的分辨率和转换速率两者总是相互制约的。因而在发展高分辨率ADC的同时要兼顾高速，在发展高速ADC的同时要兼顾高分辨率，在此基础上还要考虑功耗、体积、便捷性、多功能、与计算机及通讯网络的兼容性以及应用领域的特殊要求等问题，这样也使得 ADC 的结构和分类错综复杂。目前，ADC 集成电路主要有以下几种类型。4.1.1 并行比较 ADC并行比较 ADC 是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在 1GSPS 以上，通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的 ADC 所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。增加输出代码对转换时间的影响较小，但随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计以实现转换所必需的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增加一位，精密电阻数量就要增加一倍，比较器也近似增加一倍。例如，n 位的 ADC 需要2n个精密电阻和2(n-1)个并联比较器。分压电阻网络彼此相差 1 个最低有效位 VR/2n。优点：模/数转换速度最高。 缺点：分辨率不高，功耗大，成本高。闪烁式ADC的分辨率受管芯尺寸、过大的输入电容、大量比较器所产生的功率消耗等 限制。结果重复的并联比较器如果精度不匹配，还会造成静态误差，如会使输入失调电压增 大。同一类型的ADC由于比较器的亚稳压、编码气泡，还会产生离散的、不精确的输出，即所谓的“火花码”。这类 ADC 的优点是模/数转换速度最高，缺点是分辨率不高，功耗大，成本高。现代发展的高速 ADC电路结构主要采用这种全并行的ADC，但由于功率和体积的限制，要制造高分辨率闪烁式ADC是不现实的。由两个较低分辨率的闪烁式ADC构成较高分辨率的半闪烁式ADC或分级型ADC是当今世界制造高速ADC的主要方式。其转换过程分为两步：第一步是粗化量化。先用并行方式进行高4位的转换，作为转换后的高4位输出，同时再把数字输出进行D/A转换，恢复成模拟电压。第二步是进一步细化量化。把原输入电压与D/A转换器输出的模 拟电压相减，其差值再进行低 4 全的 A/D 转换。然后将上述两级A/D转换器的数字输出并联后作为总的输出。这样，在转换速度上作出了一点牺牲，但解决了分辨率提高和元件数目刷增的矛盾。现代高速ADC与普通 ADC 相比的主要特点是：单电源性能；将基准电源、采样保持器和增益放大器集成在一块芯片上，集成度高；采用标准的0.6m的CMOS工艺开发各种价格的低功耗ADC。4.1.2 逐次逼近型逐次逼近型 ADC 是应用非常广泛的模/数转换方法，它由比较器、D/A 转换器、比较寄存器 SAR、时钟发生器以及控制逻辑电路组成，将采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数。实现原理：首先将DAC的最高有效位MSB保存到SAR，接着将该值对应的电压与输入电压进行比较。比较器输出被反馈到DAC，并在一次比较前对其进行修正。在逻辑控制电路和时钟驱动下，SAR不断进行比较和移位操作，直到完成LSB的转换，此时所产生的DAC输出逼近输入电压的±1/2LSB。当每一位都确定后，转换 结果被锁存到SAR并作为 ADC 输出。这一类型 ADC 的优点：高速，采样速率可达 1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低；在分辨率低于12位时，价格较低。缺点：在高于14位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。优点：分辨率低于12位时，价格较低，采样速率可达 1MSPS；与其它ADC相比，功耗相当低。缺点：在高于14位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。4.1.3 积分型 ADC积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，是应用比较广泛的一类转换器。它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。其工作分为两个阶段，第一阶段为采样期；第二阶段为比较期。通过两次积分和计数器的计数可以得到模拟信号的数字值D=2nV1/VR，其中n为计数器的位数，V1为输入电压在固定 时间间隔内的平均值。积分型ADC两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的D表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压 VR。此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。其优点是：分辨率高，可达22位；功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，转换速率在 12 位时为 100300SPS。优点：分辨率高，可达 22 位；功耗低、成本低。 缺点：转换速率低，转换速率在 12 位时为100300SPS。4.1.4 压频变换型 ADC前面所讲到的并行比较ADC和逐次逼近型ADC均属于直接转换ADC，而积分型和下面所讲到的压频变换型ADC则属于间接ADC。压频变换型ADC是先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量。从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限 增加，只要采用时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度即可。其优点是： 精度高、价格较低、功耗较低。缺点是：类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位 时为100300SPS。4.1.5 -型 ADC与一般的 ADC 不同，-型 ADC 不是直接根据抽样第一个样值的大小进行量化编码，而根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。从某种意义讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。-型 ADC 由两部分组成，第一部分为模拟-调制器，第二部分为数字抽取滤波器， -调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号即-码；然后将这种- 码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。由于-具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，因此-转换器又称为过抽样A/D转换器。这种类型的 ADC 采用了极低位的量化器，从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难；另一方面，因为它采用了-调制技术和数字抽取滤波，可以获得极高的分辨率；同时由于采用了低位量化输出的采用高分辨率的码，不会对抽样值幅度变化敏感，而且由于码位低，抽样与量化编码可以同时完成，几乎不花时间，因此不需要采样保持电路，这就使得采样系统的构成大为简化。这种增量调制型ADC实际上是以高速抽样率来换取高位量化，即以速度来换精度。近年来，采用高分辨率的-型ADC颇为流行，它的一个突 出优点是在一片混合信号CMOS大规模集成电路上实现了ADC与数字信号处理技术的结合。这一技术的其它优点：分辨率高达 24 位；比积分型及压频变换型 ADC 的转换速率高；采用混合信号 CMOS 工艺，可实现低价格、高分辨率的数据采集和数字信号处理；由于采 用高倍频过采样技术，降低了对传感器信号进行滤波的要求，实际上取消了信号调理。缺点：当高速转换时，需要高阶调制器；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型 ADC的功耗高。目前，-型 ADC 分为四类：（1）高速类 ADC；（2）调制解调器类 ADC；（3）编码器类 ADC；（4）传感器低频测量 ADC。优点：分辨率较高，高达 24 位；转换速率高，高于积分型和压频变换型 ADC；价格低； 内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，降低了对传感器信号进行滤波的要求。缺点：高速-型 ADC 的价格较高；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次逼近 型 ADC的功耗高。4.1.6 流水线型 ADC流水线结构 ADC，又称为子区式 ADC，它是一种高效和强大的模数转换器。它能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸；经过合 理的设计，还可以提供优异的动态特性。流水线型ADC由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率粗 A/D 转换器对输入进行量化，接着用一个至少n位精度