簡述單片機中的AD&DA模數(shù)轉換

1、 理解模擬信號 & 數(shù)字信號

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

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

也可以理解為在一段連續(xù)的時間間隔內，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（變動的）的信號。像那些電壓/電流與聲音這些都是模擬信號。

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

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

2、ADC & DAC

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

A/D 轉換器也就是把模擬信號（A）轉換成數(shù)字信號（D）的器件。

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

3、常用ADC 種類介紹

A/D與D/A 轉換器的發(fā)展有較長的歷史了，經(jīng)歷了多次的技術革新和改進，目前常見的模數(shù)、數(shù)模轉換器（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主要應用于高速情況下的瞬態(tài)信號處理、快速波形存儲與記錄等領域。

1.∑-Δ 型 ADC


說明：
∑-Δ 型 ADC 主應用于高精度數(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、聲納等電子測量領域。

此外還有：

1．并行比較 A/D 轉換器

這些轉換器各有其優(yōu)缺點，不同的應用場合需要根據(jù)實際的使用情況進行選擇，基本各種應用

場合都有滿足條件的ADC可選擇使用。

4、ADC 的工作原理

在芯片內，模擬信號傳輸進去的時候，通過和芯片內部的模擬信號部件進行比對之后，從而轉換為數(shù)字信號保存到數(shù)字信號寄存器中，從而把一段模擬信號用數(shù)字的方式表達出來（0和1）的方式表達出來。

以逐次逼近型AD轉換為例。

逐次逼近型模數(shù)轉換器原理框圖可以表示如下：

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

為了更好的說明逐次逼近型AD轉換的大致原理，舉個例子說明一下：

逐次逼近轉換過程可以用天平稱物重進行比擬。

假如一開始我們并不能知道物體的重量，用天平稱量這個重物過程時，我們可以先從最重的砝碼開始試放，與被稱物體行進比較，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砝碼是留下還是移去，就是這樣反復多次的比較，最終得出物體的重量。

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

所以上面的框圖就可以詳細理解為：

1）轉換開始前先將所有寄存器清零。
2）開始轉換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成 1，使輸出數(shù)字為 100…0。
   這個數(shù)被數(shù)模轉換器轉換成相應的模擬電壓 Uo，送到比較器中與 Ui 進行比較。
   若 Uo＞Ui，說明數(shù)字過大了，故將最高位的 1 清除；
   若 Uo＜Ui ，說明數(shù)字還不夠大，應將最高位的 1 保留。
3）反復如此，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 1 是否應該保留。
4）最終就可以得到一個逼近Ui的數(shù)值。

因此，逐次逼近型ADC的工作流程，可以總結為：

（1）采樣
（2）保持
（3）量化

5、STM32的ADC的介紹

目前市場上流行的單片機幾乎都有ADC功能，精度有高有低，使用的較多的，當屬STM32了。下面以STM32F1為例。

STM32F1的ADC是12位的逐次逼近型的模數(shù)轉換器。

它的AD的基本特點:

5.1、STM32F1的 ADC 開關控制

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

ADC上電延遲一段時間后(t STAB )，再次設置ADON位時開始進行轉換。通過清除ADON位可以停止轉換，并將ADC置于斷電模式。在這個模式中，ADC幾乎不耗電(僅幾個μA)。

5.2、STM32F1的 ADC 時鐘

由時鐘控制器提供的ADCCLK時鐘和PCLK2(APB2時鐘)同步。RCC控制器為ADC時鐘提供一個專用的可編程預分頻器。

5.3、STM32F1的 ADC 通道

有16個多路通道?？梢园艳D換組織成兩組：規(guī)則組和注入組。在任意多個通道上以任意順序進行的一系列轉換構成成組轉換。例如，可以如下順序完成轉換：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寄存器在轉換期間被更改，當前的轉換被清除，一個新的啟動脈沖將發(fā)送到ADC以轉換新選擇的組。

5.4、ADC轉換模式

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

2）在連續(xù)轉換模式中，當前面ADC轉換一結束馬上就啟動另一次轉換。此模式可通過外部觸發(fā)啟動或通過設置ADC_CR2寄存器上的ADON位啟動，此時CONT位是1。

5.5、ADC校準

ADC有一個內置自校準模式。校準可大幅減小因內部電容器組的變化而造成的準精度誤差。在校準期間，在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換中每個電容器上產生的誤差。

通過設置ADC_CR2寄存器的CAL位啟動校準。一旦校準結束，CAL位被硬件復位，可以開始正常轉換。建議在上電時執(zhí)行一次ADC校準。校準階段結束后，校準碼儲存在ADC_DR中。

注意：

1 建議在每次上電后執(zhí)行一次校準。
2 啟動校準前， ADC 必須處于關電狀態(tài) (ADON=’0’) 超過至少兩個 ADC 時鐘周期。

5.6、ADC通道的采樣時間

ADC使用若干個ADC_CLK周期對輸入電壓采樣，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。每個通道可以分別用不同的時間采樣。

總轉換時間如下計算：

T CONV = 采樣時間+ 12.5個周期

例如：

當ADCCLK=14MHz，采樣時間為1.5周期


T CONV = 1.5 + 12.5 = 14周期 = 1μs