1、江南大學物聯網工程學院實驗報告課程名稱 嵌入式系統 實驗名稱 ADC應用實驗 實驗日期 2016-5- 班級 計科1305 姓名 艾克然木 學號 1030413511 儀器編號 實驗報告要求 1.實驗目的 2.實驗設備 3.實驗內容 4.實驗原理 5.實驗代碼 6.實驗結果 一、實驗目的1了解 A/D轉換的基本原理。2掌握 A/D 轉換的編程方法。二、實驗設備PC機、ARM 仿真器、ARM實驗箱。三、實驗內容編寫程序，將實驗箱上的A/D轉換器讀到的電壓值同時以下述兩種方式顯示出來。具體要求如下：（一）七段數碼管顯示：以mV為單位，循環顯示兩路A/D轉換器采集到的電壓值即可（3秒切換一次）。即：

2、前3秒顯示第一路A/D采集到的電壓，例如P1234；后3秒顯示第二路A/D采集到的電壓，例如U3567；最后按照上述規律循環顯示（標示符P和U用以區分具體是哪一路的電壓值，標示符后面是以mV為單位的電壓值）。（二）LCD屏幕顯示：以mV為單位，循環顯示兩路A/D轉換器采集到的電壓值。前3秒顯示第一路A/D采集到的電壓，例如P1234；后3秒顯示第二路A/D采集到的電壓，例如U3567；最后按照上述規律循環顯示。要求在LCD屏幕上的某個位置顯示自己的姓名和學號。四、實驗原理隨著電子技術的迅速發展以及計算機在自動檢測和自動控制系統中的廣泛應用，利用數 字系統處理模擬信號的情況變得更加普遍。數字電子

3、計算機所處理和傳送的都是不連續的數 字信號，而實際中遇到的大都是連續變化的模擬量，模擬量經傳感器轉換成電信號的模擬量 后，需要經過經模/數轉換變成數字信號才可輸入到數字系統中進行處理和控制，因而作為 把模擬電量轉換成數字量輸出的接口電路-A/D 轉換器是現實世界中模擬信號向數字信號的 橋梁，是電子技術發展的關鍵和瓶所在。當前，為了適應計算機、通訊和多媒體技術的飛速發展以及高新技術領域的數字化進程 不斷加快，ADC在工藝、結構、性能上都有了很大的變化，正在朝著低功耗、高速、高分 辨率的方向發展。4.1 ADC 的主要類型目前，世界上有多種類型的 ADC，有傳統的并行、逐次逼近型、積分型 ADC，

4、也有近年來新發展起來的-型和流水線型 ADC，多種類型的 ADC 各有其優缺點并能滿足不同的具體應用要求。低功耗、高速、高分辨率是新型的 ADC 的發展方向，同時 ADC 的這一發展方向將適應現代數字電子技術的發展。任何 ADC 都包括三個基本功能：抽樣、量化和編碼。抽樣過程將模擬信號在時間上離散化，使之成為抽樣信號；量化將抽樣信號的幅度離散化使之成為數字信號；編碼則將數字信號彈簧表示成數字系統所能接受的形式。如何實現這三個功能就決定了ADC的形式和性能。同時，ADC 的分辨率越高，需要的轉換時間就越長，轉換速度就越低，故ADC 的分辨率和轉換速率兩者總是相互制約的。因而在發展高分辨率ADC的

5、同時要兼顧高速，在發展高速ADC的同時要兼顧高分辨率，在此基礎上還要考慮功耗、體積、便捷性、多功能、與計算機及通訊網絡的兼容性以及應用領域的特殊要求等問題，這樣也使得 ADC 的結構和分類錯綜復雜。目前，ADC 集成電路主要有以下幾種類型。4.1.1 并行比較 ADC并行比較 ADC 是現今速度最快的模/數轉換器，采樣速率在 1GSPS 以上，通常稱為“閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結構的 ADC 所有位的轉換同時完成，其轉換時間主取決于比較器的開關速度、編碼器的傳輸時間延遲等。增加輸出代碼對轉換時間的影響較小，但隨著分辨率的提高，需要高密度的模擬設計以

6、實現轉換所必需的數量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數字增加一位，精密電阻數量就要增加一倍，比較器也近似增加一倍。例如，n 位的 ADC 需要2n個精密電阻和2(n-1)個并聯比較器。分壓電阻網絡彼此相差 1 個最低有效位 VR/2n。優點：模/數轉換速度最高。 缺點：分辨率不高，功耗大，成本高。閃爍式ADC的分辨率受管芯尺寸、過大的輸入電容、大量比較器所產生的功率消耗等 限制。結果重復的并聯比較器如果精度不匹配，還會造成靜態誤差，如會使輸入失調電壓增 大。同一類型的ADC由于比較器的亞穩壓、編碼氣泡，還會產生離散的、不精確的輸出，即所謂的“火花碼”。這類 ADC 的優點是模/數轉換速度最

7、高，缺點是分辨率不高，功耗大，成本高。現代發展的高速 ADC電路結構主要采用這種全并行的ADC，但由于功率和體積的限制，要制造高分辨率閃爍式ADC是不現實的。由兩個較低分辨率的閃爍式ADC構成較高分辨率的半閃爍式ADC或分級型ADC是當今世界制造高速ADC的主要方式。其轉換過程分為兩步：第一步是粗化量化。先用并行方式進行高4位的轉換，作為轉換后的高4位輸出，同時再把數字輸出進行D/A轉換，恢復成模擬電壓。第二步是進一步細化量化。把原輸入電壓與D/A轉換器輸出的模 擬電壓相減，其差值再進行低 4 全的 A/D 轉換。然后將上述兩級A/D轉換器的數字輸出并聯后作為總的輸出。這樣，在轉換速度上作出了

8、一點犧牲，但解決了分辨率提高和元件數目刷增的矛盾。現代高速ADC與普通 ADC 相比的主要特點是：單電源性能；將基準電源、采樣保持器和增益放大器集成在一塊芯片上，集成度高；采用標準的0.6m的CMOS工藝開發各種價格的低功耗ADC。4.1.2 逐次逼近型逐次逼近型 ADC 是應用非常廣泛的模/數轉換方法，它由比較器、D/A 轉換器、比較寄存器 SAR、時鐘發生器以及控制邏輯電路組成，將采樣輸入信號與已知電壓不斷進行比較，然后轉換成二進制數。實現原理：首先將DAC的最高有效位MSB保存到SAR，接著將該值對應的電壓與輸入電壓進行比較。比較器輸出被反饋到DAC，并在一次比較前對其進行修正。在邏輯控

9、制電路和時鐘驅動下，SAR不斷進行比較和移位操作，直到完成LSB的轉換，此時所產生的DAC輸出逼近輸入電壓的±1/2LSB。當每一位都確定后，轉換 結果被鎖存到SAR并作為 ADC 輸出。這一類型 ADC 的優點：高速，采樣速率可達 1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當低；在分辨率低于12位時，價格較低。缺點：在高于14位分辨率情況下，價格較高；傳感器產生的信號在進行模/數轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。優點：分辨率低于12位時，價格較低，采樣速率可達 1MSPS；與其它ADC相比，功耗相當低。缺點：在高于14位分辨率情況下，價格較高；傳感器產生的信號在

10、進行模/數轉換之前需要進行調理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。4.1.3 積分型 ADC積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，是應用比較廣泛的一類轉換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內利用計數器對時鐘脈沖進行計數，從而實現A/D轉換。其工作分為兩個階段，第一階段為采樣期；第二階段為比較期。通過兩次積分和計數器的計數可以得到模擬信號的數字值D=2nV1/VR，其中n為計數器的位數，V1為輸入電壓在固定 時間間隔內的平均值。積分型ADC兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發生器和計數器來確定，因此所得到的D表達式與時鐘頻率

11、無關，其轉換精度只取決于參考電壓 VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網的工頻干擾。這類ADC主要應用于低速、精密測量等領域，如數字電壓表。其優點是：分辨率高，可達22位；功耗低、成本低。缺點是：轉換速率低，轉換速率在 12 位時為 100300SPS。優點：分辨率高，可達 22 位；功耗低、成本低。 缺點：轉換速率低，轉換速率在 12 位時為100300SPS。4.1.4 壓頻變換型 ADC前面所講到的并行比較ADC和逐次逼近型ADC均屬于直接轉換ADC，而

12、積分型和下面所講到的壓頻變換型ADC則屬于間接ADC。壓頻變換型ADC是先將輸入模擬信號的電壓轉換成頻率與其成正比的脈沖信號，然后在固定的時間間隔內對此脈沖信號進行計數，計數結果即為正比于輸入模擬電壓信號的數字量。從理論上講，這種ADC的分辨率可以無限 增加，只要采用時間長到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數的寬度即可。其優點是： 精度高、價格較低、功耗較低。缺點是：類似于積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位 時為100300SPS。4.1.5 -型 ADC與一般的 ADC 不同，-型 ADC 不是直接根據抽樣第一個樣值的大小進行量化編碼，而根據前一量值與后一量值的差值即所謂的增量的大小

13、來進行量化編碼。從某種意義講，它是根據信號波形的包絡線進行量化編碼的。-型 ADC 由兩部分組成，第一部分為模擬-調制器，第二部分為數字抽取濾波器， -調制器以極高的抽樣頻率對輸入模擬信號進行抽樣，并對兩個抽樣之間的差值進行低位量化，從而得到用低位數碼表示的數字信號即-碼；然后將這種- 碼送給第二部分的數字抽取濾波器進行抽取濾波，從而得到高分辨率的線性脈沖編碼調制的數字信號。因此抽取濾波器實際上相當于一個碼型變換器。由于-具有極高的抽樣速率，通常比奈奎斯特抽樣頻率高出許多倍，因此-轉換器又稱為過抽樣A/D轉換器。這種類型的 ADC 采用了極低位的量化器，從而避免了制造高位轉換器和高精度電阻網絡

14、的困難；另一方面，因為它采用了-調制技術和數字抽取濾波，可以獲得極高的分辨率；同時由于采用了低位量化輸出的采用高分辨率的碼，不會對抽樣值幅度變化敏感，而且由于碼位低，抽樣與量化編碼可以同時完成，幾乎不花時間，因此不需要采樣保持電路，這就使得采樣系統的構成大為簡化。這種增量調制型ADC實際上是以高速抽樣率來換取高位量化，即以速度來換精度。近年來，采用高分辨率的-型ADC頗為流行，它的一個突 出優點是在一片混合信號CMOS大規模集成電路上實現了ADC與數字信號處理技術的結合。這一技術的其它優點：分辨率高達 24 位；比積分型及壓頻變換型 ADC 的轉換速率高；采用混合信號 CMOS 工藝，可實現低

15、價格、高分辨率的數據采集和數字信號處理；由于采 用高倍頻過采樣技術，降低了對傳感器信號進行濾波的要求，實際上取消了信號調理。缺點：當高速轉換時，需要高階調制器；在轉換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型 ADC的功耗高。目前，-型 ADC 分為四類：（1）高速類 ADC；（2）調制解調器類 ADC；（3）編碼器類 ADC；（4）傳感器低頻測量 ADC。優點：分辨率較高，高達 24 位；轉換速率高，高于積分型和壓頻變換型 ADC；價格低； 內部利用高倍頻過采樣技術，實現了數字濾波，降低了對傳感器信號進行濾波的要求。缺點：高速-型 ADC 的價格較高；在轉換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近

16、型 ADC的功耗高。4.1.6 流水線型 ADC流水線結構 ADC，又稱為子區式 ADC，它是一種高效和強大的模數轉換器。它能夠提供高速、高分辨率的模數轉換，并且具有令人滿意的低功率消耗和很小的芯片尺寸；經過合 理的設計，還可以提供優異的動態特性。流水線型ADC由若干級級聯電路組成，每一級包括一個采樣/保持放大器、一個低分辨率的ADC和DAC以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器。快速精確的n位轉換器分成兩段以上的子區（流水線）來完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后先由一個m位分辨率粗 A/D 轉換器對輸入進行量化，接著用一個至少n位精度的乘積型數模轉換器（MDAC

17、）產生一個對應于量化結果的模/擬電平并送至求和電路， 求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平。并將差值精確放大某一固定增益后關交下一級電路 處理。經過各級這樣的處理后，最后由一個較高精度的 K 位細A/D轉換器對殘余信號進行 轉換。將上述各級粗、細A/D的輸出組合起來即構成高精度的n位輸出。優點：有良好的線性和低失調；可以同時對多個采樣進行處理，有較高的信號處理速度， 典型的為 Tconv<100ns；低功率；高精度；高分辨率；可以簡化電路。缺點：基準電路和偏置結構過于復雜；輸入信號需要經過特殊處理，以便穿過數級電路造成流水延遲；對鎖存定時的要求嚴格；對電路工藝要求很高，電路板上設計得不合理

18、會影響增益的線性、失調及其它參數。4.2 AD 轉換器的主要技術指標1）分辯率(Resolution) 指數字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n 的比值。分辯率又稱精度，通常以數字信號的位數來表示。2）轉換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉換到數字的AD轉換所需的時間的倒數。積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD， 全并行/串并行型AD可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數值上等同于采樣

19、速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。3）量化誤差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD 的階梯狀轉移特性曲線與無限分辯率AD（理想AD）的轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數字量的模擬變化量，表示為 1LSB、1/2LSB。4）偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。5）滿刻度誤差(Full Scale Error) 滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。

20、6）線性度(Linearity) 實際轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移，不包括以上三種 誤差。其他指標還有：絕對精度(Absolute Accuracy) ，相對精度(Relative Accuracy)，微分非線 性，單調性和無錯碼，總諧波失真（Total Harmonic Distotortion 縮寫 THD）和積分非線性。五、實驗代碼7.1 主程序#include "def.h"#include "2440addr.h"#include "2440lib.h"#include "mmu.h"#inclu

21、de "ADC.h"#include "LED7.h"#include "LCD.h"#define CONTR (1<<5)void paintNum(int x,signed char num)switch(num)case 0:Paint_Bmp(x,0,64,64,char_0);break;case 1:Paint_Bmp(x,0,64,64,char_1);break;case 2:Paint_Bmp(x,0,64,64,char_2);break;case 3:Paint_Bmp(x,0,64,64,char

22、_3);break;case 4:Paint_Bmp(x,0,64,64,char_4);break;case 5:Paint_Bmp(x,0,64,64,char_5);break;case 6:Paint_Bmp(x,0,64,64,char_6);break;case 7:Paint_Bmp(x,0,64,64,char_7);break;case 8:Paint_Bmp(x,0,64,64,char_8);break;case 9:Paint_Bmp(x,0,64,64,char_9);break;case 10:Paint_Bmp(x,0,64,64,char_off);break;

23、void Main()int i,v,ch;signed char a,b,c,d;Port_Init();Isr_Init();ChangeClockDivider(16,12);ChangeMPllValue(92, 1, 1);ChangeUPllValue(56,2,2);CalCPUBusClk();Uart_Init( 0,115200 );Uart_Select( 0 );MMU_Init();rGPJDAT |=CONTR;AdcTest();LcdInit();Lcd_ClearScr(0x0000000);ch=0;while(1)for(i=0;i<3;i+)sho

24、wOff();v=readAD(ch);Uart_Printf("%d %dn",ch,v);a=v/1000;b=v/100%10;c=v/10%10;d=v%10;showNum(d);if(c=0&&b=0&&a=0)for(i=0;i<3;i+)showOff();elseshowNum(c);if(b=0&&a=0)for(i=0;i<2;i+)showOff();elseshowNum(b);if(a=0)showOff();elseshowNum(a);if(ch=0)showP();Paint_Bm

25、p(0,0,64,64,char_P);elseshowU();Paint_Bmp(0,0,64,64,char_U);if(a=0&&b=0&&c=0)paintNum(64,d);paintNum(64+64,10);paintNum(64+64+64,10);paintNum(64+64+64+64,10);elseif(a=0&&b=0)paintNum(64,c);paintNum(64+64,d);paintNum(64+64+64,10);paintNum(64+64+64+64,10);elseif(a=0)paintNum(64

26、,b);paintNum(64+64,c);paintNum(64+64+64,d);paintNum(64+64+64+64,10);elsepaintNum(64,a);paintNum(64+64,b);paintNum(64+64+64,c);paintNum(64+64+64+64,d);Paint_Bmp(160,80,320,240,char_name);Delay(3000);ch=1-ch;7.2ADC部分程序 #include "def.h"#include "option.h"#include "2440addr.h"#include "2440lib.h"#include "2440slib.h" const unsigned char ledbuf10= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;#defi