1、第五部分：F2812模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）,ADC and DAC,現(xiàn)實(shí)生活中的信號大多為連續(xù)信號，而計算機(jī)只能處理數(shù)字信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog-to-Digital Conversion ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（Digital-to-Analog Conversion DAC）技術(shù)使得計算機(jī)可以處理現(xiàn)實(shí)生活中的信號了。數(shù)字信息有兩個重要特征：它經(jīng)過采樣（sampled）得到的和它是經(jīng)過量化（quantized）的，這兩個因素限制了數(shù)字信號中包含信息的多少。,3.1 Quantization sample-and-hold (S/H) analog-to-digital converter (

2、ADC),ADC and DAC,ADC and DAC,ADC and DAC,采樣就是把自變量（在這個例子里面是時間）由連續(xù)的變?yōu)殡x散的。 量化就是把應(yīng)變量（這個例子里就是電壓）由連續(xù)的變?yōu)殡x散的。 數(shù)字化后的每一個采樣點(diǎn)可能有的最大誤差是 LSB（Least Significant Bit 最低有效位） 量化誤差一個重要特性是它很像隨機(jī)噪聲，在大多數(shù)情況下它對信號帶來的影響和隨機(jī)噪聲沒有什么區(qū)別 量化誤差是一種隨機(jī)誤差，所以AD的位數(shù)決定了數(shù)據(jù)的精度，于是我們可以這樣說，如果把8位的AD換成12位的，將會提高測量的精度 。 考慮系統(tǒng)要采用多少位AD的時應(yīng)注意的問題。 抖動（ditheri

3、ng）,ADC and DAC,ADC and DAC,3.2 Sampling Theorem 只要能從采樣點(diǎn)重構(gòu)出原來的連續(xù)信號就可以說前面的采樣是正確的。,概述,在自動控制和測量系統(tǒng)中，被控制和被測量的對象往往是一些連續(xù)變化的物理量。如：溫度、壓力、流量、速度、電流、電壓等。這些隨時間連續(xù)變化的物理量，稱為模擬量(Analog)。計算機(jī)參與測量和控制時，模擬量不能直接送入計算機(jī)，必須先把它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(Digital)。能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC。,模擬量連續(xù)變化的物理量,數(shù)字量時間和數(shù)值上都離散的量,概述,模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換通道的組成,一般模/數(shù)轉(zhuǎn)換

4、通道由傳感器、信號處理、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器以及A/D轉(zhuǎn)換器組成 。,傳感器：能夠把非電物理量轉(zhuǎn)換成電量（電流或電壓）的器件，一般傳感器由電容、電阻、電感或敏感材料組成，在外加激勵電流或電壓的驅(qū)動下，不同類型的傳感器會隨不同非電物理量的變化，引起傳感器的組成材料發(fā)生改變，使得輸出連續(xù)變化的電流或電壓與非電物理量的變化成正比。,一、傳感器（Transducer）,由于傳感器組成材料發(fā)生改變引起輸出電流或電壓的變化十分微弱，容易受外界干擾，因此，在市場上能買到的各種變送器，已將傳感器與放大電路制作在一起，輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的010mA或420mA電流，或05V電壓，以便傳輸或直接送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A

5、/D轉(zhuǎn)換，其中，420mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出的傳感器較為普遍，常說的流量變送器、壓力變送器等一般輸出420mA標(biāo)準(zhǔn)電流，內(nèi)部處于恒流輸出結(jié)構(gòu)，顯然電流型傳感器比電壓型傳感器抗干擾能力強(qiáng)，易于遠(yuǎn)距離傳輸，因此，電流型傳感器被廣泛用于生產(chǎn)過程的檢測系統(tǒng)中。,二、信號放大處理,信號放大處理電路，接在A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器之間，用于解決以下存在問題： A/D轉(zhuǎn)換器與傳感器二者電壓不匹配； 如果是電流型輸出傳感器，要進(jìn)行變換與放大處理，將電流信號對應(yīng)變換成電壓信號； 傳感器工作在現(xiàn)場，可能存在復(fù)雜的強(qiáng)電磁波的干擾，通常采用RC低通濾波器，濾除疊加在傳感器輸出信號上的高頻干擾信號，也可采用有源濾波技術(shù)，使得濾波特

6、性更好。,三、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（Multiplexer）,一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（A/D轉(zhuǎn)換）往往要采集多路模擬信號； 通常只用一片A/D轉(zhuǎn)換芯片，輪流選擇輸入信號進(jìn)行采集，既節(jié)省了硬件開銷，又不影響對系統(tǒng)的監(jiān)測與控制； 許多A/D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部具備多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，一片A/D轉(zhuǎn)換芯片可以輪流采集多路模擬輸入信號，如果A/D轉(zhuǎn)換芯片不具有多路轉(zhuǎn)換功能，則在A/D轉(zhuǎn)換之前外加模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。,四、采樣保持器（Sample Holder）,在A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣期間，保持被轉(zhuǎn)換輸入信號不變的電路稱為采樣保持電路； A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間稱為轉(zhuǎn)換時間； 不同A/D轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換時間各異，對于連續(xù)變

7、化較快的模擬信號如果不采取采樣保持措施，將會引起轉(zhuǎn)換誤差； 慢速變化的模擬信號，在A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，完全可以不必采用采樣保持電路，而且并不會影響A/D轉(zhuǎn)換的精度。,采樣/保持示意圖,五、A/D轉(zhuǎn)換器（Analog to Digit）,A/D轉(zhuǎn)換器是模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道的核心環(huán)節(jié)，其功能是將模擬輸入電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量（二進(jìn)制數(shù)或BCD碼等），以便由計算機(jī)讀取、分析處理，并依據(jù)它發(fā)出對生產(chǎn)過程的控制信號。,A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù),A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個模擬量泛指電壓、電阻、電流、時間等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般用一個稱為量子Q的

8、基本單位來度量。,2. A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo) (1) 分辨率。 習(xí)慣上以輸出的二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示分辨率。 如一個輸出為8位二進(jìn)制數(shù)的A/D 轉(zhuǎn)換器，稱其分辨率為8位。 也可以用對應(yīng)于1 LSB的輸入模擬電壓來表示分辨率。分辨率還可以用百分?jǐn)?shù)來表示，例如8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率百分?jǐn)?shù)為 （1/256）100%=0.39%。 (2) 量化誤差。 A/D轉(zhuǎn)換是用數(shù)字量對模擬量進(jìn)行量化。由于存在最小量化單位，在轉(zhuǎn)換中就會出現(xiàn)誤差，仍以上述04.99 V 轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)000111的A/D 轉(zhuǎn)換器為例，模擬量1.42 V對應(yīng)于數(shù)字量010；而（1.42 V- 1/2 LSB） (1.42

9、 V+ 1/2 LSB)也都對應(yīng)于010， 這樣就帶來了轉(zhuǎn)換誤差。,量化誤差 ADC把模擬量變?yōu)閿?shù)字量，用數(shù)字量近似表示模擬量，這個過程稱為量化。量化誤差是ADC的有限位數(shù)對模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。實(shí)際上，要準(zhǔn)確表示模擬量，ADC的位數(shù)需很大甚至無窮大。一個分辨率有限的ADC的階梯狀轉(zhuǎn)換特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉(zhuǎn)換特性曲線（直線）之間的最大偏差即是量化誤差。,量化特性及量化誤差,理想ADC的傳輸特性和量化誤差,這一誤差稱為量化誤差。理想A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差為 LSB，如下圖所示。 (3) 轉(zhuǎn)換精度。 轉(zhuǎn)換精度是指一個實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器與理想的A/D轉(zhuǎn)換器相比的轉(zhuǎn)換誤差。絕對精度一

10、般以LSB為單位給出。相對精度則是絕對精度與滿量程的比值。不同廠家生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度指標(biāo)的表達(dá)方式可能不同。有的給出綜合誤差指標(biāo)，有的給出分項誤差指標(biāo)。通常誤差指標(biāo)有失調(diào)誤差（零點(diǎn)誤差）、增益誤差（滿量程誤差）、非線性誤差和微分非線性誤差。下面分別介紹這些誤差。,精度 絕對精度 絕對精度定義為：對應(yīng)于產(chǎn)生一個給定的輸出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實(shí)際模擬輸入電壓的差值。 絕對精度由增益誤差、偏移誤差、非線性誤差以及噪聲等組成。,相對精度 相對精度定義為在整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字輸出碼所對應(yīng)的模擬輸入實(shí)際值與理想值之差與模擬滿量程值之比。, 失調(diào)誤差。 失調(diào)誤差也稱為零點(diǎn)誤差，這是指當(dāng)輸

11、入模擬量從0逐漸增長使輸出數(shù)字量從00跳至01時，輸入模擬量實(shí)際數(shù)值與理想的模擬量數(shù)值（即 1 LSB的對應(yīng)值）之差。這反映了A/D轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)的偏差。一定溫度下的失調(diào)誤差可以通過電路調(diào)整來消除。 增益誤差。 當(dāng)輸出數(shù)字量達(dá)到滿量程時，所對應(yīng)的輸入模擬量與理想的模擬量數(shù)值之差，稱為增益誤差或滿量程誤差，計算此項誤差時應(yīng)將失調(diào)誤差除去。一定溫度下的增益誤差也可以通過電路調(diào)整來消除。, 非線性誤差。 非線性誤差是指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性與理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差，它可能出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換曲線的某處。此項誤差不包括量化誤差、 失調(diào)誤差和增益誤差。它不能通過電路調(diào)整來消除。 微分非線性誤差。 在A/D轉(zhuǎn)換曲線上，實(shí)際臺

12、階幅度與理想臺階幅度（即理論上的1 LSB）之差，稱為微分非線性誤差。如果此誤差超過1 LSB， 就會出現(xiàn)丟失某個數(shù)字碼的現(xiàn)象。 在上述幾項誤差中，如果失調(diào)誤差和增益誤差能得到完全補(bǔ)償，那么只需考慮后兩項非線性誤差。需要指出的是精度所對應(yīng)的誤差指標(biāo)中未包括量化誤差，因此實(shí)際的總誤差還要把量化誤差考慮在內(nèi)?？傉`差E總與分項誤差Ei之間的關(guān)系如下,圖3.17 ADC的積分線性度誤差 圖3.18 ADC的微分線性度誤差,與微分線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個ADC的常用術(shù)語是失碼（Missing Cord）或跳碼(Skipped Cord)，也叫做非單調(diào)性。,圖3.19 ADC的失碼現(xiàn)象,E總= (4) 轉(zhuǎn)

13、換時間。 轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間。 其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。 (5) 溫度系數(shù)。 溫度系數(shù)表示A/D轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度。一般用環(huán)境溫度變化1所產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)換誤差來表示，以10-6/為單位。,溫度對誤差的影響 環(huán)境溫度的改變會造成偏移、增益和線性度誤差的變化。,模塊主要包括以下特點(diǎn),12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC； 兩個采樣和保持(S/H)器； 同時或順序采樣模式； 模擬輸入電壓范圍：0 V到3 V； 快速的轉(zhuǎn)換時間，ADC時鐘可以配置為25 MHz，最高采樣帶寬12.5 MSPS； 16通道模擬輸入； 自動排序功能支持16通道獨(dú)立循環(huán)“自動轉(zhuǎn)換”，每次轉(zhuǎn)換的通道可以軟件編

14、程選 擇； 排序器可以工作在兩個獨(dú)立的8通道排序器模式，也可以工作在16通道級聯(lián)模式； 16個結(jié)果寄存器存放ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量表示為：,有多個觸發(fā)源啟動ADC轉(zhuǎn)換(SOC) S/W 軟件立即啟動 EVA 事件管理器A (在EVA中有多個事件源可啟動AD轉(zhuǎn)換) EVB 事件管理器B (在EVB中有多個事件源可啟動AD轉(zhuǎn)換) 外部引腳 靈活的中斷控制，允許每個或每隔一個序列轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生中斷請求； 排序器可工作在啟動/停止模式，允許“多個排序觸發(fā)”同步轉(zhuǎn)換； EVA和EVB可以獨(dú)立觸發(fā)，工作在雙觸發(fā)模式； 采樣保持(S/H)采集時間窗口有獨(dú)立的預(yù)定標(biāo)控制； 只有F2810/F2811/

15、F2812芯片的B版本以后的芯片才有增強(qiáng)的重疊排序器功能；,為獲得更高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，正確的PCB板設(shè)計是非常重要的。連接到ADCINxx引腳的模擬量輸入信號線要盡可能地遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號線。為減小數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換引起的噪聲對ADC產(chǎn)生耦合干擾，需要將ADC模塊的電源輸入同數(shù)字電源隔離開,給出了外部參考電路，該電路采用精準(zhǔn)的參考電壓并通過分壓保證準(zhǔn)確的參考范圍，在給處理器引腳提供參考之前增加緩沖電路，采用該電路主要有兩個優(yōu)點(diǎn) 穩(wěn)定的ADCREFP 和ADCREFM 對于實(shí)現(xiàn)良好的ADC 性能非常重要，然而ADCREFP 和ADCREFM 是靜態(tài)的，而ADC 使用參考則是動態(tài)的。在每次模數(shù)轉(zhuǎn)換過

16、程中對兩個參考電壓引腳進(jìn)行采樣，并且要求在特定的ADC 時鐘周期內(nèi)能夠穩(wěn)定。外部參考電路剛好能夠滿足ADC 的動態(tài)和穩(wěn)定性要求； 在ADC 操作過程中ADCREFP 和ADCREFM 的電流會有所波動，如果不采用外部緩沖電路則分壓電阻上的電流會產(chǎn)生變化，從而會改變輸入的參考電壓值，結(jié)果會使增益誤差變大；,ADC功能框圖 (級聯(lián)模式),AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00 = 0 x3;. AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV01 = 0 x2;,ADC功能框圖 (雙序列模式),ADC 示例,AdcRegs.ADCTRL3.bit.SMODE_SE

17、L=1;設(shè)置并發(fā)模式 AdcRegs.ADCMAXCONV.all = 0 x0001; 雙重序列發(fā)生器2*4=8 ADCCHSELSEQ1.bit.CONV00=0 x4;設(shè)置ADCINA4和ADCINB4的轉(zhuǎn)換次序（第一） ADCCHSELSEQ1.bit.CONV01=0 x0;設(shè)置ADCINA0和ADCINB0的轉(zhuǎn)換次序（第二） 。 ADCCHSELSEQ3.bit.CONV10=0 x6；設(shè)置ADCINA6和ADCINB6的轉(zhuǎn)換次序（第11） ADCCHSELSEQ3.bit.CONV11=0 x7；設(shè)置ADCINA7和ADCINB7的轉(zhuǎn)換次序（第11） Result結(jié)果 ADCIN

18、A4-ADCRESULT0 ADCINB4-ADCRESULT1 。 ADCINA7-ADCRESULT14 ADCINB7-ADCRESULT15,F2812 ADC 時鐘電路,CLKIN (30 MHz),HSPCLK (150 MHz),FCLK (25 MHz),FCLK = HSPCLK/(2*ADCCLKPS),ADCCLK = FCLK/(CPS+1),ADCCLK (25 MHz),To ADC pipeline,sampling window,ADCCLKmax=25 MHz!,SYSCLKOUT (150 MHz),sampling window = (ACQ_PS + 1

19、)*(1/ADCCLK),PCLKCR.ADCENCLK = 1,ADC輸入通道選擇序列控制寄存器,設(shè)置轉(zhuǎn)換序列的通道以及先后順序,EVA SOC 停止/啟動方式,前提： EVA下溢啟動3個ADC I1/I2/I3； 定時器周期SOC3個ADC V1/V2/V3,EVA SOC 停止/啟動方式,Bits 15-12 11-8 7-4 3-0 0 x007103 V1 I3 I2 I1 ADCCHSELSEQ1 0 x007104 x x V3 V2 ADCCHSELSEQ2,MAX_CONV1 =2（bit.3舍棄），轉(zhuǎn)換順序設(shè)置如下:,復(fù)位和初始化之后，等待SOC 觸發(fā) 第一次觸發(fā)（2: C

20、ONV00 (I1), CONV01 (I2), CONV02 (I3) SEQ1 等待第二次觸發(fā) 第二次觸發(fā)執(zhí)行: CONV03 (V1), CONV04 (V2), CONV05 (V3) 第二次觸發(fā)結(jié)束, ADC Results（在連續(xù)模式，為了避免數(shù)據(jù)重寫，必須確保 在下一個轉(zhuǎn)換序列開始前，讀取寄存器:, 用戶可以通過軟件復(fù)位 SEQ1 到狀態(tài) CONV00 SEQ1 保持當(dāng)前狀態(tài)等待另外一次觸發(fā),ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器 ADCRESULT0 0 x007108 ；ADCRESULT15 0 x007117,模擬輸入0V3V: analog volts converted value

21、RESULTx 3.0 FFFh 1111|1111|1111|0000 1.5 7FFh 0111|1111|1111|0000 0.00073 1h 0000|0000|0001|0000 0 0h 0000|0000|0000|0000,MSB,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,LSB,ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取 Integer format,RESULTx,ACC,Data Mem,bit shift right,15,0,x,x,x,x,x,x,Example: read RESULT0 register,#include DSP281x_Device.h void main(void) Uint16 value; / unsigned value = AdcRegs.ADCRESULT0 4; ,電源級別 ADCRFDN ADCBGND ADCPWDN ADC加電 1 1 1 ADC掉電 1 0 0 ADC關(guān)閉 0 0 0 保留 1 0 x 保留 0 1 x,ADC的低功耗方式,1、給ADC模擬電路的其他部分家電前，給參考電路和帶隙 電路加電 2、ADC完全加電后，需要等待20s，才能進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)換。 3、ADC掉電，3位被同時清除。通過軟件設(shè)置。,選擇外部參考信號源