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【MSP430趣談】MSP430第十二講之ADC(上)

首先我們需要明白一個(gè)問(wèn)題是什么是ADC,中文翻譯過(guò)來(lái)就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器,從他的英文名的話我們會(huì)更加好記,Analog-to-Digital Converter。

 簡(jiǎn)而言之就是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。在我們的生活中大部分是模擬量,比如說(shuō)溫度、壓力、聲音、或者圖像等等。現(xiàn)在大部分的傳感器都將一些模擬量轉(zhuǎn)化為電壓量來(lái)進(jìn)行測(cè)量,這里不再舉例,因?yàn)樘嗔?,大家在學(xué)會(huì)這一講之后,可以試著去讀一個(gè)土壤濕度傳感器的值(前提是你有的話)。

 現(xiàn)在大家應(yīng)該可以明白是什么了吧!一句話,就是把電壓值轉(zhuǎn)化成數(shù)字量(會(huì)不會(huì)有點(diǎn)籠統(tǒng),暫且可以這么理解)。

我們現(xiàn)在看下ADC有一些什么性能指標(biāo)?

1.采樣率

    這是一個(gè)什么概念呢?因?yàn)閷?duì)于模擬量來(lái)說(shuō),在時(shí)域上面是連續(xù)的(時(shí)域是指x軸為時(shí)間t的一個(gè)坐標(biāo)域,比如你用示波器看到的波形就是指在時(shí)域上面的波形),而對(duì)于我們的數(shù)字量來(lái)說(shuō)它就是一個(gè)離散的量,也就是說(shuō)它必然是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間間隔,沒(méi)有辦法做到連續(xù),做到連續(xù)的話數(shù)據(jù)量就是無(wú)窮大(會(huì)不會(huì)說(shuō)的有點(diǎn)玄乎,希望大家可以明白。)所以就引出采樣率這樣的一個(gè)東西,簡(jiǎn)單說(shuō)就是多久采集一次信號(hào),又可以稱之為采樣頻率。

2. 分辨率

    大家如果去查ADC的芯片,都會(huì)說(shuō)到該芯片是幾位的ADC,那么這個(gè)是用來(lái)干嘛的呢?比如說(shuō)我們介紹的FR5969提供了一個(gè)12位的ADC,改怎么理解呢,12位的ADC第一個(gè)寄存器來(lái)說(shuō),那么他可以存儲(chǔ)多少個(gè)數(shù)呢?就是212個(gè)數(shù),假設(shè)我們現(xiàn)在給一個(gè)2.5V的電壓值,那么我們可以得到他的分辨率就是

2.5/212  = 0.0006

    也就是說(shuō)它可以測(cè)量到0.0006V的電壓。

3.轉(zhuǎn)化時(shí)間

    這個(gè)比較復(fù)雜,因?yàn)樯婕暗紸DC的構(gòu)成以及工作原理,所以下面我們需要專門(mén)來(lái)講一講ADC的電路工作原理。

    首先第一個(gè)我們需要知道的是采樣定理,對(duì)于現(xiàn)在大部分的規(guī)模電路乃至超大規(guī)模電路,都基本的是以數(shù)字為主的,但是實(shí)際的大部分參量是模擬的,所以就需要解決這之間的橋梁?jiǎn)栴}。

    舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,一個(gè)正弦波,那么我們需要將其從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字,改如何實(shí)現(xiàn),簡(jiǎn)單的說(shuō)我們需要將其進(jìn)行采樣,采樣什么意思呢?字面上看就是采集樣本,而這個(gè)樣本采集的呢是我們的電壓值。那么這樣就設(shè)計(jì)到一個(gè)問(wèn)題,我們多長(zhǎng)時(shí)間采集一次呢?這個(gè)問(wèn)題就很關(guān)鍵了,它決定了我們采樣得到的波形電壓的一個(gè)是否能夠恢復(fù)出來(lái)的問(wèn)題,所以這里我們需要滿足一個(gè)條件,就是采樣的頻率(也就是采樣的時(shí)間間隔的倒數(shù))必須大于或者等于我們信號(hào)的最高頻率的兩倍。

fs ≥ fi(max)

    這里的fs是我們的采樣頻率(或者是取樣頻率),fi(max)是我們信號(hào)中的最高的頻率分量的頻率。那么信號(hào)中最高的頻率分量指的是什么意思呢,像我們常見(jiàn)的波形,比如正弦波、方波、三角波、鋸齒波這些波形,他們的頻率是固定,是多少Hz就是多少,而對(duì)于我們大自然的模擬信號(hào),是很難存在這種信號(hào)的,都是一大堆頻率的波形混合在一起而顯現(xiàn)出來(lái)的波形,暫時(shí)你就這么理解,這里深究下去我也搞不清楚,所以這里必須要找出的是最高的頻率分量對(duì)應(yīng)的頻率。上面所說(shuō)的就是采樣定理,就是那個(gè)式子,很重要,需要大家記住。

    上圖所示就是一個(gè)采樣過(guò)程,這樣的一個(gè)模擬信號(hào),不是一個(gè)規(guī)則的正弦信號(hào),那么我們?cè)趖1和t2這個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)的采集,兩著之間的間隔倒數(shù)就是我們的采樣頻率了。

    后面我們會(huì)進(jìn)行另外一個(gè)步驟,就是量化和編碼,那么這個(gè)又是什么意思呢?這里我們要明白,比如你使用的是3.3V或者5V的單片機(jī),常見(jiàn)的,那么你對(duì)應(yīng)最高能夠測(cè)到的電壓就是單片機(jī)的最高承受電壓,3.3V或者5V(這句話不知道對(duì)不對(duì),暫時(shí)沒(méi)有找到充分的證據(jù))。但是這里可能大家會(huì)提到一個(gè)問(wèn)題就是如果我們要測(cè)超過(guò)這量程的電壓,那怎么辦,這個(gè)有好的解決方法,就是可以利用電阻進(jìn)行分壓測(cè)量,再通過(guò)計(jì)算得出我們的電壓值,這個(gè)方法會(huì)引出電阻的阻值誤差。

    量化的示意圖,這里很清楚的解釋了什么叫做量化,簡(jiǎn)而言之,就是將我們的取樣電壓轉(zhuǎn)化為所謂的二進(jìn)制數(shù),從圖上介紹了兩種的量化方法,這兩種量化方式的區(qū)別在于他們的誤差大小不同,前面的最小單位,也就是一個(gè)二進(jìn)制位,001所代表的最小單位為1/8V,而第二個(gè)圖中的最小單位為2/15V。那么如何體現(xiàn)他們的量化誤差呢?

    對(duì)于第一個(gè)來(lái)講我們可以看出,如果編碼為000,那么我們對(duì)應(yīng)采集到的電壓值應(yīng)該是0~1/8V對(duì)吧,那么不難看出我們對(duì)于每一個(gè)量化值的最大誤差為1/8V。好了接下來(lái)我們看下另外一個(gè),我們的最小量化單位是2/15V,但是000變化到001,我們規(guī)定的是0~1/15V,所以這個(gè)時(shí)候我們得到的量化誤差剛好是最小單位的一半,1/15V,往后的每一個(gè)量化值的誤差都將處于量化單位的一半,中心位置,此時(shí)的量化誤差就減少為1/15V。

    后面還有經(jīng)過(guò)一個(gè)取樣保持電路,該電路的作用就是要將當(dāng)前采集的模擬量保持一段時(shí)間,以便器件將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,這中間需要一段時(shí)間,所以需要該電路的支持,否則采集時(shí)間過(guò)快,數(shù)據(jù)突變,沒(méi)有轉(zhuǎn)換完成,將會(huì)到時(shí)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。下面是一個(gè)取樣保持電路的示意圖,這里不細(xì)說(shuō),詳細(xì)的大家參考附件的內(nèi)容。

    下面我們介紹一下常見(jiàn)的AD的結(jié)構(gòu)類型,總的來(lái)說(shuō)大概有這幾種:

1.并聯(lián)比較型ADC

2.反饋比較型ADC

3.雙積分型ADC

4.V-F變換型ADC

5.逐次比較型ADC

    總的來(lái)說(shuō),總類還是很多的,也都有著各自的特點(diǎn),我們?cè)谶@里沒(méi)有辦法說(shuō)這么多,我們就挑幾個(gè)來(lái)給大家說(shuō)明了,其他的話就大家自行百度查查了。

    下面的電路說(shuō)明以3位的ADC來(lái)進(jìn)行說(shuō)明,位數(shù)少一點(diǎn)比較好說(shuō),高位數(shù)的道理都是一樣的,這個(gè)能夠明白了,其他也都類似了。

并聯(lián)比較型ADC:

    紅色方框中我們看到共有8個(gè)電阻,總共的阻值是R×7+2/R = 15R/2,我們的參考電壓是VREF,這個(gè)時(shí)候得到一個(gè)電阻的電壓值為多少呢?2VREF/15,和我們前面說(shuō)到的最小的模擬電壓的間隔是相同的,有由于我們最下面的一個(gè)電阻為2/R,所以第一個(gè)和電壓比較器(那個(gè)三角號(hào)有個(gè)+-號(hào)的那個(gè))的節(jié)點(diǎn)就是VREF/15。也就和我們上面量化編碼的第二圖相同了,那么具體該如何進(jìn)行比較呢?

    我們舉個(gè)例子,假設(shè)我們的輸入電壓是2VREF/15好了,那么現(xiàn)在我們的vi輸入了這個(gè)電壓值,那么對(duì)于C1這個(gè)電壓比較器來(lái)說(shuō),我們看下它是怎么工作的。

    我們需要知道電壓比較器的工作特性:(偷懶一下,直接百度百科上截圖了,打的手酸)

    紅色方框中是我們要用到的特性。

    在C1這個(gè)電壓比較器上面,反向輸入端(-號(hào)的那個(gè)端口)輸入的是我們的參考電壓,這里的電壓輸入的是VREF/15,前面已經(jīng)解釋過(guò)為什么了,就是電阻分壓。同向輸入端(+號(hào)的輸入端口)輸入的是我們的vi,所以通過(guò)比較兩者之間的電壓大小我們得到此時(shí)應(yīng)該C1輸出的是高電平,這個(gè)電平有多高的話具體和電路有關(guān)系。

    那么同理分析我們的C2~C7可以得到他們輸出的是低電平。

    經(jīng)過(guò)電壓比較器之后的電路就是D觸發(fā)器了,那么對(duì)于D觸發(fā)器我們同樣也需要知道它的相關(guān)特性,這里也直接截圖百度百科的了。

    我們這里對(duì)應(yīng)我們的電路看出我們的電壓輸出是連接到我們的D輸入端,對(duì)應(yīng)到我們的功能表上面可以相應(yīng)的得出我們的輸出內(nèi)容,對(duì)C2連接的D觸發(fā)器輸出的是Q為0,相應(yīng)的QN就為0,同理分析得出我們C1得出的就是Q為1,QN為0。通過(guò)圖上我們可以看出兩個(gè)D觸發(fā)器后面連接的或非門(mén)的輸入為C2所連接的D觸發(fā)器輸出的0和C1連接的D觸發(fā)器輸出連接的0。(這里的D觸發(fā)器輸出的變化都是在時(shí)鐘的邊沿產(chǎn)生,同時(shí)要注意看圖上輸出連接的是Q和QN,Q和QN是相反的關(guān)系,非的關(guān)系)。所以這個(gè)或非門(mén)輸出得到的是1。相應(yīng)的為高電平。(這里我們一般把1看做高電平,0為低電平)。

    相應(yīng)的分析后面的或非門(mén)我們可以得到最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果的位d2d1d0 = 001.這里就不在說(shuō)明了哈,留給大家自行思考,相信大家可以通過(guò)分析或非門(mén)的輸出關(guān)系,有一點(diǎn)很重要,要看清我們的連線,細(xì)心分析就可以得到結(jié)果。如果有什么疑問(wèn)的話回帖,我們?cè)诤痛蠹矣懻摗?/p>

    相應(yīng)的其他類型的ADC方式也通過(guò)相應(yīng)的分析可以得到對(duì)應(yīng)的理解??倸w一句話,ADC是一個(gè)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換的橋梁,也是我們現(xiàn)在電子電路中必不可少的器件。

    附件中有份文檔,具體大家可以參考里面的知識(shí),有不清楚的大家可以提出來(lái)一起討論。

關(guān)于ADC其實(shí)還是有很多的內(nèi)容的,我們?cè)谶@里一次講不完,我也想通過(guò)自己的語(yǔ)言來(lái)幫助大家理解,所以有什么不對(duì)的地方希望大家多多指出。關(guān)于這個(gè)系列的教程,我會(huì)繼續(xù)介紹,當(dāng)然第一版的話可能稍微粗糙,但是我會(huì)先更新,之后等整個(gè)教程完成之后,在回過(guò)頭來(lái)進(jìn)行想應(yīng)的修正,希望能給大家?guī)?lái)一絲幫助,今天就講這么多了。

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