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ADC

1、基本概念:ADC,Analog-to-Digital Converter,模数转换器,是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。

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2、应用场景:真实世界的模拟信号,例如温度压力声音或者图像等,需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式,ADC可以实现这个功能,尤其是传感器,在各种不同的产品中都可以找到ADC的身影,下图所示都是传感器的图片。。。

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3、奈奎斯特-香农采样定理:进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率fmax大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax),采样之后的数字信号才能够完整地保留原始信号中的信息。然后,可以通过插值将转换后的离散信号还原为原始信号,当然这个过程的精确度会受到量化误差的限制,如图1。

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图1 采样频率越高,对原始信号的还原越准确

4、采样-保持电路:模数转换需要四个过程:采样-保持-量化-编码。由于实际使用的模拟数字转换器不能进行完全实时的转换,所以对输入信号进行一次转换的过程中必须通过一些外加方法使之保持恒定,经常用的就是采样-保持电路。大多数的情况,通过使用一个电容器可以存储输入的模拟电压,并通过开关或门电路来闭合、断开这个电容和输入信号的连接。许多模拟数字转换集成电路在内部就已经包含了这样的采样-保持子系统。

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图2 采样保持电路

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图3 PCF8591采样率

5、PCF8591参数指标:

(1)8bit采样率,输入电压可以被分为28=256等分,参考电压3.3V,

(2)采样精度VIsb=3.3V/256=0.01289V,即最小可识别电压,

(3)输入电压Vin=2.5V,D=Vin/VIsb=2.5/0.01289=193.94=193(C1)/194(C2)

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图4 AD转换器单端输入特性

6、PCF8591内置DAC: 送入PCF8591的数字存储在DAC数字寄存器中,并通过片上的DA转换器转换为相应的模拟电压。DA转换器由电阻分压链、外部参考电压、选择开关组成,抽头译码器将其中一个抽头连接在DAC输出线上。

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图5 电阻分压链

7、逐次逼近型ADC工作原理:以8位ADC,VREF =3.3V为例:

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图6 逐次逼近型ADC电路结构

(1)在第一个时钟脉冲作用下,控制电路使移位寄存器的最高位置1,其他位置0,其输出经数据寄存器将1000_0000送入D/A转换器,输入电压Vin首先与D/A转换器输出电压(VREF/2=1.65V)相比较,如果Vin≥1.65V,比较器输出为1,若Vin< 1.65V,则为0;比较结果存于数据寄存器的D7位(数据寄存器:1xxx_xxxx or 0xxx_xxxx)。

(2)在第二个时钟脉冲作用下,移位寄存器的次高位置1,其他低位置0

——如D7已存1(1100_0000),则此时V0=(3/4)VREF =1.2375V,于是Vin再与(3/4)VREF相比较,如Vin≥1.2375V,则次高位D6=1(数据寄存器11xx_xxxx ),如Vin< 1.2375V,否则D6=0(数据寄存器10xx_xxxx ),比较结果存于数据寄存器的D6位;

——如D7为0(0100_0000),则V0=(1/4)VREF=0.825V,于是Vin与(1/4)VREF比较,如Vin≥0.825V,则次高位D6=1(数据寄存器01xx_xxxx ),如Vin< 0.825V,则D6=0(数据寄存器00xx_xxxx ),比较结果存于数据寄存器的D6位。

。。。 。。。

以此类推,逐次确定得到输出数字量D7。。。D0,当然,受到ADC的8bit采样精度限制,该ADC最小采样电压精度为3.3/28=3.3/256=0.01289V。

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表1 逐次逼近型ADC举例说明

8、ADC的主要选型指标

(1)采样精度 —— 即分辨率,一般有8位、10位、12位、16位等,最高32位(TI);

(2)转换时间 —— 即每次采样所需的时间,代表ADC 的转换速度,与 ADC 的时钟频率、采样周期、转换周期、通道数量有关;

(3)数据输出方式 —— 串口输出(SPI/IIC)、并口输出;

(4)ADC类型 —— ADC 有多种类型(逐次逼近型、Sigma-delta型 、flash型等),不同类型的 ADC 有不同的性能极限。

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