基于ARM的∑-Δ模数转换实现

第1页基于ARM的-模数转换的实现摘要-ADC称为总和-增量调制A/D转换器，属于编码式调制A/D转换器。-ADC的基本思想是用数字化速度来换取位数，即采用高速、低位数(通常是1位)的ADC来实现低速、高位数的ADC。论文介绍了一个基于ARM的实现方法，其中-调制器由减法器、积分器和锁存比较器以及模拟开关构成，它们构成一个反馈环路。调制器以远大于奈奎斯特频率的采样频率对模拟信号采样和量化，输出一位数字位流。数字流通过滤波器完成滤波和抽取功能，采用LCD显示各点波形和转换结果。第1章绪论近年来A/D转换器制造技术发展十分迅速，竞争激烈，制造商们不断推出低成本、高性能的ADC新产品。总体发展趋势可概括为如下几个方面：（1）新结构。（2）高分辨率和高精度。（3）告速度。（4）低功耗。（5）高集成度。本文主要介绍设计了一种ADC，主要指标为1阶调制器结构，过采样率为12，8位的精度，工作在7V电压。第一章介绍了课题的开发背景，ADC的发展现状，本人的工作及论文结构。第二章先简单介绍了本次设计的要求，然后详细介绍了调制器设计的基本要求。第三章主要把此次设计的硬件部分作了一个系统分析。内容包括：电源电路的设计；控制模块、积分模块、数字滤波模块以及锁存比较模块的选择与比较，并结合行为级仿第2页真确定了各个模块电路的性能要求。第四章详细介绍了积分电路和锁存比较器的各个参数的计算及选择。第五章介绍了电路和程序的总体设计以及性能要求；调制器的电路实现及仿真结果分析。第六章介绍了系统测试的条件，测试结果以及测试结果分析。第六章是把全部论文的内容进行总结和展望，概括了所做的工作，并对未来的工作提出了设想。第2章设计要求第2.1节任务设计并制作1阶-调制器，并在此基础上设计并制作-型A/D转换电路，电路结构如图2-1所示。图2-1型A/D转换电路框图第2.2节设计要求(1)、设计制作1阶-调制器，具体电路框图如图2-2所示。图中为2V。要求-调制器输出的1位数据流为TTL电平，时钟频率自定。第3页图2-21阶-调制器的结构框图第3章系统电路分析本系统主要由ARM控制模块、电源模块、减法模块、积分模块、锁存比较模块、数字滤波模块、显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。总的系统框图见图3-1：Ui电源调制器ARMLCDKEY图3-1系统框图第3.1节总体设计本文利用1阶-调制器，并在此基础上设计制作-型A/D转换电路。1阶-调制器和数字滤波器是-型A/D转换电路的主要组成部分，其中1阶-调制器用减法器、积分电路、比较器和1位DAC分别用独立电路实现。数字滤波器用CIC滤波实现。总体框图如图3-2所示：第4页减法器积分器比较器锁存器模拟开关电平转换ACBDABD电源ARM+5VGNDBit流时钟信号CUi图3-2总体框图第3.2节电源电路设计电源是整个系统可靠运行的前提条件，因此，电源的设计绝对不可马虎，必须设计高可靠性的稳压电源，根据上述分析，所需电源有：5V、2.5、2V（参考源）。单电源输入，同时串入二极管或MOS管实现防反接功能，采用低压差LDO稳压+5V，再由负压转换实现-5V，+2.5V由专用LDO实现，+2V由TI推荐3V参考源再有电阻分压实现，-2.5V、-2V由集成运算放大器构成线性稳压电路实现。电压转换流程图如图3-3所示：图3-3电压转换流程图第5页第3.3节控制模块ARM微处理器做主控芯片，ARM处理器是32位元精简指令集（RISC）处理器架构，其计算速度快，功耗低，功能强大，存储容量大，已被广泛应用于许多嵌入式系统设计中。CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，以及改善了性能和灵活性。主要缺点是设计复杂，需要有一定的开发经验。第3.4节积分模块的比较与选择选一般运放构成积分电路，其外接元器件少，构成的电路结构清晰易懂。电路的性能好：放大倍数高，共模抑制比高，输入阻抗高，输出阻抗低，温度特性好。集成运算放大器多种多样，使得各功能电路的设计非常简单。此外，积分电路集成度高，低功耗，小尺寸，高可靠性，便于大规模生产，价格低廉。该电路可以满足此电路的设计要求。第3.5节数字滤波模块级联积分梳状滤波器（CIC）是一种广泛使用在软件无线电中，可以实现高效的抽取或插值滤波器。它主要用于降低或提高采样率。CIC滤波器的主要特点是，仅利用加法器、减法器和寄存器，占用资源少，实现简单且速度高。第3.6节锁存比较器模块该模块采用TI公司的TLV3501比较器芯片来实现比较器功能，由于其内部没有锁存功能，所以后面采用一个74LS74D触发器来实现锁存功能，把比较器输出的一组0，1数组锁存，当有脉冲到来时再触发模拟开关TS5A3159，从而确定是选择那个基准源。具体电路见图3-4：第6页1KR34GNDC-I2+VSH87OUT59L0比较器PFinQ锁存器MA比较器J.图3-4锁存比较器模块采用触发器的优点是可以隔离输出和输入，从而提高可靠性。防止高频接入21和23抖动。第3.7节程序设计3.7.1.程序框图系统软件基于ARM系统STM32F103Z开发，在主程序中，首先对LCD等进行初始化，给任务变量赋初值，在数据采集后进行数字滤波以及数据转换并送LCD显示，同时等待中断。进入中断后，任务全局变量外部有输入时进行采样及数据处理，然后数据更新显示，等待下一次中断执行各任务。程序框图如图3-5所示：图3-5程序框图3.7.2.软件结构第7页图3-6程序结构图第3.8节测试数据模式输入电平V测试结果V调整后V绝对误差V相对误差测试方差1.9421.8991.899-0.0432.214%331.5091.4581.458-0.0513.375%22模式10.9420.8920.892-0.0505.302%31.9421.9321.932-0.0100.515%1081.5091.5111.5110.0020.132%15模式20.9420.6610.9610.0192.017%191.9421.8991.899-0.0432.214%321.5091.4591.459-0.0503.313%24模式30.9420.8920.892-0.0505.307%31.9421.9321.932-0.0100.515%1041.5091.5121.5120.0030.199%12模式40.9420.6610.9610.0192.017%22第3.9节测试结果及分析通过测试结果可以得出此设计的数据测试误差控制在5%以内，说明此设计的效果实现的较好，此外ARM控制的显示屏也较好的展示了设计的功能，数据显示等。综上所述，本设计达到要求。第4章总结与展望第4.1节课题总结与传统的基于奈奎斯特采样定律的转换器相比，-ADC采用调制技术来实现模数转换，可以避免硬件电路对元器件的精度的高要求，同时可以充分利用现代VLSI的第8页高速、高集成度的优点。本论文只对一阶调制器进行了电路级仿真以及实物的实现。由于系统结构设计合理，选用的微处理器及元器件功耗低，精度高。提高了硬件电路的性能，功能电路实现较好，软硬件调试系统性能优良、稳定。控制时序设计合理，大大降低系统功耗，较好地达到了设计要求的各项指标。第4.2节进一步开发的展望本论文只对一阶调制器进行了电路级仿真以及实物的实现，以后还要继续二阶的，222级联型调制器的电路级仿真，数字滤波部分用梳状滤波器进行了设计，接下来的工作是用硬件描述语言对所设计的滤波器进行描述，仿真和综合。由于现代VLSI工艺的发展，使MOS管的沟道长度不断减小，而这将导致电源电压降低，因此如何在低电压、低功耗的情况下，设计出高性能的过采样ADC是今后的研究方向。第1页附录1：原理图0KR28564739kGNDUi减法器nFC积分器