实验六基本接口实验AD转换实验1.doc

第七章 基础应用实验7.1 A/D转换实验7.1.1 实验目的 l 通过试验掌握模数转换（A/D）的原理。l 了解模拟输入通道中采样保持的原理和作用.l 掌握S3C44B0X处理器的A/D转换功能。7.1.2 实验设备l 硬件：Embest EduKit-III实验平台，Embest ARM标准/增强型仿真器套件，PC机。l 软件：Embest IDE Pro ARM集成开发环境，Windows 98/2000/NT/XP。7.1.3 实验内容l 了解采样保持器与A/D转换器的接口电路。l 设计分压电路，利用S3C44B0X集成的A/D模块，把分压值转换为数字信号，并观察转换结果。7.1.4 实验原理1. A/D转换器（ADC）随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测领域中，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际处理对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号，这就必须用到A/D转换器。A/D转换器的类型、工作原理和主要性能指标请参照触摸屏试验部分。2. A/D转换的一般步骤图7-1 模拟量到数字量的转换过程模拟信号进行A/D转换的时候，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这中误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A/D转换结束后，又能跟踪输入信号的变化。因此，一般的A/D转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。一般取样和保持主要由采样保持器来完成，而量化编码就由A/D转换器完成。3. 采样保持器1) 采样保持器原理采样保持器是一种具有信号输入，信号输出的以及由外部指令控制的模拟门电路。主要由模拟开关K、电容C和缓冲放大器A组成，一般结构如下：图7-2 采样保持电路采样保持器工作时有两种状态，分别是采样状态和保持状态，采样时输出跟随着输入变化，保持时输出不改变。工作过程如下图：图7-3 采样保持工作原理示意图在t1时刻之前，驱动信号为高电平，模拟开关K闭合，模拟输入信号给电容充电，电容上的电压跟随着出入电压的变化而变化，输出跟随输入变化，这个时期为采样期。过了t1时刻，控制信号为低电平，模拟开关K打开，输入与输出断开，此时电容C上面的电压将保持K断开瞬间的电压，输出也将等于电容上的电压保持不变，这个时期为保持期。当控制信号的下一个高电平到来时，将会进入下一个采样阶段，然后是保持阶段。在采样过程中为了正确无误的采样到输入信号，采样频率必须符合采样定律。即：式中fS取样频率，fimax为输入信号I的最高频率分量的频率。2) 采样保持器的性能参数l 孔径时间孔径时间是指保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。由于孔径时间的存在，采样保持的输出值与希望的输出值有一定的误差，这个误差为孔径误差，如果保持指令与A/D开始转换指令同时发出，将因为孔径时间的存在，转换值将不是保持值。为了保证转换精度，最好在发出保持指令后延迟一段时间，等输出稳定以后再启动A/D转换模块。l 孔径不定孔径不定是指孔径时间的变化，孔径时间只是采样时间的延迟，如果每次延迟相同的话，对总的采样结果精确性不会有影响，如改变孔径时间，则对精度有影响。l 捕捉时间捕捉时间是指当采样保持器从保持状态转到采样状态时，采样保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的时间。它包括逻辑输入开关的动作时间、保持电容的充电时间、放大器的设定时间等.捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的提高有影响。l 保持电压的下降当采样保持器处在保持状态时，由于保持电容器C的漏电流使保持电压值下降，下降值随保持时间增大而增加，所以，往往用保持电压的下降率来表示，即为式中I为保持容C的漏电流。这里只介绍，采样保持器的几个重要参数，不过采样还有其他的一些参数，例如馈送、电荷转移偏差和跟踪到保持的偏差的参数。目前采样保持器大多是集成在一块芯片上，芯片内部不包含保持电容，保持电容是由用户根据需要外接到芯片上。常用的采样保持器有AD582、LF198等。3) AD转换跟采样保持器的关系在数据采集系统中，采样保持器用来对输入AD转换器的模拟信号进行采集和保持，以确保AD转换的精度。要保证AD转换的精度，就必须确保AD转换过程中输入的模拟信号的变化量不得大于LSB/2。在数据采集系统中，如果模拟信号不经过采样保持器而直接输入AD转换器，那么，系统允许该模拟信号的变化率就得降低。一个n位的AD转换器能表示的最大数字是，设它的满量程电压为，则它的“量化单位”或最小有效位=。如果在转换时间内，正弦信号电压的最大变化不超过LSB/2所代表的电压，则在Um=FSR条件下，数据采集系统可采集的最高信号频率为：加采样保持器后，这样就变成在t=内，即在采样保持器的孔径时间内讨论系统可采集模拟信号的最高频率。仍考虑对正弦信号采样，则在n位AD转换器前加上采样保持器后，系统可采集的信号最高频率为：4. S3C44B0X处理器的A/D转换处理器内部集成了采用近似比较算法（计数式）的8路10位ADC，集成零比较器，内部产生比较时钟信号；支持软件使能休眠模式，以减少电源损耗。其主要特性： 精度（Resolution）：10-bit 微分线性误差（Differential Linearity Error）： 1 LSB 积分线性误差（Integral Linearity Error）： 2 LSB ( Max. 3 LSB) 最大转换速率（Maximum Conversion Rate）：100 KSPS 输入电压（Input voltage range）：0-2.5V 输入带宽（Input bandwidth）：0-100 Hz (无采保持电路S/H(sample&hold) ) 低功耗（Low Power Consumption）l A/D功能框图图7-3 S3C44B0X处理器的ADC框图VCOM是外部比较电压输入，实验系统中只需要接滤波电容到地，即比较范围为5-0V。处理器的AFREFB、AREFT引脚亦需要接滤波电容到地处理。l S3C44B0X处理器A/D转换器的使用1) 寄存器组处理器集成的ADC只使用到三个寄存器，即ADC控制寄存器（ADCCON）、ADC数据寄存器（ADCDAT）、ADC预装比例因子寄存器（ADCPSR）。ADC控制寄存器（ADCCON）654:210ADCCONFLAGSLEEPIN_SELECTREAD_ STARTENABLE_STARTFLAG - 0：A/D转换正在进行；1：A/D转换结束SLEEP - 0：正常状态；1：Sleep模式IN_SELECT - 选择转换通道4:2000 = AIN0 001 = AIN1 010 = AIN2 011 = AIN3100 = AIN4 101 = AIN5 110 = AIN6 111 = AIN7READ_ START - 0：禁止Start-by-read 1：允许Start-by-readENABLE_START - 0：A/D转换器不工作 1：A/D转换器开始工作ADC预装比例因子寄存器（ADCPSR）7:0ADCPSRPRESCALERPRESCALER -比例因子。该数据决定转换时间的长短，数据越大转换时间就越长ADC数据寄存器（ADCDAT）9:0ADCDATADCDATADCPSR - A/D转换数据值2) A/D转换的转换时间计算例如系统时钟为66MHz，PRESCALER=20；所有10位转换时间为：66 MHz / 2(20+1) / 16= 95.238KHz =10.5 us 16是指10位转换所需最少周期数3) A/D转换器使用注意： ADC的模拟信号输入通道没有采样保持电路，使用时可以设置较大的ADCPSR值，以减少输入通道因信号输出电阻过大而产生的信号电压。 ADC的转换频率在0100Hz 通道切换时，应保证至少15us的间隔 ADC从SLEEP模式退出，通道信号应保持10ms以使ADC参考电压稳定 Start-by-read可使用DMA传送转换数据7.1.5 实验设计1. 电路设计l 采样保持接口电路在S3C44B0X中A/D模块有8个模拟输入通道，通道的切换可以由内部的定时器完成。如果要进行8个通道连续变化的信号的转换，还必须在8个通道全部加采样保持器,采样保持的接口电路如下图7-5。模拟输入信号为需要转换的信号，驱动控制信号可以通过编程利用ARM里面的timer产生，也可以通过I/O口来控制，输出信号直接接到A/D模块中的输入通道。图7-5 采样保持电路l 分压电路分压电路比较简单，为了保证电压转换时是稳定的，可以直接调节可变电阻得到稳定的电压值。 图7-5 分压电路2. 软件程序设计试验主要是对S3C44B0X中的A/D模块进行操作，所以软件程序也主要是对A/D模块中的寄存器进行操作，其中包括对ADC控制寄存器（ADCCON）、ADC数据寄存器（ADCDAT）和ADC预装比例因子寄存器（ADCPSR）的读写操作。同时为了观察转换结果，可以通过串口在超级终端里面观察。7.1.6 实验操作步骤1. 准备实验环境使用Embest仿真器连接目标板，使用Embest EduKit-III实验板附带的串口线，连接实验板上的UART0和PC机的串口。2. 串口接收设置在PC机上运行windows自带的超级终端串口通信程序（波特率115200、1位停止位、无校验位、无硬件流控制）；或者使用其它串口通信程序。3. 打开实验例程1）拷贝光盘CD1SoftwareEduKit44b0文件夹到EmbestIDEExamplesSamsung目录下；2) 使用Embest IDE通过Embest JTAG仿真器连接实验板，打开实验例程目录7.1_adc_test子目录下的ad_test.pjf 例程，编译链接工程；3) 点击IDE 的Debug菜单，选择Remote Connect项或F8键，远程连接目标板；4) 点击IDE 的Debug菜单，选择Download下载调试代码到目标系统的RAM中；5) 点击Debug菜单的Go或F5键运行程序。4. 观察实验结果1). 在PC机上观察超级终端程序主窗口，可以看到如下界面：boot success.S3C44B0x ADC Conversion Test ExampleInput ADCPSR value (1 - 255):2). 输入预装比例因子，该数据决定转换时间的长短，数据越大转换时间就越长，输入范围是0255，然后按回车键,将可以观察到试验结果，改变可调电阻的值将观察到不同的转换值。Input ADCPSR value (1 - 255):20ADC conv. freq.=95238HzPlease press Enter to convertA2=0x3ff5. 完成实验练习题理解和掌握实验后，完成实验练习题。7.1.7 实验参考程序1. 环境及函数声明/*-*/* function declare*/*-*/void adc_test (void);2. 初始化程序/* name:Main* func:c code entry* para:none* ret:none* modify:* comment:*/void Main(void)sys_init(); / Initial 44B0Xs Interrupt,Port and UART /user interface uart_printf(n S3C44B0x ADC Conversion Test Examplen);adc_test(); / Test start3. A/D转换程序/* name:adc_test* func:test adc* para:none* ret:none* modify:* comment:*/void adc_test(void)int nAdcpsr;/ Initialize adcrCLKCON = 0x7ff8;rADCCON = 0x1 | (02); / Enable ADCdelay(100); / delay for 10ms for ADC reference voltage stabilization. /set ADCPSR valueuart_printf( Input ADCPSR value (1 - 255): );nAdcpsr = uart_getintnum();rADCPSR = nAdcpsr;uart_printf( ADC conversion freq. = %dHzn, (int)(MCLK/(2.*(nAdcpsr+1.)/1