ARM Cortex-A9嵌入式微处理器体系结构与接口技术 课件 第9章 AD转换器接口

第9章AD转换器接口思维导图2学习目标1.理解A/D转换器在嵌入式系统中的核心作用，掌握模拟信号数字化的基本原理；2.掌握A/D转换的技术指标：分辨率、转换速率、量化误差等核心参数的定义与计算方法；3.熟悉主流A/D转换器类型（积分型/逐次逼近型/并行比较型等）的工作原理与特性差异。3技能目标41.具备Exynos4412-A/D转换器配置能力。2.具有实现A/D转换程序设计能力。3.具备调试与结果处理能力。CONTENTS目录9.1A/D转换基础9.2Exynos4412-A/D转换器9.3A/D转换器应用实例569.1

A/D转换基础A/D转换原理在ARM嵌入式系统中，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，作为输入通道的关键，支持单路或多路信号转换，为微控制器处理提供数字量。信号处理流程转换后的数字信号需经微控制器进一步处理，实现从模拟域到数字域的转变，为后续数据处理和分析奠定基础。

在基于ARM的嵌入式系统设计中，A/D转换接口电路是应用系统输入通道的一个重要环节，可完成一个或

多个模拟信号到数字信号的转换。模拟信号到数字信号的转换一般来说并不是最终的目的，转换得到的数字量通常要经过微控制器的进一步处理。在基于ARM的嵌入式系统中，AD转换器是输入通道的重要环节，负责将模拟信号转换为数字信号供微控制器进一步处理。AD转换器重要性9.1

A/D转换基础取样-保持-量化-编码1)分辨率（Resolution）

分辨率表示触发数字量变化的最小模拟信号的变化量，反映A/D转换器对输入电压微小变化的响应能力，通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电平值表示。

分辨率通常以数字信号的位数来表示。A/D转换器的分辨率以输出二进制(或十进制)数的位数表示。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分2”个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2”。

在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。例如Exynos4412的A/D转换器可以设置输出为10位或12位二进制数，输入信号最大电压为1.8V,那么这个转换器应能区分输入信号的最小电压为0.44mV。9.1

A/D转换基础1.A/D转换的技术指标99.1

A/D转换基础2)转换速率（ConversionRate）转换速率是指完成一次A/D转换所需的时间的倒数。积分型A/D的转换时间是毫秒级，属低速A/D。逐次比较型AD是微秒级，属中速A/D。全并行/串并行型A/D可达到纳秒级。取样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，取样频率(SampleRate)必须小于或等于转换速率。习惯上将转换速率在数值上等同于取样频率也是可以接受的。其常用单位是Ksps和Msps,表示每秒取样千/百万次。1.A/D转换的技术指标3)量化误差（Quantizing

Error）

由于A/D的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率A/D的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率

A/D

(理想A/D)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。其通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，

表示为1LSB

、1/2LSB

。量化和量化误差示意图，如图9-1所示。图9-1量化和量化误差9.1

A/D转换基础1.A/D转换的技术指标4)偏移误差（Offset

Error）

偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值。可通过硬件校准（如外接电位器）或软件补偿将偏移误差降至最小。5)满刻度误差(FullScaleError)

满刻度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。6)线性度(Linearity)

线性度就是指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上3种误差。线性度通常用LSB或满量程的百分比表示（如±1LSB）。

其他指标还有绝对精度(AbsoluteAccuracy)、相对精度(RelativeAccuracy)、微分非线性、单调性和无错码、总谐波失真(TotalHarmonicDistortion,THD)和积分非线性。9.1

A/D转换基础1.A/D转换的技术指标并行比较型A/D由电压比较器、寄存器和代码转换器组成，转换速度快，但元件数目随分辨率增加而大幅上升，制作高分辨率集成A/D转换器较困难。3.并行比较/串行比较型A/D采用电容矩阵代替电阻阵列，成本低且精度高，是目前逐次比较型A/D转换器的主流形式。4.电容阵列逐次比较型A/D积分型A/D将输入电压转换为时间或频率，再由计数器获得数字值，优点是电路简单、分辨率高，缺点是转换速率低。1.积分型A/D逐次逼近型A/D由逐次寄存器、比较器、D/A转换器和基准电压组成，从MSB开始逐次比较输入电压与参考电压，速度较高、功耗低。2.逐次逼近型A/D将输入模拟信号转换为频率，再用计数器转换为数字量，分辨率高、功耗低、价格低，但需外部计数电路。5.压频变换型A/D9.1

A/D转换基础2.转换器类型

一般的A/D转换过程是通过取样、保持、量化和编码这4个步骤完成的。一般取样和保持主要由取样保持器来完成，而量化、编码就由A/D转换器完成。

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，特别是当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，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。9.1

A/D转换基础3.A/D转换的一般步骤149.2Exynos4412-A/D转换器0102Exynos4412内部集成10位/12位CMOS模数转换器，具有4个输入通道。在最高A/D时钟5MHz下，将模拟量转换为10位或12位二进制数的转化速率最快能达到1Msps，支持样本保持功能和低功耗模式。转换器特性Exynos4412有两个ADC模块:GeneralADC或MTCADC_ISP模块，用户可通过ADC_CFG寄存器第[16]位选择。接口框图9.2.1概述159.2Exynos4412-A/D转换器特点如下：•分辨率10bit/12bit。•微分误差±2.0LSB。•积分误差±4.0LSB。•顶部偏移误差：0~+80LSB。•底部偏移误差：0~80LSB。•最大转换速率：1Msps。•电源电压：1.8V（典型值），1.0V（典型值，数字I/O接口）。•模拟量输入范围：0~1.8V。9.2.2A/D转换器特点1.A/D转换器控制寄存器（ADCCON）配置AD转换器功能，包括转换开始方式、工作模式、时钟分频、分辨率等，还有一位只读状态位表示转换是否完成。2.A/D转换器通路选择寄存器（ADCMUX）选择当前要转换的模拟量通路，支持多个输入通道选择。3.A/D转换器数据寄存器（ADCDAT）存放模拟量转换为数字量的结果，只读。9.2Exynos4412-A/D转换器9.2.3A/D转换器寄存器1.A/D转换器控制寄存器（ADCCON）配置A/D转换器功能，包括转换开始方式、工作模式、时钟分频、分辨率等，还有一位只读状态位表示转换是否完成。9.2Exynos4412-A/D转换器9.2.3A/D转换器寄存器表9-2

ADCCON寄存器（地址=0x126C0000)1.A/D转换器控制寄存器（ADCCON）9.2Exynos4412-A/D转换器9.2.3A/D转换器寄存器表9-2

ADCCON寄存器（地址=0x126C0000)12bitA/DconversionenableA/Dconverterprescalerprescalervalue:255A/DconversionstartbyreadADCCON=(0x1<<16)|(0x1<<14)|(0xff<<6)|0x1<<1;2.A/D转换器通路选择寄存器（ADCMUX）选择当前要转换的模拟量通路，支持多个输入通道选择。ADCCONBit描

述初始值SEL_MUX[3：0]当前要

AD转换的模拟量输入通道选择：0000：AIN00001：AINI0010：AIN20011：AIN309.2Exynos4412-A/D转换器9.2.3A/D转换器寄存器表9-3

ADCMUX寄存器（地址=0x126C001C）举例：ADCMUX=0x3；//当前要AD转换的模拟量输入通道选择为通道33.A/D转换器数据寄存器（ADCDAT）存放模拟量转换为数字量的结果，只读。。9.2Exynos4412-A/D转换器9.2.3A/D转换器寄存器表9-4

ADCDAT寄存器（地址=0x126C000C）219.2Exynos4412-A/D转换器（1）设置ADCCON寄存器，设置A/D转换器转换时间、分辨率和启动方式。①设置A/D转换器转换速率②设置A/D转换器分辨率（2）设置A/D转换器启动转换方式（3）设置ADCMUX寄存器，选择转换通道。（4）等待转换完成，读取ADCDAT寄存器，获得转换结果。4.A/D转换器程序设计步骤9.2.3A/D转换器寄存器229.3

A/D转换器应用实例9.3.1A/D转换器实验1.实验目的掌握模数转换ADC的原理；掌握EXYNOS4412处理器的A/D转换功能。2.实验原理如图9-7所示，ADC电路连接如图所示，利用一个电位计输出电压到Exynos4412的ADC_IN1引脚。输入的电压范围是0~1.8V。旋转电位器PR使ADCIN1和GND两端的电压发生变化，即XadcAIN3引脚采集变化的模拟电压，即ADC控制器的数据寄存器可输出对应二进制数值。图9-7

分压电路239.3

A/D转换器应用实例9.3.2程序设计与代码详解1.寄存器设置（1）上电使能ADC控制器（2）选择转换通道（3）使能ADC读操作和设置分频因子（4）设置工作模式和转换分辨率2.程序编写

编写软件程序，实现电压值的获取、显示。程序主要是对EXYNOS4412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）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。249.3

A/D转换器应用实例9.3.2程序设计与代码详解intmain(void){ unsignedinttemp_adc=0,temp_mv; GPX2.CON=0x1<<28;//GPX2CON[7]:OutputdriveLED uart_init(); ADC_CFG&=~(0x1<<16);//Bit_16:SelectADCMux0:General1:MTCADC ADCMUX=0x3; #ifdef __READ_START_ //12bitA/Dconversion;enableA/Dconverterprescaler;prescalervalue:255;A/Dconversionstartbyread ADCCON=(0x1<<16)|(0x1<<14)|(0xff<<6)|0x1<<1;#ifdef __READ_START_ temp_adc=ADCDAT&0xfff;#endif printf("\n************ADCtest************\n"); while(1) { //TurnonLED GPX2.DAT|=0x1<<7;#ifndef __READ_START_ ADCCON|=0x1;//startADCconversion#endif mydelay_ms(100); while(!(ADCCON&(0x1<<15))); temp_adc=ADCDAT&0xfff; temp_mv=1800*temp_adc/4095; print