A/D变换模块设计

现实生活中所遇到的信号大多是连续变化的模拟量，这时就需要一个接口电路把模拟量转换成数字量，能完成这项任务的接口部件就是A/D模数转换器。而ARM数据采集的精度及速度，在很大程度上也取决于A/D模数转换器。

1实例说明

ARM控制整个系统的运行，D/A数模转换器将ARM发来的数字量转化为模拟量，A/D模数转换器将测试得到的模拟量转换为数字量，由ARM接收，串口芯片接收ARM传输的二进制信息并将其转换为符合RS232通信标准的信号，由串口传输到上位PC机。

实现过程如图11-1所示，在ARM接到开始信号后，ARM首先将一个数字信号发给A/D模数转换器，由A/D和放大器将采集到的模拟量(模拟音频、电压、指纹等)转换成对应数字量，经A/D采样控制保持后读写到SDRAM。对应的数字量传回ARM，并由ARM通过串行输出传送到串口芯片进行标准的转换，最后发送到上位计算机，实现对模拟量的控制。

2 A／D变换原理

2.1 A/D变换类型

在科研、生产中，要经常进行模拟量的测量和控制。为了对温度、压力、流量、速度、位移等物理量进行测量和控制，都是通过各种传感器把上述物理量转换成模拟物理量的电信号，即模拟电信号；将模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，送进计算机，这就是A/D变换过程或称为数据采集。目前大部分传感器输出的仍是电压或电流等模拟信号，所以往往需要将这些模拟信号转换成易于处理和存储的数字信号。

现在常用的A/D转换器(Analog-Digital Conveit，ADC)有：积分型、逐次逼近型、并行比较型，∑一△型和流水线型等转换器。

1. 积分型A/D转换器

积分型A/D转换器如图11-2所示，输入端采用积分器，所以对高频噪声和固定的低频干扰如50Hz或60Hz有很强的抑制能力。积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，转换速率在12位时为100～300samples/s，但它们的精度可以做得很高，分辨率可高达22位，主要应用于低速、精密测量等领域。

2．逐次逼近型A/D转换器

逐次逼近型A/D转换器如图11-3所示，是应用非常广泛的A/D转换方式。它由比较器、D/A转换器、比较寄存器SAR、时钟发生器及逻辑控制电路组成。

这种A/D转换器速度较高，可达1Msps，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。与其他A/D相比，功耗相当低，在分辨率低于12位时，价格较低；在高于14位分辨率情况下，价格较高。

    3．并行比较型A/D转换器

并行比较型A/D转换器如图11-4所示，是现今速度最快的A/D转换器，采样速率在1Gsps以上，又称为闪烁型A/D转换器，它主要由电阻分压网络、比较器、编码器等组成。这种结构的A/D转换器由于不用逐次比较，所有位的转换同时完成，所以速度大为提高。

这种A/D转换器速度是最快的，但是由于本身的结构特点，导致分辨率不高、功耗大、成本高。这是因为要提高一位分辨率(使输出数字量增加一位)，便意味着编码器的输入要增加一倍，这时精密电阻数量就要增加一倍，比较器也近似增加一倍。还有就是结构重复的并行比较器之间任何失配都会造成静态误差，比较器的亚稳态还会产生闪烁码温度计气泡，所以只适用于速度要求特别高的领域，如视频A/D转换器等。

4．∑-△(增量)调制型A/D转换器

∑-△调制型A/D转换器又称为过采样A/D转换器，如图11-5所示。它的分辨率高，主要应用于高精度数据采集系统，特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量等领域。

 

5．流水线型A/D转换器

为兼顾高速率和高精度的要求，流水线结构的A/D转换器应运而生。这种A/D转换器如图11-6所示，它结合了串行和闪烁型ADC的特点，采用基于流水线结构(pipeline)的多级转换技术，各级模拟信号之间并行处理，能得到较高的转换速度为100Msps；利用数字校正电路对各级误差进行校正，保证有较高的精度；所用器件数目与转换位数成正比，可有效地控制功耗和成本。

本实例采用的是流水线结构的12位模数转换器(ADC)。

2.2 A/D转换过程

A/D转换可分为4个阶段：即采样、保持、量化和编码。

采样就是将一个时间上连续变化的信号转换成时间上离散的信号，根据奈奎斯特采样定理fs≧2fh，如果采样信号频率大于或等于2倍的最高频率成分，则可以从采样后的信号无失真地重建恢复原始信号。考虑到模数转换器件的非线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样频率一般取2.5～3倍的最高频率成分。

要把一个采样信号准确地数字化，就需要将采样所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号，虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，实际上保持器总是与采样器做在一起，两者合称采样保持器。图11-7给出了A/D采样电路的采样时序图，采样输出的信号在保持期间即可进行量化和编码。

量化是将时间连续、数值离散的信号转换成时间离散、幅度离散的信号；编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。到此，也就完成了A/D转换，这些过程通常是合并进行的。例如，采样和保持就经常利用一个电路连续完成，量化和编码也是在保持过程中实现的。

 

3硬件电路设计

3.1 A/D模块

本实例的A/D模块采用流水线结构的12位模-数转换器(ADC)，内部由流水线ADC、基准电压源、控制逻辑、FIFO、缓冲器、采样保持器和多路器切换开关等组成。其功能有：

·片选信号CS，低电平有效，设置片选信号，以便与各种处理器连接。

·转换时钟或启动转换信号，单次转换时为启动转换，连续转换时是时钟输入信号。

·数据有效可以读取信号，可作为转换结束或数据准备好信号输出。

    ·模拟单端输入时，分别接外部信号，差分输入时，前后两个端子分别组成一对差分    输入端。

·读信号RD、写WR或读写组合信号，实现数据的输入输出控制。

·模拟电源、数字电源和缓冲器电源的输入端，一般前者采用5V电源，后两者采用

3.3V电源。

值得注意的是，A/D模块内部的FIFO安排成环形，采用读取点、写入点和触发点控制读写操作，如图11-8所示。

系统采用中断方式来设计A/D模块，其工作原理是由ARM的CLK时钟连接A/D芯片的转换时钟控制采样保持和A/D变换。这样让设定通道的信号同时采样保持，然后分别转换为数字信号并自动顺序写入FIFO，同时FTFO的写入点向前移动，指示下一个写入点；当FIFO内的数据达到预定的触发深度时，发出数据就绪信号申请中断，ARM响应中断读取转换数据，同时清除信号，读取点和触发点向前移动。芯片的工作方式由两个寄存器控制，通过编写ARM程序写寄存器，可以选择使用通道、工作模式、FTFO触发深度、极性与触发方式等。

A/D模块的电路原理图如图11-9所示。

 

                                      图11-9 A/D模块电路原理图

3.2 D/A模块

D/A转换模块是一个可选模块，当音频播放、电机控制、数据采集时可以用到，这里仅做简要介绍。

目前D/A转换器按照工作原理的不同，可以分为两大类，即直接D/A转换器和间接D/A转换器。直接D/A转换器的工作方式是指直接将输入的数字信号转换为输出的模拟信号；而间接D/A转换器的工作方式是先将输入的数字信号转换为某种中间量，然后再将这种中间量转换成为输出的模拟量。

在D/A模块的电路设计中，选用数据并行输入、模拟输出的D/A转换器。其建立时间为10ns，功耗为20mW，电源可采用单电源+5v或双电源±5V供电。D/A模块内部主要由输入寄存器、DAC寄存器、DAC和I/O缓冲电路及控制电路组成，ARM的R/W#、A[13：15]信号经过组合后，产生对D/A模块的各种控制信号。

D/A模块硬件原理图如图lI-10所示。

如图11-10所示的D/A内部电路由模拟电路部分和数字电路部分组成。从数字开关输出的模拟信号作为输入信号，接到其IN HI脚。模拟信号转换为数字信号后，经B1～B12传送到ARM。

4 A/D采样软件设计

以下是A/D单点和定长数据采集子程序，其中单点采样子程序AD()用来返回一个有符号整数形式的转换结果；定长采样子程序DAQ()根据入口参数 interval(单位为μs)给定的采样间隔采样N点，并采用查询定时器的方式来控制采样时序，N点采样结果存储在定位于外部存储器的数组array 中。

5实例总结

    ARM平台上的A/D和D/A器件是非常重要的部分，A/D完成模拟信号到数字信号的模数转换，D/A则完成数模转换。本章介绍的ARM系统中简单、实用 A/D及D/A转换器的接口电路，它能通过对ARM内部寄存器的软件设置，灵活地改变采样率，从而适应各种速率下的数据采集。