A/D转换基本原理 分辨率

yuyang911220

1．A/D转换基础
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前向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。A/D转换的一般步骤如图8-54所示。

2．A/D转换的技术指标
1）分辨率（Resolution）
数字量变化是一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，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2n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1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数越多，量化单位越小，分辨率越高。例如S3C2410X的A/D转换器输出为10位二进制数，输入信号最大值为3.3V，那么这个转换器应能区分输入信号的最小电压为3.22mV。
2）转换速率（Conversion Rate）
完成一次从模拟转换到数字的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A/D是微秒级，属中速A/D；全并行/串并行型A/D可达到纳秒级。采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，采样速率（Sample Rate）必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。
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。通常是一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如图8-55所示。

4）偏移误差（Offset Error）
输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。
5）满刻度误差（Full Scale Error）
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）
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。
其他指标还有：绝对精度（Absolute Accuracy）、相对精度（Relative Accuracy）、微分非线性、单调性和无错码、总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）和积分非线性。
A/D转换器的主要类型有：积分型A/D转换器、逐次比较型A/D、并行比较/串行比较型A/D、电容阵列逐次比较型和压频变换型。
3．A/D转换的一般步骤
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。因此，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采样保持器来完成，而量化编码则由A/D转换器来完成。
在FS11C14开发板上，需要对A/D进行配置的有关寄存器如表8-16所示。

表8-16  需要对A/D进行配置的有关寄存器

名    称	获取权限	描    述
AD0CR	R/W	A/D控制寄存器。该寄存器必须在进行A/D转换之前写入进行操作模式的选择
AD0GDR	R/W	A/D全局数据寄存器。其中包含最近的A/D转换的结果
AD0INTEN	R/W	A/D中断使能寄存器。该寄存器包括允许每个产生A/D中断的通道的使能位
AD0DR0	R/W	A/D通道0的数据寄存器。该寄存器中存放着通道0上最近的转换结果
……	……	……
AD0DR7	R/W	A/D通道7的数据寄存器。该寄存器中存放着通道0上最近的转换结果
AD0STAT	RO	A/D状态寄存器。该寄存器中包含所有的A/D通道以及A/D中断标志的DONE和OVERRUN标志