模/数转换器(ADC)第7章
第7章 模/数转换器（ADC）
本章讲述了模/数（A/D）转换器，包括模拟量输入通道、模拟量输入信号类型与量程自动转换、STM32F103VET6集成的ADC模块、ADC库函数、ADC使用流程和模/数（A/D）转换器应用实例
本章讲述了模/数（A/D）转换器，包括模拟量输入通 道、模拟量输入信号类型与量程自动转换、 STM32F103VET6集成的ADC模块、ADC库函数、ADC使 用流程和模/数（A/D）转换器应用实例
7.1模拟量输入通道当计算机用作测控系统时，系统总要有被测量信号的输入通道，由计算机拾取必要的输入信息，对于测量系统而言，如何准确获取被测信号是其核心任务：而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监祭也是不可缺少的环节。系统需要的被测信号，一般可分为开关量和模拟量二种。所谓开关量输入，是指输入信号为状态信号，其信号电平只有二种，即高电平或低电平。对于这类信号，只需经放大、整形和电平转换等处理后，即可直接送入计算机系统。对于模拟量输入，由于模拟信号的电压或电流是连续变化信号，其信号幅度在任何时刻都有定义，因此对其进行处理就较为复杂，在进行小信号放大、滤波量化等处理过程中需考虑干扰信号的抑制、转换精度及线性等诸多因素；而这种信号又是测控系统中最普通、最常碰到的输入信号，如对温度、湿度、压力、流量、液位、气体成份等信号的处理等
7.1 模拟量输入通道 当计算机用作测控系统时，系统总要有被测量信号的输 入通道，由计算机拾取必要的输入信息，对于测量系统而言 ，如何准确获取被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲 ，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少 的环节。 系统需要的被测信号，一般可分为开关量和模拟量二种 。所谓开关量输入，是指输入信号为状态信号，其信号电平 只有二种，即高电平或低电平。对于这类信号，只需经放大 、整形和电平转换等处理后，即可直接送入计算机系统。对 于模拟量输入，由于模拟信号的电压或电流是连续变化信号 ，其信号幅度在任何时刻都有定义，因此对其进行处理就较 为复杂，在进行小信号放大、滤波量化等处理过程中需考虑 干扰信号的抑制、转换精度及线性等诸多因素；而这种信号 又是测控系统中最普通、最常碰到的输入信号，如对温度、 湿度、压力、流量、液位、气体成份等信号的处理等
模拟量输入通道根据应用要求的不同，可以有不同的结构形式。图7-1是多路模拟量输入通道的组成框图。信号处理过接口CPU总线放大器A-D模采样-保持检测信号处理程拟参开CPU总线数关控制信号处理图7-1模拟量输入通道的组成
图7-1 模拟量输入通道的组成 模拟量输入通道根据应用要求的不同，可以有不同的 结构形式。图7-1是多路模拟量输入通道的组成框图
从图7-1可看出，模拟量输入通道一般由信号处理、模拟开关、放大器、采样一保持器和A/D转换器组成。根据需要，信号处理可选择的内容包括小信号放大信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流/电压转换等
从图7-1可看出，模拟量输入通道一般由信号处理、模 拟开关、放大器、采样—保持器和A/D转换器组成。 根据需要，信号处理可选择的内容包括小信号放大、 信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿 、电流/电压转换等
7.2模拟量输入信号类型与量程自动转换7.2.1模拟量输入信号类型在接到一个具体的测控任务后，需根据被测控对象选择合适的传感器，从而完成非电物理量到电量的转换，经传感器转换后的量，如电流、电压等，往往信号幅度很小，很难直接进行模数转换，因此，需对这些模拟电信号进行幅度处理和完成阻抗匹配、波形变换、噪声的抑制等要求，而这些工作需要放大器完成。模拟量输入信号主要有以下两类：
7.2 模拟量输入信号类型与量程自动转换 在接到一个具体的测控任务后，需根据被测控对象选择 合适的传感器，从而完成非电物理量到电量的转换，经传感 器转换后的量，如电流、电压等，往往信号幅度很小，很难 直接进行模数转换，因此，需对这些模拟电信号进行幅度处 理和完成阻抗匹配、波形变换、噪声的抑制等要求，而这些 工作需要放大器完成。 模拟量输入信号主要有以下两类： 7.2.1 模拟量输入信号类型
第一类为传感器输出的信号，如：(1）电压信号：一般为mV信号，如热电偶（TC）的输出或电桥输出。(2）电阻信号：单位为Q，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。(3）电流信号：一般为uA信号，如电流型集成温度传感器AD590的输出信号，通过取样电阻转换成mV信号。对于以上这些信号往往不能直接送A-D转换，因为信号的幅值太小，需经运算放大器放大后，变换成标准电压信号，如0~5V，1~5V，0~10V，一5V~+5V等，送往A-D转换器进行采样。有些双积分A-D转换器的输入为一200mV~+200mV或一2V~+2V，有些A-D转换器内部带有程控增益放大器（PGA），可直接接受mV信号
第一类为传感器输出的信号，如： ⑴ 电压信号：一般为mV信号，如热电偶（TC）的输出 或电桥输出。 ⑵ 电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过 电桥转换成mV信号。 ⑶ 电流信号：一般为μA信号，如电流型集成温度传感 器AD590的输出信号，通过取样电阻转换成mV信号。 对于以上这些信号往往不能直接送A-D转换，因为信号 的幅值太小，需经运算放大器放大后，变换成标准电压信号 ，如0~5V，1~5V，0~10V，－5V~+5V等，送往A-D转换器 进行采样。有些双积分A-D转换器的输入为－ 200mV~+200mV或－2V~+2V，有些A-D转换器内部带有程 控增益放大器（PGA），可直接接受mV信号
第二类为变送器输出的信号，如：(1）电流信号：0~10mA（0~1.5kQ负载）或4~20mA（0~500Q负载）。（2）电压信号：0~5V或1~5V等。电流信号可以远传，通过一个标准精密取样电阻就可以变成标准电压信号，送往A-D转换器进行采样，这类信号一般不需要放大处理
第二类为变送器输出的信号，如： ⑴ 电流信号：0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA（ 0~500Ω负载）。 ⑵ 电压信号：0~5V或1~5V等。 电流信号可以远传，通过一个标准精密取样电阻就可以 变成标准电压信号，送往A-D转换器进行采样，这类信号一 般不需要放大处理
7.2.2量程自动转换由于传感器所提供的信号变化范围很宽（从微伏到伏），特别是在多回路检测系统中，当各回路的参数信号不一样时，必须提供各种量程的放大器，才能保证送到计算机的信号一致（如0～5V）。在模拟系统中，为了放大不同的信号，需要使用不同倍数的放大器。而在电动单位组合仪表中，常常使用各种类型的变送器，如温度变送器、差压变送器、位移变送器等。但是，这种变送器造价比较贵，系统也比较复杂。随着计算机的应用，为了减少硬件设备，已经研制出可编程增益放大器（ProgrammableGainAmplifier），简称PGA。它是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。这就是量程自动转换
由于传感器所提供的信号变化范围很宽（从微伏到伏） ，特别是在多回路检测系统中，当各回路的参数信号不一样 时，必须提供各种量程的放大器，才能保证送到计算机的信 号一致（如0~5V）。在模拟系统中，为了放大不同的信号 ，需要使用不同倍数的放大器。而在电动单位组合仪表中， 常常使用各种类型的变送器，如温度变送器、差压变送器、 位移变送器等。但是，这种变送器造价比较贵，系统也比较 复杂。随着计算机的应用，为了减少硬件设备，已经研制出 可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier），简 称PGA。它是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可根 据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节 放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大 提高测量精度。这就是量程自动转换。 7.2.2 量程自动转换
7.3STM32F103VET6集成的ADC模块STM32F103VET6微控制器集成有18路12位高速逐次逼近型模数转换器（ADC），可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。模拟看门狗特性充许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高／低值。ADC的输入时钟不得超过14MHz，由PCLK2经分频产生
7.3 STM32F103VET6集成的ADC模块 STM32F103VET6 微控制器集成有18路12位高速逐次 逼近型模数转换器（ADC），可测量16个外部和2个内部信 号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式 执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据 寄存器中。 模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用 户定义的高／低阈值。 ADC的输入时钟不得超过14MHz，由PCLK2经分频产 生