第七章 模拟通道组件及应用
文章目录
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- 第七章 模拟通道组件及应用
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- 学习目标
- 重点内容
- 模拟输入输出系统
- 传感器和变送器
- 信号调理电路设计
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- 信号滤波
- 信号放大
- 激励与变换
- 模数转换器ADC
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- **STM32F10x片上**ADC的工作模式
- STM32F10x片上ADC操作步骤
- 标度变换
- 数模转换器DAC
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- 步骤
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学习目标
- 熟悉模拟输入输出系统的组成*
- 了解常用传感器和变送器的应用领域
- 掌握常用信号调理电路设计*
- 熟练掌握ADC及其应用设计*
- 熟练掌握常用标工程)变换*
- 熟练掌握DAC及其应用设计*
重点内容
- 1.掌握模拟输入输出系统的组成(图)
- 2.了解传感器的类型，并根据实际应用选择相应的传感器
- 3.了解信号调节的主要功能任务
- 4.设计一级低通波器RC计算
- 5、掌握片上ADC的编程应用
- 6.掌握标准变化及其应用
- 7、掌握片上DAC的编程应用
模拟输入输出系统
传感器和变送器
**传感器：**将测量的非电量转换为具有确定关系的电量或其他形式的装置。传感器是人类感官的延伸，是现代测控系统和物联网的关键环节。
**变送器：**一种在传感器的基础上以某种形式传输感知信号的装置。由于一些传感器具有传输功能，有时传感器和变送器没有太大区别。现代智能传感器具有变送器的功能。
信号调节电路设计
在嵌入式系统的输入通道中，传感器感知的信号通常需要通过调整电路进行放大、过滤和变换A/D变换器可以接收的范围。因此，调整电路的设计在前端处理中起着非常重要的作用，直接影响检测效果。
信号调节的任务是通过放大、过滤和变换等操作，将传感器输出的信号转换为收集设备可识别的标准 准信号。
- 1.放大和衰减：改变信号振幅值
- 2.隔离:电隔离抗干扰
- 3.多路复用:多路模拟输入选择
- 4.滤波：过滤干扰
- 5.激励和变换:非电压信号变换:
- 6.冷端补偿：热电偶冷端非零度补偿
信号滤波
滤波是指滤除一定频率范围一定幅度的无用信号。
（1）?阶RC低通滤波器：截止频率为 f 0 = 1 2 π R C f_0=\frac{1}{2\pi RC} f0=2πRC1
（2）?阶RC高通滤波器：截止频率为 f 0 = 1 2 π R C f_0=\frac{1}{2\pi RC} f0=2πRC1
（3）RC带通滤波电路：带通频率为 f 1 = 1 2 π R 1 C 1 f 2 = 1 2 π R 2 C 2 f_1=\frac{1}{2\pi R_1C_1} \space \space f_2=\frac{1}{2\pi R_2C_2} f1=2πR1C11 f2=2πR2C21
（1）一阶有源低通滤波电路 f 0 = 1 2 π R C f_0=\frac{1}{2\pi RC} f0=2πRC1
（2）二阶有源低通滤波器 f 0 = 1 2 π R 1 C 1 R 2 C 2 f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{R_1C_1R_2C_2}} f0=2πR1C1R2C2 1
信号放大
其中 U i U_i Ui表示传感器的输出电压，也就是放大器的输入电压； U 0 U_0 U0表示放大器输出给ADC的输出电压。 U 0 = ( 1 + R f R 1 ) × U i U_0=(1+\frac{R_f}{R_1})\times U_i U0=(1+R1Rf)×Ui 放大倍数 A = 1 + R f R 1 A=1+\frac{R_f}{R_1} A=1+R1Rf U i = U + = U − = U 0 ∗ R 1 R 1 + R f U_i=U_+=U_-=U_0*\frac{R_1}{R_1+R_f} Ui=U+=U−=U0∗R1+RfR1 放大倍数A=(1+Rf/R1)=(1+361.1/1/1)=329.27，当传感器输出最大10mV时，放大器放大后输出给ADC的最大值为3.2927V。
U 0 = − R f R 1 × U i U_0=-\frac{R_f}{R_1}\times U_i U0=−R1Rf×Ui 放大倍数 A = − R f R 1 A=-\frac{R_f}{R_1} A=−R1Rf U i = U − = U + ＝ 0 I i + I o = 0 U 0 = − R f R 1 ∗ U i U_i=U_-=U_+＝0 \space \space\space I_i+I_o=0 \space \space\space U_0=-\frac{R_f}{R_1}*U_i Ui=U−=U+＝0 Ii+Io=0 U0=−R1Rf∗Ui 放大倍数A=-Rf/R1=-100/10=-10当传感器输出最大300mV时，放大器放大后输出给ADC的最大值为3.0V。
激励与变换
有些传感器输出的信号不是电压信号，这时就要把非电压信号变换为电压信号，这即信号变换。通常信号变换是靠激励源完成的，因此有时信号变换也可以认为是信号激励。
1、电阻信号变换为电压信号
2、电流变换为电压
3、电压变换为电流
4、双极变单极
5、电平变换
模数转换器ADC
ADC的工作模式
（1）单次转换模式
单次转换模式下，ADC只执行一次转换。该模式有两种启动方式
既可通过设置寄存器的位(只适用于规则通道)启动
可通过外部触发启动(适用于规则通道或注入通道)，这时CONT位为0。然后ADC停止。
（2）连续转换模式
在连续转换模式中，当前面转换⼀结束马上就启动另⼀次转换。此模式可通过外部触发启动或通过设置
寄存器上的位启动，此时CONT位是1。注意这里，单次转换CONT（continue）位是0，这里是1
（3）自动扫描模式
此模式用来扫描⼀组模拟通道。扫描模式可通过设置ADC_CR1寄存器的位（进行写1操作）来选择
STM32F10x片上ADC操作步骤
- （1）配置ADC输入引脚
- （2）初始化ADC并启动A/D变换
- （3）查询ADC状态寄存器ADC_SR，判断A/D转换是否结束，如果EOC＝1表明转换结束，否则没有结束。
- （4）转换结束时读取转换数据寄存器ADC_DR中值，取低16位结果（多个规则通道只有一个数据寄存器）。
- （5）读出的数字进行标度变换可以得到所求物理量
标度变换
标度变换：指将对应参数值的大小转换成能直接显示有量纲的被测工程量数值，也称为工程转换。对于ADC而言，标度变换的目的就是要将ADC转换得到的数字量如何变换成工程量（实际物理量）。
Y0为被测物理量下限；Ym为被测物理量上限；N0为Y0对应的数字量；Nm为Ym对应的数字量 Y x = Y 0 + ( Y m − Y 0 ) ∗ ( N x − N 0 ) / ( N m − N 0 ) Yx=Y0+(Ym-Y0)*(Nx-N0)/(Nm-N0) Yx=Y0+(Ym−Y0)∗(Nx−N0)/(Nm−N0)
数模转换器DAC
数模转换是将数字量转换为模拟量(电流或电压)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现这种转换功能的电路叫数模转换器(DAC)。
步骤
一、DAC初始化 （1）初始化用于DAC输出的GPIOA端口时钟及A端口复用 时钟 （2）初始化ADC时钟 （3）将PA4或PA5设置为50MHz复用推挽输出 （4）选择触 发方式 DAC_Trigger （5）是否使用波形发生、关闭输出缓冲 （6）使能DAC、通道1或2由软件触发 （7）设置通道12位右对齐模式。 二、输出数据到 DAC相应通道，如果有触 发方式，则使能相应触 发方式