ADC的基本原理及編寫基於ARM的裸機程序的方案解析

ARM系列文章合集如下：

《從0學arm合集》

前言

在嵌入式開發中，ADC應用比較頻繁，本文主要講解ADC的基本原理以及如何編寫基於ARM的裸機程序和基於Linux的驅動程序。

ARM架構：Cortex－A9Linux內核：3．14

在講述ADC之前，我們需要先了解什麼是模擬信號和數位訊號。

模擬信號

主要是與離散的數位訊號相對的連續的信號。模擬信號分布於自然界的各個角落，如每天溫度的變化，而數位訊號是人為的抽象出來的在時間上不連續的信號。電學上的模擬信號是主要是指幅度和相位都連續的電信號，此信號可以被模擬電路進行各種運算，如放大，相加，相乘等。

模擬信號是指用連續變化的物理量表示的信息，其信號的幅度，或頻率，或相位隨時間作連續變化，如目前廣播的聲音信號，或圖像信號等。

如下圖所示從上到下一次是正弦波、 調幅波、 阻尼震蕩波、 指數衰減波 。

數位訊號

數位訊號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個數值之內。二進位碼就是一種數位訊號。二進位碼受噪聲的影響小，易於有數字電路進行處理，所以得到了廣泛的應用。

數位訊號：高清數位電視，MP3，JPG，PNG文件等等。

優點：

1． 抗幹擾能力強、無噪聲積累

在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號傳輸過程中及時對衰減的傳輸信號進行放大，信號在傳輸過程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時放大。

隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質量嚴重惡化。

對於數字通信，由於數位訊號的幅值為有限個離散值（通常取兩個幅值），在傳輸過程中雖然也受到噪聲的幹擾，但當信噪比惡化到一定程度時，

即在適當的距離採用判決再生的方法，再生成沒有噪聲幹擾的和原發送端一樣的數位訊號，所以可實現長距離高質量的傳輸。

2． 便於加密處理

信息傳輸的安全性和保密性越來越重要，數字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以話音信號為例，經過數字變換後的信號可用簡單的數字邏輯運算進行加密、解密處理。

3． 便於存儲、處理和交換

數字通信的信號形式和計算機所用信號一致，都是二進位代碼，因此便於與計算機聯網，也便於用計算機對數位訊號進行存儲、處理和交換，

可使通信網的管理、維護實現自動化、智能化。

4． 設備便於集成化、微型

數字通信採用時分多路復用，不需要體積較大的濾波器。設備中大部分電路是數字電路，可用大規模和超大規模集成電路實現，因此體積小、功耗低。

5． 便於構成綜合數字網和綜合業務數字網

採用數字傳輸方式，可以通過程控數字交換設備進行數字交換，以實現傳輸和交換的綜合。

另外，電話業務和各種非話業務都可以實現數位化，構成綜合業務數字網。

6． 佔用信道頻帶較寬

一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數字電話約佔64kHz，這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。隨著寬頻帶信道（光纜、數字微波）的大量利用（一對光纜可開通幾千路電話）以及數位訊號處理技術的發展（可將一路數字電話的數碼率由64kb／s壓縮到32kb／s甚至更低的數碼率），數字電話的帶寬問題已不是主要問題了。

常用的數位訊號編碼有不歸零（NRZ）編碼、 曼徹斯特（Manchester）編碼和差分曼徹斯特（Differential Manchester）編碼。

數位訊號與模擬信號的轉化

模擬信號和數位訊號之間可以相互轉換：模擬信號一般通過PCM脈碼調製（Pulse Code Modulation）方法量化為數位訊號，

即讓模擬信號的不同幅度分別對應不同的二進位值，例如採用8位編碼可將模擬信號量化為2＾8＝256個量級，實用中常採取24位或30位編碼；

數位訊號一般通過對載波進行移相（Phase Shift）的方法轉換為模擬信號。計算機、計算機區域網與城域網中均使用二進位數位訊號，

目前在計算機廣域網中實際傳送的則既有二進位數位訊號，也有由數位訊號轉換而得的模擬信號。但是更具應用發展前景的是數位訊號。

PCM脈衝編碼調製

脈衝編碼調製就是把一個時間連續，取值連續的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數位訊號後在信道中傳輸。

脈衝編碼調製就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化， 編碼的過程。

抽樣：

就是對模擬信號進行周期性掃描，把時間上連續的信號變成時間上離散的信號。

該模擬信號經過抽樣後還應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。

量化：

就是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散，即用一組規定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示，通常是用二進位表示。

編碼：

就是用一組二進位碼組來表示每一個有固定電平的量化值。然而，實際上量化是在編碼過程中同時完成的，故編碼過程也稱為模／數變換，可記作A／D。

ADC

ADC，Analog－to－Digital Converter的縮寫，指模／數轉換器或者模數轉換器。是指將連續變化的模擬信號轉換為離散的數位訊號的器件。真實世界的模擬信號，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，需要轉換成更容易儲存、處理和發射的數字形式。模／數轉換器可以實現這個功能，在各種不同的產品中都可以找到它的身影。

ADC最早用於對無線信號向數位訊號轉換。如電視信號，長短播電臺發接收等。

與之相對應的DAC，Digital－to－Analog Converter，它是ADC模數轉換的逆向過程。

現在市場上的電子產品都集成了傳感器，傳感器要採集數據，他的內部結構裡就一定要用到ADC，常見的傳感器如下：

溫溼度：溫度傳感器，DHT11

聲音：音頻晶片進行錄音，WM8906

圖像：索尼IMX386／IMX283傳感器

Exynos4412 A／D轉換器

三星的Exynos4412模塊結構圖如下所示：

Adc控制器集成在exynos4412 soc中，控制器內部有一根中斷線連接到中斷控制器combiner，然後路由到GIC（Generic Interrupt Controller），滑動變阻器連接到adc控制器的通道3。

ADC控制器

參考《Exynos 4412 SCP》 的datasheet。ADC控制器是10位或12位CMOS再循環式模擬數字轉換器，它具有10個通道輸入，並可將模擬量轉換至10位或12位二進位數。5Mhz A／D 轉換時鐘，最大1Msps的轉換速度。A／D轉換具備片上採樣保持功能，同時也支持待機工作模式。

ADC接口包括如下特性。

10bit／12bit輸出位可選。微分誤差  1．0LSB。

積分誤差  2．0LSB。

最大轉換速率5Msps．

功耗少，電壓輸入1．8V。

電壓輸入範圍 0～1．8V。

支持偏上樣本保持功能。

通用轉換模式。

模塊圖

4412 A／D轉換器的控制器接口框圖如下：

原理我們並不需要關注，知道即可。