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STM32F37x38x SDADC （Sigma-Delta ADC）入门.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.66M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    表 1. 适用产品
    1 sigma-delta转换器基础
    图 1. sigma-delta模数转换器框图
    2 16位SDADC概述
    2.1 主要特性
    2.1.1 时钟选择
    2.1.2 输入模式
    图 2. 差分模式中的输入信号范围
    图 3. 差分传感器至差分通道的典型连接
    图 4. 单端偏移模式中的输入信号范围
    图 5. 单端零参考模式中的输入信号范围
    2.1.3 SDADC电压参考
    表 2. 电压步进大小
    2.1.4 校准
    图 6. SDADC中的偏移误差
    图 7. SDADC中的增益误差
    图 8. 使用精确参考电压进行增益校准
    图 9. SDADC软件校准步骤
    2.1.5 匹配阻抗。
    图 10. 输入通道的等效输入电路
    表 3. 典型SDADC输入通道输入阻抗
    2.1.6 低功耗模式
    3 Sigma-delta（SD）vs.逐次逼近型(SAR) 模数转换器
    图 11. ADC架构 vs. 分辨率和采样率
    表 4. SDADC vs. SAR ADC特性比较
    4 应用程序示例
    4.1 温度测量
    表 5. 温度传感器电压范围
    4.2 压力测量
    表 6. 压力传感器电压范围
    4.3 录音机
    图 12. 录音机应用框图
    图 13. 录音机应用的流程图
    4.4 心电图（ECG）捕获
    图 14. 心电图（ECG）捕获应用的框图
    图 15. ECG捕获应用的流程图
    4.5 电表应用
    图 16. 使用STM32F37x/38x器件的三相电表应用
    5 修订历史
    表 7. 文档修订历史
    AN4207 应用笔记 STM32F37x/38x SDADC （Sigma-Delta ADC）入门 前言 STM32F37x/38x 系列微控制器整合了带有 DSP 与 FPU 指令、工作频率为 72 MHz 的 32 位 ARM Cortex-M4 内核和高级模拟外设。 此系列是 Cortex-M4 内核和精确 16 位 Sigma-Delta ADC 的结合。 本文概述了 SDADC 的主要特性，并演示了怎样在各种应用案例中使用 SDADC。本文用举 例的方法演示了四个应用案例。 1. 使用 PT100 的温度测量 2. 使用 MPX2102A 的压力测量 3. 录音机 4. 心电图 （ECG）捕获 为帮助您快速上手，四个应用案例都用 C 语言实现，并作为 STM32F37x/38x DSP 和标准外 设库包 stm32f37x_dsp_stdperiph_lib 和 STM32373C-EVAL 演示固件包 stm32373c-eval_fw. 的一部分 请注意，本文并不能取代 STM32F37x/STM32F38x 参考手册 RM0313 中的 Sigma-Delta 模 数转换器 （SDADC）一节。 本文中给出的所有数值仅作参考。请参考相关的数据手册以获取有效的最新数据。 表 1. 微控制器 适用产品 类型 STM32F37x， STM32F38x 部件编号 2012 年 12 月 Doc ID 023945 Rev 1 1/28 www.st.com
    目录 目录 1 2 3 4 5 AN4207 sigma-delta 转换器基础 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 16 位 SDADC 概述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1 主要特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 时钟选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 输入模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 SDADC 电压参考 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 校准 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 匹配阻抗。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 低功耗模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 Sigma-delta （SD） vs. 逐次逼近型 （SAR） 模数转换器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 应用程序示例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.1 温度测量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.2 压力测量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.3 录音机 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.4 心电图 （ECG）捕获 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.5 电表应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 修订历史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2/28 Doc ID 023945 Rev 1
    AN4207 表格索引 表格索引 表 1. 表 2. 表 3. 表 4. 表 5. 表 6. 表 7. 适用产品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 电压步进大小 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 典型 SDADC 输入通道输入阻抗 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 SDADC vs. SAR ADC 特性比较 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 温度传感器电压范围 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 压力传感器电压范围 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 文档修订历史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Doc ID 023945 Rev 1 3/28
    图片索引 图片索引 AN4207 图 1. 图 2. 图 3. 图 4. 图 5. 图 6. 图 7. 图 8. 图 9. 图 10. 图 11. 图 12. 图 13. 图 14. 图 15. 图 16. sigma-delta 模数转换器框图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 差分模式中的输入信号范围. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 差分传感器至差分通道的典型连接 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 单端偏移模式中的输入信号范围 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 单端零参考模式中的输入信号范围 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 SDADC 中的偏移误差. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 SDADC 中的增益误差. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 使用精确参考电压进行增益校准 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 SDADC 软件校准步骤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 输入通道的等效输入电路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 ADC 架构 vs. 分辨率和采样率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 录音机应用框图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 录音机应用的流程图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 心电图 （ECG）捕获应用的框图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 ECG 捕获应用的流程图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 使用 STM32F37x/38x 器件的三相电表应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4/28 Doc ID 023945 Rev 1
    AN4207 sigma-delta 转换器基础 1 sigma-delta 转换器基础 Sigma-delta 转换器又称过采样转换器，它包含两个基本电路：调制器和数字滤波器（图1）。 在调制器中，输入信号被加至数模转换器 （DAC）输出的负反馈信号。通过集成电路之后， 信号的差值到达比较器的输入 （1 位 ADC），在此与参考电压比较 （比较器作为 1 位量化器 工作）。比较器的输入信号 （1 位 ADC）控制着 1 位转换器，到达数字滤波器的输入。数字 滤波器降低流速，将 1 位的流转换为 16 位的字。使用的滤波器拓扑确保了低通的阶为 Sinc³。 图 1. sigma-delta 模数转换器框图 Vin 1ADC 1 16 1DAC MSv31135V1 Doc ID 023945 Rev 1 5/28
    16 位 SDADC 概述 AN4207 2 2.1 16 位 SDADC 概述 主要特性 STM32F37x/38x 器件具有三个嵌入式 Sigma-Delta 模数转换器（SDADC）。它们可以同步， 且每一个都有下列主要特性： ● 有效位数 （ENOB）等于 14 位 ● 5 个差分输入对，或者 9 个单端输入，或它们的组合 ● 高性能数据吞吐量： – 当在不同通道之间复用时，为 16.6 ksps 输入采样率 – 单通道工作时为 50 ksps 输入采样率 ● 可编程增益：x0.5、 x1、 x2、 x4、 x8、 x16 及 x32 ● 可选参考电压：VDDSD、 1.22 V、 1.8 V 及 VREF 2.1.1 时钟选择 SDADC 时钟由 SDADCCLK 提供，它按可选的倍数将系统时钟 （SYSCLK）预分频：2、4、 6、 8、 10、 12、 14、 16、 20、 24、 28、 32、 36、 40、 44 和 48。 SDADC 的典型工作频率为快速模式下 6 MHz 及慢速模式下 1.5 MHz。 示例： 如果 SYSCLK 设为 72 MHz，则 SDADC 分频器应设为 SYSCLK/ 典型频率： 快速模式：预分频 = 72 MHz / 6 MHz = 12 低速模式：预分频 = 72 MHz / 1.5 MHz = 48 2.1.2 输入模式 SDADC 有三种可能的输入模式，也可组合使用。 ● 差分模式： ● 单端偏移模式 ● 单端零参考模式 差分模式 当所用传感器产生的信号非常小，易受噪声影响时，推荐使用差分模式。当使用热电偶和桥 式传感器 （压力传感器）时，尤其如此。 在差分模式中，SDADC 转换的是 SDADCx_AINyP 和 SDADCx_AINyM 的差值。结果可能是 正值或负值，取决于哪个输入电压更高。 SDADC 无法测量负电压，并且每个通道的输入电压都必须在器件的电气极限之内。 输入范围为 [-Vref/(2*gain), + Vref/(2*gain)]，转换值范围为 [-32767, +32767] 注: 6/28 Doc ID 023945 Rev 1
    AN4207 16 位 SDADC 概述 示例： 对于 1.22V 的参考电压， 1 倍增益，输入范围为 +/- 0.61V 公式为： Vin = SDADCx_AINyP - SDADCx_AINyM = ReadData * Vref/(2 x gain x 32767) 其中， ReadData 为 SDADC 数据寄存器的两个补充读数据 （SDADCx_JDATAR 或 SDADCx_RDATAR） 图 2. 差分模式中的输入信号范围 SDADCx_AINyP - SDADCx_AINyM + Vref/(2x) - Vref/(2x) 图3 显示了怎样将桥式传感器连接至 16 位 SDADC。 如下所示，正输入 （SDADCx_AINyP）和负输入 SDADCx_AINyM）连至传感器输出。 MSv31128V1 Doc ID 023945 Rev 1 7/28
    16 位 SDADC 概述 AN4207 图 3. 差分传感器至差分通道的典型连接 SDADC_VREF+ Vref SDADCx_INyP SDADCx_INyM STM32F37x SDADC_VREF- MSv31129V1 单端偏移模式 在单端偏移模式中，通过将负输入内部连至0 V 进行转换，负输入的相应引脚（SDADCx_AINyM） 可用作其它用处。要测量的信号施加于正输入 SDADCx_AINyP。此工作模式与差分模式类 似，只是输出数据范围仅为 0 到 +32767，而不是 –32767 到 +32767，因此有一半的动态范 围损失，导致 SNR 下降。 公式为： Vin = SDADCx_AINyP = ReadData * Vref/(2 x 增益 x 32767) 其中， ReadData 为 SDADC 数据寄存器的两个补充读数据 （SDADCx_JDATAR 或 SDADCx_RDATAR） 8/28 Doc ID 023945 Rev 1
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