background image

1

Podstawy techniki 

mikroprocesorowej 

ETEW006

Przetworniki A/C i C/A

Andrzej Stępień

Katedra Metrologii Elektronicznej i Fotonicznej

Przetworniki  A/C

metoda przetwarzania  analogowo-cyfrowego

rozdzielczo

ść

 i dokładno

ść

 przetwarzania

czas próbkowania i przetwarzania  mierzonego sygnału

parametry wej

ś

ciowe: pojemno

ść

 i rezystancja wej

ś

ciowa przetwornika

rezystancja analogowych  przeł

ą

czników  determinuj

ą

ca rezystancj

ę

 

ź

ródła 

mierzonego napi

ę

cia

automatyzacja pomiarów, mo

ż

liwo

ść

 wykonania  pojedynczego, wielokrotnego 

pomiaru, z automatem programuj

ą

cym numery kanałów wej

ś

ciowych i 

krotno

ść

 powtarzanych  pomiarów

sposób zapisu wyników przetwarzania, zwłaszcza  dla przetworników  o 
rozdzielczo

ś

ci wi

ę

kszej od długo

ś

ci słowa maszynowego

wewn

ę

trzna konstrukcja i wewn

ę

trzne  układy wpływaj

ą

ce  na dokładno

ść

 

przetwarzania

jako

ść

 poł

ą

cze

ń

 na płytce drukowanej, sposób zasilania cz

ęś

ci analogowej i 

cyfrowej

Rozdzielczość przetworników

poj

ę

cie ’pełna skala’ 

(

Full–Scale

; FS) niezale

ż

ne od rozdzielczo

ś

ci, 

liczby bitów przetwornika (N)

kodowanie odniesione do ’pełnej skali’ 

(FS) 

interpretowane jako 

cz

ęść

 ułamkowa, podział przez 2

N

:

MSB (Most Significant Bit) waga ½ (2

(N–1)

/2

N

= 2

–1

), 

nast

ę

pny bit waga ¼ (2

–2

) i tak dalej, a

ż

 do LSB

LSB (Least Significant Bit) waga 

½

(2

–N

(1 – 2

–N

) FS to efekt dodania wszystkich warto

ś

ci

, np. dla 

przetwornika 3-bitowego zakres zmienno

ś

ci (wyniku) wynosi 0 .. 7

1LSB = 

FS

/

2N

Kester W.: Data Converter Codes—Can You Decode Them.

(MT-009 TUTORIAL) Analog Devices, Rev.A, 10/08

Zapis wyników
przetwornik 4-bitowy

Kester W.: Data Converter Codes—Can You Decode Them.

(MT-009 TUTORIAL) Analog Devices, Rev.A, 10/08, fig. 2

Liczba

10

= a

N-1 

2

N-1

+ a

N-2 

2

N-2 

+ .. + a

2

1

+ a

2

0

1011

2

= (1

2

3

) + (0

2

2

) + (1

2

1

) + (1

2

0

)

=     8

+     0

+     2

+     1

11

10

MSB

LSB

Zapis całkowitoliczbowy:

11

/

FS=16

= 0,6875

10

Liczba

10

= a

N-1 

2

1

+ a

N-2 

2

+ .. + a

2

(N 

 1)

+ a

2

N

0.1011

2

= (1

0,5) + (0

0,25) + (1

0,125) + (1

0,0625)

=     8

+     0

+     2

+     1

0,6875

10

MSB

LSB

Zapis stałoprzecinkowy:

Rozdzielczość przetworników
przetwarzanie unipolarne

FS

1 LSB

Kester W.: Data Converter Codes—Can You Decode Them.

(MT-009 TUTORIAL) Analog Devices, Rev.A, 10/08, fig. 5

Teoretyczna 

charakterystyka 

przetwarzania 

przetwornika 

unipolarnego

Wyj

ś

cie cyfrowe

(przetwarzanie     

’czysto’ binarne)

Rozdzielczość przetworników
przetwarzanie bipolarne

FS

1 LSB

zerowej warto

ś

ci sygnału 

analogowego odpowiada 
warto

ść

 cyfrowa 1000 

(Offset) 

(analogicznie jak przy 
przetwarzaniu  ’czysto’  binarnym)

kod uzupełnienia do 1 

(Ones complement)

– rzadko 

uzywany, niepopulany

kod uzupełnienia do 2 

(Twos complement)

– bit 

najbardziej znacz

ą

cy 

(Most-Significant Bit)
informuje o znaku sygnału 
analogowego U

WE

, np. je

ś

li 

U

WE 

< 0 to MSB = 1

Kester W.: Data Converter Codes—Can You Decode Them.

(MT-009 TUTORIAL) Analog Devices, Rev.A, 10/08, fig. 9

background image

2

STM32L0x3
Basic structure of an I/O port bit

[1#3]

RM0367. Reference manual. Ultra-low-power STM32L0x3 

advanced ARM

®

-based 32-bit MCUs. STMicroelectronics. April 2014

Figure 22/

23

. Basic structure of an 

(five-volt tolerant)

I/O port bit

Analog

Open drain mode

(

P-MOS

never activated)

P-MOS

Analog

STM32L0x3
Basic structure of an I/O port bit

[2#3]

Figure 22/

23

. Basic structure of an 

(five-volt tolerant)

I/O port bit

Analog

Open drain mode

(

P-MOS

never activated)

P-MOS

Analog

STM32L053xx. Ultra-low-power 32-bit MCU ARM

®

-based

Cortex

®

-M0+, up to 64KB Flash, 8KB SRAM, 2KB EEPROM, LCD, USB, 

ADC,  DAC. STMicroelectronics, September 2014, tab. 58, 59 

R

PU

(weak pull-up equivalent resistor, V

IN

= V

SS

= 30

MIN

.. 45

TYP

.. 60

MAX

k

R

PD

(weak pull-down equivalent resistor, V

IN

= V

DD

= 30

MIN

.. 45

TYP

.. 60

MAX

k

STM32L0x3
Basic structure of an I/O port bit

[3#3]

STM32L053xx. Ultra-low-power 32-bit MCU ARM

®

-based

Cortex

®

-M0+, up to 64KB Flash, 8KB SRAM, 2KB EEPROM, LCD, USB, 

ADC,  DAC. STMicroelectronics, September 2014, tab. 59 

(4)

Guaranteed by 

characterization 
results

not 

tested in 
production

(1)

The sum of the

I

IO

currents sunk 

by all the I/Os
(I/O ports and 
control pins) 
must always  be 
respected and 
must not exceed 

Σ

I

IO(PIN)

≤≤≤≤

90 

mA (Table 22)

Only 

PB13/FTf

I/O pins support 
Fm+ low level 
output current 

A/D 

&

D/A  Converters

K. ParkikH: A/D and D/A converters trade off performance 

and resolution. TI (http://www.electronicproducts.com/Analog_Mixed_Signal_ICs/

A_D_and_D_A_converters_trade_off_performance_and_resolution.aspx)

A/D

FLASH
PIPELINE
SUCCESSIVE
APPROXIMATION
SIGMA DELTA

Fig. 1. The various A/D and D/A converter architectures allow designers to trade 

off design criteria such as speed, resolution, power, and cost.

D/A

RESISTOR STRING
R-2R
CURRENT T-STEERING
SINGLE ENDED
CURRENT T-MODE
DIFFERENTIAL
CONTINOUSLY
CALIBRATING

111 000 1 00 11

111 000 1 00 11

AD Converter Resolution

High Speed Data Conversion Overview.

Analog Devices, 2006, Section 1

MCU

Sigma-Delta (

ΣΣΣΣ

∆∆∆∆

)

Dual—Slope Integrating 
Successive Approximation (SAR)

R

o

z

d

z

ie

lc

z

o

ś

ć

 (

re

s

o

lu

ti

o

n

)

[b

it

y

]

Cz

ę

stotliwo

ść

  próbkowania (sampling rate) [Hz]

Cztery główne segmenty rynkowe 
aplikacji przetworników A/C:

zbieranie danych (Data Acquisition),
precyzyjne pomiary przemysłowe 
(Precision Industrial Measurement),
aplikacje audio (Voiceband and Audio),
pomiary z wysok

ą

 cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

 

próbkowania (High Speed)

Metoda kompensacyjno-wagowa 

(Successive Approximation)

U

X

?

? = 11

0

1

CONTROL 

LOGIC

CLOCK

START

V

IN

COMPARATOR

+

D/A

REGISTER

DATA OUTPUT

K. ParkikH: A/D and D/A converters trade off performance 

and resolution. TI (http://www.electronicproducts.com/Analog_Mixed_Signal_ICs/

A_D_and_D_A_converters_trade_off_performance_and_resolution.aspx)

Rys. 4. Metoda kompensacyjno-wagowa  zapewnia:

rozdzielczo

ść

 od 8 do 14 bitów

niskie zu

ż

ycie energii

nisk

ą

 pr

ę

dko

ść

 próbkowania, zwykle  ograniczon

ą

 

do 1 MPróbki / s.

background image

3

Metoda kompensacyjno-wagowa 

(Successive Approximation)
Przykład

U

X

= 13 V

FS

= 16 V,   N = 4,   1LSB = 

FS

/

2N

= 1 V

i = 3

U

3

(MSB) = 1/2

N - i

FS = 8 V,

U

X

≥≥≥≥

(U

3

= 8

U

3

1

i = 2

U

2

= 1/2

N - i

FS = 4 V,

U

X

≥≥≥≥

(U

3

+ U

2

)

= 12

U

2

1

i = 1

U

1

= 1/2

N - i

FS = 2 V,

U

X

<

(U

+ U

+ U

1

)

= 14

U

1

= 0

i = 0

U

0

(LSB) = 1/2

N - i

FS = 1 V,

U

X

≥≥≥≥

(U

+ U

U

1

+ U

0

)= 13

U

0

1

U

X

?

? = 11

0

1

K. ParkikH: A/D and D/A converters trade off performance 

and resolution. TI (http://www.electronicproducts.com/Analog_Mixed_Signal_ICs/

A_D_and_D_A_converters_trade_off_performance_and_resolution.aspx)

Metoda podwójnego całkowania 

(Dual—Slope  Integrating)

Figure 2: Dual Slope Integrating ADC 

W. Kester, J. Bryant:   ADC Architectures VIII: 

Integrating ADCs. (MT-027 TUTORIAL) Analog Devices, Rev.A, 10/08, fig. 2

Metoda podwójnego całkowania 

(Dual—Slope  Integrating)

Tłumienie zakłóceń

Figure 3: Frequency Response of Integrating ADC 

excellent 

rejection of 

50-Hz & 60-Hz 

W. Kester, J. Bryant:  ADC Architectures VIII: 

Integrating ADCs. (MT-027 TUTORIAL) Analog Devices, Rev.A, 10/08, fig. 3

Metoda Sigma-Delta 

(

ΣΣΣΣ

∆∆∆∆

)

Quantization Using Delta Modulation

V

IN

1-BIT

A/D

1-BIT

D/A

CLOCK

+

K(Z)

DIGITAL

LOW-PASS FILTER/

DECIMATOR

DATA OUTPUT

K. ParkikH: A/D and D/A converters trade off performance 

and resolution. TI (http://www.electronicproducts.com/Analog_Mixed_Signal_ICs/

A_D_and_D_A_converters_trade_off_performance_and_resolution.aspx)

Rys. 5. Metoda sigma-delta oferuje

rozdzielczo

ść

 od 16 do 24 bitów, 

najbardziej precyzyjne przetwarzanie w

ś

ród ró

ż

nych architektur,

wolniejsz

ą

 prac

ę

 z nisk

ą

 cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

 próbkowania (np. 48 kpróbek / s.

Tryby pracy 

przetworników

(Analog Devices)

Figure 57. ADC in Single-Ended Mode 

Figure 56. ADC in Pseudo 

Differential Mode 

Figure 55. ADC Conversion Phase

(Differential Mode)

Precision Analog Microcontroller, 12-Bit Analog I/O, ARM7TDMI 

MCU . ADuC7019/20/21/22/24/25/26/27/28/29. Data Sheet Rev. F. Analog Devices.

Sprzeczności  konstrukcyjne

precyzyjna analogowa struktura

przetwornika A/C pracuj

ą

ca z napi

ę

ciami 

na bardzo małym poziomie, np.:

napi

ę

cie

warto

ść

 1 LSB dla rozdzielczo

ś

ci

wzorcowe 

V

REF

[V]

8 bitów

10 bitów

12 bitów

14 bitów

16 bitów

24 bity

[mV]

[mV]

[

µµµµ

V]

[

µ

V]

[

µ

V]

[nV]

5,0 

19,6

4,89

1221

306

76,3

298

3,3

12,9

3,23

806

201

50,4

197

2,5

9,77

2,44

610

152

38,1

149

1,8

7,03

1,76

439

110

27,5

107

1,5

5,86

1,47

366

91,6

22,9

89,4

1,2

4,69

1,17

293

73,2

18,3

71,5

0,8

3,12

0,781

195

48,8

12,2

47,7

szybko działaj

ą

ca struktura cyfrowa

z napi

ę

ciami o poziomie kilka 

rz

ę

dów wy

ż

szymi od cz

ęś

ci analogowej, V

CC 

= 0,8 .. 5,5 V

background image

4

Błąd przesunięcia 

(Offset Error)

Błąd nachylenia 

(Gain Error)

Kester W.: The Importance of Data Converter Static 

Specifications Don't Lose Sight of the Basics ! 

(MT-010 TUTORIAL) Analog Devices, Rev.A, 10/08

Figure 4: Bipolar Data Converter Offset and Gain Error 

Błąd liniowości

(Linearity Errors)

[1#2]

Understanding Data Converters. Application Report. 

SLAA013. TI, 1995

Figure 5. Differential Nonlinearity (DNL)

ą

d nieliniowo

ś

ci ró

ż

niczkowej 

(Differential NonLinearity Error) – 

ż

nica 

pomi

ę

dzy rzeczywist

ą

 szeroko

ś

ci

ą

 kroku 

przetwarzania  oraz idealn

ą

 warto

ś

ci

ą

 1 LSB 

DNL = 0, szeroko

ść

 kroku przetwarzania 

równa 1 LSB

DNL przekracza 1 LSB – mo

ż

liwo

ść

 

niemonotonicznej pracy przetwornika

Błąd liniowości

(Linearity Errors)

[2#2]

Understanding Data Converters. Application Report. 

SLAA013. TI, 1995

Figure 6. Integral Nonlinearity (INL) Error

ą

d nieliniowo

ś

ci całkowej 

(Integral

NonLinearity  Error) – odchylenie 
charakterystyki rzeczywistej od teoretycznej 
charakterystyki przetwarzania

charakterystyka rzeczywista wyznaczona  na 
podstawie wyników  kalibracji

INL wyra

ż

any  w LSB

STM32L053xx
Cortex-M0+

Table 62

. ADC characteristics.

Table 64

. ADC accuracy (range 1/2/3).

Parameter

Min

Typ

Max

Unit

Sampling rate

0,05

-

1.14

MHz

Integral Nonlinearity

-

±

1.5

±

2,5

LSB

Differential Nonlinearity

-

±

1

±

1.5

LSB

Offset Error

-

±

1

±

2.5

LSB

Gain Error

-

±

1

±

2

LSB

Total harmonic distortion

-

85

73

dB

Sampling switch resistance

1

k

Internal sample and hold capacitor

8

pF

12-Bit AD Converter: 

20 log (2

12

) = 72 dB

STM32L053xx. Ultra-low-power 32-bit MCU ARM

®

-based 

Cortex

®

-M0+, up to 64KB Flash, 8KB SRAM, 2KB EEPROM, LCD, USB, 

ADC,  DAC. STMicroelectronics, September 2014 

R

AIN

<                                      – R

ADC

T

S

f

ADC

C

ADC

ln(2

N+2

)

Napięcie wzorcowe 

(Voltage  Reference)

MODEL 

Output

Voltage

Temperature

Long-Term

Supply

voltage

accuracy

coefficient

stability

Current

[V]

[ppm/°C]

[ppm]

[

µ

A]

1)

ADR440B

2.048

±

1 mV

±

1

±

50

3mA

ADR444B

4.096

(25

°

)

2)

MAX6138

2.048 / 4.096

±

0.1%

±

25

±

120

45

TYP

3)

LM4132

2.048 / 4.096

±

0.05% 

±

10

±

50

60

4)

REF5020I 

2.048

±

0.05% 

±

3

800

REF5040I 

4.096

(25

°

)

1. ADR440. Ultralow Noise, LDO XFET Voltage References with Current Sink and Source.

Analog Devices, 2008, D05428-0-3/08, Rev. C

2. MAX6138. Shunt Voltage Reference with Multiple Reverse Breakdown Voltages.

Maxim, 2004, Rev 2; 4/04

3. LM4132. SOT-23 Precision Low Dropout Voltage Reference.

National Semiconductor, DS201513, August 2006

4. REF50xx Low-Noise, Very Low Drift, Precision VOLTAGE REFERENCE

Texas Instruments SBOS410D, REVISED APRIL 2009

Układ próbkująco-pamiętający

(Sample 

&

Hold)

R

S

R

I

C

I

N-bitowy przetwornik
analogowo-cyfrowy

K

V

S

t

V

CI 

= V

S

(1 - e                      )

V

S

t

SAMPLE

1

/

2

LSB

(R

S

+ R

I

C

I

t

t

S

(

1

/

2

LSB) = (R

S

+ R

I

C

I

ln(2 

2

N

)

ln(2 

2

N

)

N

6,24

8

7,62

10

9,01

12

10,40

14

11,76

16

17,33

24

t

HOLD

+ t

CONVERSION

przykład:

N = 12 bitów
R

I

= 2 k

C

IMAX

= 40 pF

R

S

= 10 k

t

SAMPLE

≥≥≥≥

4,33 

µµµµ

s

background image

5

Wymagania  Sample 

&

Hold

programowalny

(zmienny) 

czas próbkowania

t

SAMPLE

mała rezystancja

wej

ś

ciowego MPX i kluczy układu S&H

mała pojemno

ść

wej

ś

ciowa C

I

układu S&H

mała stratno

ść

kondensatora pami

ę

taj

ą

cego C

I

krótki czas przetwarzania

ze wzgl

ę

du na upływno

ść

  kondensatora 

pami

ę

taj

ą

cego C

I

małe pr

ą

dy wej

ś

ciowe

MSP430FG4618

Some ADC  Parameters

12-bit ADC parameters (V

CC

= 2.2 – 3 V)

PARAM              TEST /CONDITIONS 

MIN NOM MAX

UNIT

t

Sampling

Sampling time / R

S

= 400

, R

I

= 1000

,

1220

ns (3V)

C

I

= 30pF, 

τ

= [R

S

+ R

I

] x C

I

1440

ns (2.2V)

Approximately ten Tau (

τ

) are needed to get an error of less than ±0.5 LSB:

t

Sample

= ln(2

n+1

(R

S

+ R

I

C

I

+ 800 ns

where n = ADC resolution = 12, R

S

= external source resistance

E

I

Integral linearity error / 1.4 V 

 Ve

REF+

 1.6 V 

±2 

LSB

1.6 V < Ve

REF+

 V

AVCC

±1.7

LSB

E

D

Differential linearity error / C

VREF+

10

µ

F (tantalum)

and 100nF (ceramic)

±1

LSB

E

O

Offset error / Internal impedance of source R

S

< 100

C

VREF+

10

µ

F (tantalum) and 100nF (ceramic)

±2 

±4 

LSB

E

G

Gain error / C

VREF+

10

µ

F (tantalum) & 100 nF (ceramic)

±1.1

±2

LSB

E

T

Total unadjusted error / C

VREF+

10

µ

F (tantalum) 

and 100nF (ceramic)

±2

±5

LSB

MSP430xG461x. MIXED  SIGNAL MICROCONTROLLER

Texas Instruments, SLAS508G, REVISED OCTOBER 2007

STM32L053
Cortex-M0+  

[1#2]

Figure 27. Typical connection diagram using the ADC 

STM32L053xx. Ultra-low-power 32-bit MCU ARM

®

-based 

Cortex

®

-M0+, up to 64KB Flash, 8KB SRAM, 2KB EEPROM, LCD, USB, 

ADC,  DAC. STMicroelectronics, September 2014 

Sampling switch resistance < 1 k

Internal sample and hold capacitor < 8 pF

R

AIN

<                                      – R

ADC

T

S

f

ADC

C

ADC

ln(2

N+2

)

Noise

Figure 2. When low noise precautions 

are not taken during circuit design 
and board layout, a 12-bit ADC 
system under-performs with 
approximately 5.45-bit accuracy (or 
5.45 Effective Number of Bits)
.

Figure 3.  If low noise, active and 

passive devices are used, a ground 
plane is included, by-pass 
capacitors are added and a low-
pass (anti-aliasing) filter is placed 
in the signal path. The code width 
of 1024 samples is equal to one.

Bonnie C. Baker: Techniques that Reduce System 

Noise in ADC Circuits. Microchip Technology, Analog Design Note ADN007

ATmega8

The 

ADC

features a 

noise canceler

that enables conversion during sleep 

mode to reduce noise induced from the CPU core and other I/O 
peripherals. The noise canceler can be used with ADC Noise Reduction 
and Idle mode. To make use of this feature, the following  procedure should 
be used:

Make sure that the ADC is enabled and is not busy converting. 

Single 

Conversion mode must be selected and the ADC conversion 
complete interrupt must be enabled

.

Enter ADC Noise Reduction mode (or Idle mode). 

The ADC will start a 

conversion once the CPU has been halted

.

If no other interrupts occur before the ADC conversion completes, the 

ADC interrupt will wake up the CPU

and execute the ADC 

Conversion Complete interrupt routine.

ATmega8. 8-bit with 8K Bytes

In-System Programmable Flash. Atmel 2002, Rev. 2486H–AVR–09/02

LPC21xx: 

10-bit successive approximation

ARM7

ADC Data Register 

(ADDR – RW, undefined) 

LPC213x

ADC Global Data Register

(AD0GDR, AD1GDR) 

LPC214x

Converter0: AD0DR - 0xE003 4004 

Converter0: AD1DR - 0xE006 0004

contains the ADC’s

DONE

bit and (when DONE is 1) the 10-bit result of the 

most recent A/D conversion

ADDR / ADGDR

(ADC Data Register):

15

0

DATA

5

? ? ? ? ?

6

x x x x x x

x x x x

? ? ? ?

? ? ? ?

? ? ? ?

0

0 ? ?

16

23

24

26

31

?

DONE

while ( ~ADDR & 0x8000 0000);

// end of conversion ?

result = (ADDR & (0x3FF << 6)) >> 6;

// result calculation

UM10120. LPC2131/2/4/6/8 User manual. 

NXP, Rev. 02 - 25 July 2006

background image

6

LPC1114: 

10-bit successive approximation

Cortex-M0

AD0GDR / AD0DRn

(ADC Data Register):

15

0

DATA

5

? ? ? ? ?

6

x x x x x x

x x x x

? ? ? ?

? ? ? ?

? ? ? ?

0

0 ? ?

16

23

24

26

31

?

DONE

while ( ~ADGDR & 0x8000 0000);

// end of conversion ?

result = (ADGDR & (0x3FF << 6)) >> 6;

// result calculation

UM10398. LPC111x/LPC11Cxx User manual. 

NXP, Rev. 12.3 — 10 June 2014

ADC Global Data Register

(AD0GDR)

A/D Channel 0 Data Register (AD0DR0) ...

...  A/D Channel 7 Data Register (AD0DR7)

contains the ADC’s

DONE

bit and (when DONE is 1) the 10-bit result of the 

most recent A/D conversion

ATmega8
PCB

Analog Noise Canceling Techniques

:

Keep 

analog signal paths as short

as 

possible. Make sure analog tracks run 
over the analog ground plane, and 

keep

them

well 

away from high-speed 

switching digital tracks

.

A

VCC

pin on the device should be  

connected to the digital 

VCC supply 

voltage via an LC network

Use 

ADC noise canceler

function to reduce induced noise from the CPU

If any ADC port pins are used as 

digital outputs

, it is essential that these 

do 

not switch while a conversion is in progress

100nF

10

µ

H

A

n

a

lo

g

 G

ro

u

n

d

 P

la

n

e

ATmega8. 8-bit with 8K Bytes 

In-System Programmable Flash. Atmel 2002, Rev. 2486H–AVR–09/02

MSP430
PCB

MSP430xG461x. MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER

Texas Instruments, SLAS508G, REVISED OCTOBER 2007

Digital Power

Supply Decoupling

Analog Power

Supply Decoupling

Using an External

Positive Reference

Using the Internal

Reference Generator

Using an External

Negative Reference

STM32L053
Cortex-M0+  

[2#2]

STM32L053xx. Ultra-low-power 32-bit MCU ARM

®

-based 

Cortex

®

-M0+, up to 64KB Flash, 8KB SRAM, 2KB EEPROM, LCD, USB, 

ADC,  DAC. STMicroelectronics, September 2014 

Figure 29. Power supply and 

reference decoupling 
(V

REF+

connected

to V

DDA

Figure 28. Power supply and 

reference decoupling 
(V

REF+ 

not connected 

to V

DDA

Multi—Slope  ADCs  

[1#3]

R

1

C

V

CC

t

V

C

V

CC

Phase 1

t

1

= –R

2

ln         = N 

t

CLK

V

C

R

2

K

2

K

1

Charge 

C

K1 - ON
K2 - OFF

V

REF

Phase 2

Discharge

C

K1 - OFF
K2 - ON

t

1

V

REF

V

CC

N = –R

2

∗∗∗∗

∗∗∗∗

f

CLK

∗∗∗∗

ln

V

REF

V

CC

MSP430x4xx Family. User’s Guide. Mixed Signal Products. 

Texas Instruments SLAU056C, 2003

Multi—Slope  ADCs  

[2#3]

R

1

C

V

CC

t

V

C

V

CC

Phase 1

V

C

R

2

K

2

K

1

Charge 

C

K1 - ON
K2 - OFF
K4 - OFF

V

REF

Phase 2

Discharge

C

K1 - OFF
K2 - ON
K4 - OFF

t

1

–R

4

f

CLK

ln

V

REF

V

CC

R

4

K

4

Phase 3

Charge 

C

K1 - ON
K2 - OFF
K4 - OFF

Phase 4

Discharge

C

K1 - OFF
K2 - OFF
K4 - ON

t

4

–R

2

f

CLK

ln

V

REF

V

CC

N

4

N

2

=

N

4

N

2

R

= R

2

background image

7

Multi—Slope  ADCs  

[3#3]

To get a resolution of N bits, the capacitor C must have a minimum capacity:

–2

N

R

XMIN

∗∗∗∗

f

CLK

∗∗∗∗

ln

C >

V

REFMAX

V

CC

f

CLK

measurement frequency in Hertz

R

XMIN

lowest resistance of sensor or reference resistor in Ohms

V

REFMAX

maximum value for threshold voltage V

REF

in Volts

MSP430
GPIO 

&

Comparator

Temperature Measurement System

MSP430x4xx Family. User’s Guide. Mixed Signal Products. 

Texas Instruments SLAU056C, 2003

Figure 1: 1-Bit DAC: 

Changeover 
Switch (Single-
Pole, Double 
Throw, SPDT) 

Simplest  DAC  Architectures

Kester W.: Basic DAC Architectures I: String DACs and 

Thermometer (Fully Decoded) DACs. Analog Devices, 2008, MT-014 TUTORIAL, Rev.A, 10/08

R-2R Network DAC
Architectures

Figure 5: Voltage-Mode R-2R Ladder Network DAC 

Kester W.: Basic DAC Architectures I: String DACs and 

Thermometer (Fully Decoded) DACs. Analog Devices, 2008, MT-014 TUTORIAL, Rev.A, 10/08

12-bit DA Converters

C8051F00x

D

11

D

10

D

9

D

8

D

7

D

6

D

5

D

4

D

3

D

2

D

1

D

0

-

-

-

-

D

11

D

10

D

9

D

8

D

7

D

6

D

5

D

4

D

3

D

2

D

1

D

0

-

-

-

-

1xx

010

D

11

D

10

D

9

D

8

D

7

D

6

D

5

D

4

D

3

D

2

D

1

D

0

-

-

-

-

000

DAC0L (0D2h)
DAC1L (0D5h)

DAC0H (0D3h)
DAC1H (0D6h)

DACx

DACx

V

DD

DACxEN

.....

.....

V

REF

Data is latched into DAC0 after a write to the corresponding DAC0H 
register, so the write sequence should be DAC0L followed  by DAC0H if the 
full 12-bit resolution is required.

C8051F00x/1/2/5/6/7. Mixed-Signal 32KB ISP

FLASH MCU Family. Silicon Laboratories, 2003, Rev. 1.7 11/03

STM32F05xxx 

(Cortex-M0)

Digital-to-analog converter

RM0091. Reference manual. STM32F05xxx advanced 

ARM-based 32-bit MCUs. STMicroelectronics, August 2012

voltage output 12-bit digital-to-analog converter

configured in 8- or 12-bit mode and may be used in conjunction with the DMA 
controller

In 12-bit mode, the data could be left- or right-aligned, three possibilities:

– 8-bit right alignment: data into the DAC_DHR8Rx[7:0] bits

– 12-bit left alignment: data into the DAC_DHR12Lx[15:4] bits

– 12-bit right alignment: data into the DAC_DHR12Rx[11:0] bits

Available input 
reference voltage, V

DDA

External triggers 
for conversion

ADC output optionally buffered for higher current drive

background image

8

STM32F05xxx 

(Cortex-M0)

Digital-to-analog converter

Buffered output

RM0091. Reference manual. STM32F05xxx advanced 

ARM-based 32-bit MCUs. STMicroelectronics, August 2012

AN4058. Audio and waveform 

generation using the DAC in 

STM32F0xx microcontroller 

families. Application note. 

STMicroelectronics, 2 may 2012

przetwornik DAC posiada wewn

ę

trzny wzmacniacz operacyjny, który mo

ż

na 

ą

cza

ć

 i wył

ą

cza

ć

 w zale

ż

no

ś

ci  od aplikacji u

ż

ytkownika (brak zewn

ę

trznego 

wzmacniacza wyj

ś

ciowego)

przykład sygnału sinusoidalnego

: 10 próbek dla pojedynczego okresu 

sygnału (0 .. 2

∗Π

)

STM32F05xxx 

(Cortex-M0)

Digital-to-analog converter 

[1#4]

STM32F051x4/6/8. Low- and medium-density advanced 

ARM™-based 32-bit MCU with 16 to 64 Kbytes Flash, timers, 

ADC, DAC and comm. Interfaces. Data sheet. 

STMicroelectronics, 23 July 2012

Table 57. DAC characteristics

Symbol Parameter

Min Typ Max Unit Comments

R

LOAD

(1)

Resistive load with 

-

-

k

 

Load is referred to ground 

buffer ON

R

O

(1)

Impedance output with 

-

-

15  k

 

When the buffer is OFF, 

buffer OFF 

the Minimum resistive
load between DAC_OUT
and VSS to have a 1%
accuracy is 1.5 M

I

DDA

DAC DC current

-

-

380

µ

A

With no load, middle code

consumption in 

(0x800) on the input 

quiescent mode 

With no load, worst code 

(Standby mode) 

-

-

480 

µ

A

(0xF1C) on the input

Table 33. Peripheral current consumption
Peripheral

Typical consumption at 25 °C

Unit

I

DD

I

DDA

DAC

0.27

0.408

mA

STM32F05xxx 

(Cortex-M0)

Digital-to-analog converter 

[2#4]

STM32F051x4/6/8. Low- and medium-density advanced 

ARM™-based 32-bit MCU with 16 to 64 Kbytes Flash, timers, 

ADC, DAC and comm. Interfaces. Data sheet. 

STMicroelectronics, 23 July 2012

Table 57. DAC characteristics
Symbol Parameter

Min Typ Max Unit Comments

DNL

Differential non 

-

-

±0.5  LSB

Given for the DAC in 

linearity between 

10-bit configuration

two consecutive 

-

-

±2  LSB  Given for the DAC in 

code-1LSB 

12-bit configuration

INL

Integral non linearity
(difference between 

-

-

±1  LSB  Given for the DAC in 

measured value at 

10-bit configuration 

Code i and the value 
at Code i on a line 

-

-

±4  LSB  Given for the DAC in 

drawn between Code 0 

12-bit configuration 

and last Code 1023)

Offset

Offset error 

-

-

±10  mV

Given for the DAC in 

(difference between 

12-bit configuration

measured value at 

-

-

±3  LSB  Given for the DAC in 

Code (0x800) and the 

10-bit at V

DDA

= 3.6 V

ideal value = V

DDA

/2) 

-

-

±12  LSB  Given for the DAC in 

12-bit at V

DDA

= 3.6 V

STM32F05xxx 

(Cortex-M0)

Digital-to-analog converter 

[3#4]

STM32F051x4/6/8. Low- and medium-density advanced 

ARM™-based 32-bit MCU with 16 to 64 Kbytes Flash, timers, 

ADC, DAC and comm. Interfaces. Data sheet. 

STMicroelectronics, 23 July 2012

Table 57. DAC characteristics
Symbol Parameter

Min Typ Max Unit Comments

Gain

Gain error

-

-

±0.5  %

Given for the DAC in 
12bit configuration

t

SETTLING

Settling time 
(full scale: for a 10-bit 
input code transition 

-

µ

C

LOAD

 50 pF, 

between the lowest 

R

LOAD

 5 k

 

and the highest input 
codes when DAC_OUT 
reaches final value 
±1LSB

Update  Max frequency for 
rate

(2)

a correct DAC_OUT 

-

-

MS/s C

LOAD

 50 pF, 

change when small 

R

LOAD

 5 k

 

variation in the input
code (from code i to 
i+1LSB)

STM32F05xxx 

(Cortex-M0)

Digital-to-analog converter 

[4#4]

STM32F051x4/6/8. Low- and medium-density advanced 

ARM™-based 32-bit MCU with 16 to 64 Kbytes Flash, timers, 

ADC, DAC and comm. Interfaces. Data sheet. 

STMicroelectronics, 23 July 2012

Table 57. DAC characteristics
Symbol Parameter

Min Typ Max Unit Comments

t

WAKEUP

(2)

Wakeup time from off

-

6.5  10 

µ

C

LOAD

 50 pF, 

state (Setting the ENx 

R

LOAD

 5 k

 

bit in the DAC Control 

input code between lowest
highest possible ones.

(1)

Guaranteed by design, not tested in production.

(2)

Data based on characterization results, not tested in production

PWM  

[1#2]

V

C

t

τ

T

0,

t < T -

τ

V

C

,

T -

τ ≤

t < T

U(t) = 

U(t)

{

Warto

ść

 

ś

rednia:   U

sr

T

1

U(t) dt = V

C

0

T

T

τ

background image

9

PWM  

[2#2]

B = 0

B = 1

B = 2

B = 3

B = 4

B = 5

B = 6

B = 7

A0 A1 A2

C0 C1 C2

Licznik

B0

B1

B2

A < B

R

e

je

s

tr

 P

W

M

komparator

C = 0

A = 0

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

Licznik

Komparator

DPM - Distributed Pulse Modulation

np. P82C150 SLIO (Philips)

C = 0

A = 0

1

4

2

2

3

6

4

1

5

5

6

3

7

7

B = 0

B = 1

B = 2

B = 3

B = 4

B = 5

B = 6

B = 7

A0 A1 A2

C0 C1 C2

Licznik

B0

B1

B2

A < B

R

e

je

s

tr

 P

W

M

komparator

Licznik

Komparator

Źródło  prądowe

zmienne obci

ąż

enie R

VAR

i rezystor wzorcowy R

REF

warto

ść

 pr

ą

du obci

ąż

enia I

L

:

programowa modulacja szeroko

ś

ci impulsów aby V

AC

= V

COMPREF

I

L

=

V

CC

R

REF

R

2

R

1

+ R

2

we A/C

wy PWM

V

CC

AV

REF

AV

SS

V

SS

COMPREF

+

R

REF

R

VAR

R

2

R

1

Problemy i pytania

1. Jakie cechy charakteryzuj

ą

 przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C) ?

2. Jak definiowana jest warto

ść

 1 LSB ?

3. Jak opisa

ć

 zasad

ę

 ‘sukcesywnej aproksymacji’ dla przetworników A/C ?

4. Na czym polega metoda ‘podwójnego całkowania’ przetworników A/C ?

5. W jakich sytuacjach metoda ‘podwójnego całkowania’ nie zdaje egzaminu ?

6. Jakie typy bł

ę

dów charakteryzuj

ą

 przetworniki A/C ?

7. Jakie s

ą

 spotykane formy zapisu 12-bitowych wyników przetwarzania ?

8. Jakie zasady obowi

ą

zuj

ą

 przy projektowaniu płytek drukowanych dla 

mikrokontrolerów z przetwornikami A/C ?

9. Jak redukowa

ć

 zakłócenia pogarszaj

ą

ce dokładno

ść

 przetwarzania 

przetworników A/C ?

10. Na czym polega metoda wielokrotnego całkowania ?

11. Jakie parametry charakteryzuj

ą

 działanie przetworników C/A ?

12. W jaki sposób mo

ż

na generowa

ć

 sygnały analogowe w mikrokontrolerach ?

13. Jakie jest zastosowanie metody PWM w 

ź

ródłach pr

ą

dowych ?