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ADC模-数转换原理与实现

news 2026/5/19 14:31:42

1.  今日摸鱼计划

今天来学习一下ADC的原理，然后把ADC给实现

ADC芯片:ADC128S102

视频：

18A_基于SPI接口的ADC芯片功能和接口时序介绍_哔哩哔哩_bilibili

18B_使用线性序列机思路分析SPI接口的ADC芯片接口时序_哔哩哔哩_bilibili

18C_基于线性序列机的SPI接口ADC控制逻辑设计_哔哩哔哩_bilibili

2. ADC指标参数

3. ADC128S102

        在 ACZ702 EDA 扩展板上使用的模数转换器为逐次逼近型的低功耗芯片ADC128S102，其具有 8 通道以及 12 位的分辨率。电源采用独立的模拟供电以及数字供电，其中模拟电源 VA输入范围为 2.7V~5.25V，数字电源 VD输入范围为 2.7V~VA。其与外部通信支持多种接口如：SPI、QSPI、MICROWIRE以及通用的 DSP 接口。转换速度在 500 kps~1 Mkps，典型情况下当 3V 供电时功耗为2.3mW，5V 供电时为 10.7mW，如下图为该 ADC 芯片的内部结构图。

芯片引脚功能如下：

ADC128S102通过 SPI接口与控制器进行通信的时序图如下图所示：

四线SPI分析:

CS

片选信号(本摸鱼怪不会加横线)

CS拉低，表示通信的开始，CS拉高表示通信结束

SCLK
CS 为高时 SCLK 默认高
一帧包含 16 个上升沿 SCLK
DIN

SCLK的上升沿，DIN上的信号要保持稳定，此时ADC芯片会对DIN上的信号采样

DOUT
当CS 为高时代表空闲状态，当为低时为传输状态

4.  线性序列机实现ADC

module adc128s102(
                input Clk,
                input Reset_n ,
                
                input Conv_Go,//使能信号
                input [2:0]Addr,
                
                output reg Conv_Done,
                output reg[11:0]Data,
                
                output reg ADC_SCLK,
                output reg ADC_CS_N,
                output reg ADC_DIN,
                input ADC_DOUT
            );

    
    
    parameter CLOCK_FREQ = 50_000_000;
    parameter SCLK_FREQ = 12_500_000;
    parameter MCNT_DIV_CNT = CLOCK_FREQ/(SCLK_FREQ * 2) - 1;

    reg[7:0]DIV_CNT;
    
    reg [5:0]LSM_CNT;

    reg [11:0]Data_r;
    
    reg [2:0]r_Addr;
    
    always@(posedge Clk)
    if(Conv_Go)    
        r_Addr <= Addr;
    else
        r_Addr <= r_Addr;
    
    reg Conv_En; //转换使能
    
    always@(posedge Clk or negedge Reset_n )
    if(!Reset_n )
        Conv_En <= 1'd0;
    else if(Conv_Go)
        Conv_En <= 1'd1;
    else if((LSM_CNT == 6'd34) && (DIV_CNT == MCNT_DIV_CNT))
        Conv_En <= 1'd0;
    else
        Conv_En <= Conv_En;
    
    always@(posedge Clk or negedge Reset_n)
    if(!Reset_n)
        DIV_CNT <= 0;
    else if(Conv_En)begin
        if(DIV_CNT == MCNT_DIV_CNT)
            DIV_CNT <= 0;
        else    
            DIV_CNT <= DIV_CNT + 1'd1;
    end
    else
        DIV_CNT <= 0;

    always@(posedge Clk or negedge Reset_n)
    if(!Reset_n)
        LSM_CNT <= 6'd0;
    else if(DIV_CNT == MCNT_DIV_CNT)begin
        if(LSM_CNT == 6'd34)
            LSM_CNT <= 6'd0;
        else
            LSM_CNT <= LSM_CNT + 1'd1; 
    end
    else
        LSM_CNT <= LSM_CNT;


    always@(posedge Clk or negedge Reset_n )
    if(!Reset_n )begin
        Data_r <= 12'd0;
        ADC_SCLK <= 1'd1;
        ADC_DIN <= 1'd1;
        ADC_CS_N <= 1'd1;
    end
    else if(DIV_CNT == MCNT_DIV_CNT)begin
        case(LSM_CNT)
            0 : begin ADC_CS_N <= 1'd1; ADC_SCLK <= 1'd1;end
            1 : begin ADC_CS_N <= 1'd0;end
            2 : begin ADC_SCLK <= 1'd0;end
            3 : begin ADC_SCLK <= 1'd1;end
            4 : begin ADC_SCLK <= 1'd0;end
            5 : begin ADC_SCLK <= 1'd1;end    
            6 : begin ADC_SCLK <= 1'd0;ADC_DIN <= r_Addr[2]; end
            7 : begin ADC_SCLK <= 1'd1;end    
            8 : begin ADC_SCLK <= 1'd0;ADC_DIN <= r_Addr[1]; end
            9 : begin ADC_SCLK <= 1'd1;end    
            10 :begin ADC_SCLK <= 1'd0;ADC_DIN <= r_Addr[0]; end
            11: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[11] <= ADC_DOUT; end
            12: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end
            13: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[10] <= ADC_DOUT; end
            14: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end    
            15: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[9] <= ADC_DOUT; end
            16: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end
            17: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[8] <= ADC_DOUT; end
            18: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end    
            19: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[7] <= ADC_DOUT; end
            20: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end
            21: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[6] <= ADC_DOUT; end
            22: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end    
            23: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[5] <= ADC_DOUT; end
            24: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end
            25: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[4] <= ADC_DOUT; end
            26: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end    
            27: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[3] <= ADC_DOUT; end
            28: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end
            29: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[2] <= ADC_DOUT; end
            30: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end    
            31: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[1] <= ADC_DOUT; end
            32: begin ADC_SCLK <= 1'd0;end
            33: begin ADC_SCLK <= 1'd1;Data_r[0] <= ADC_DOUT; end
            34: begin ADC_SCLK <= 1'd1;ADC_CS_N <= 1'd1; end
            default: ADC_CS_N <= 1'd1; 
        endcase
    end

    always@(posedge Clk or negedge Reset_n )
    if(!Reset_n )begin
        Data <= 12'd0;
        Conv_Done <= 0;
    end
    else if((LSM_CNT == 34) && (DIV_CNT == MCNT_DIV_CNT))begin
        Conv_Done <= 1'd1;
        Data <= Data_r;
    end
    else begin
        Conv_Done <= 1'd0;
        Data <= Data;
    end

endmodule

5.  adc128s102_tb

`timescale 1ns/1ns

module adc128s102_tb;

    reg clk;
    reg reset_n;
    
    reg Conv_Go;
    reg [2:0]Addr;
    
    wire Conv_Done;
    wire[11:0]Data;
    
    wire ADC_SCLK;
    wire ADC_CS_N;
    wire ADC_DIN;
    reg ADC_DOUT;

    adc128s102 adc128s102(
        .Clk(clk),
        .Reset_n(reset_n),
        .Conv_Go(Conv_Go),
        .Addr(Addr),

        .Conv_Done(Conv_Done),
        .Data(Data),
        .ADC_SCLK(ADC_SCLK),
        .ADC_CS_N(ADC_CS_N),
        .ADC_DIN(ADC_DIN),
        .ADC_DOUT(ADC_DOUT)
    );
    
    initial clk = 1;
    always #10 clk = ~clk;
    
    initial begin
        reset_n = 0;
        Conv_Go = 0;
        Addr = 0;
        #201;
        reset_n = 1;
        #200;
        Conv_Go = 1;
        Addr = 3;
        #20;
        Conv_Go  = 0;
        wait(!ADC_CS_N);
        //16'h0A58
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB15 
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB14 
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB13        
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB12        
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 1; //DB11          
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB10         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 1; //DB9         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB8         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB7         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 1; //DB6         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB5         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 1; //DB4        
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 1; //DB3         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB2        
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB1         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0; //DB0      
        wait(ADC_CS_N);
        #2000;   
             
        Conv_Go = 1;
        Addr = 7;
        #20;
        Conv_Go  = 0;        
        wait(!ADC_CS_N);
        //16'h0893
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;        
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;        
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 1;          
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 1;         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 1;         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 0;         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 1;         
        @(negedge ADC_SCLK);
        ADC_DOUT = 1;       
        wait(ADC_CS_N);
        #200;    
        #2000;
        $stop;
    end
endmodule

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编程新知 2026/5/19 9:56:33

为什么选择Hydrogen：对比传统电商平台的5大优势 [特殊字符]

为什么选择Hydrogen&#xff1a;对比传统电商平台的5大优势 &#x1f680; 【免费下载链接】hydrogen Hydrogen lets you build faster headless storefronts in less time, on Shopify. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/hyd/hydrogen 在当今快速发展的电商领…...

编程新知 2026/5/19 9:35:52

从原理到实战：晶体管开关电路设计与常见问题解析

1. 项目概述&#xff1a;为什么我们需要晶体管开关&#xff1f;如果你玩过Arduino或者树莓派&#xff0c;肯定遇到过这样的尴尬&#xff1a;想用单片机的一个GPIO引脚直接点亮一个12V的汽车大灯&#xff0c;或者驱动一个小马达&#xff0c;结果要么灯不亮&#xff0c;要么马达纹…...

编程新知 2026/5/19 8:34:58

别再只会用menuconfig了！手把手教你为ESP32项目定制专属Kconfig配置菜单

从配置使用者到设计者&#xff1a;ESP32项目中的Kconfig高级定制指南 在ESP-IDF开发环境中&#xff0c;menuconfig几乎是每个开发者每天都要接触的工具。但大多数开发者仅仅停留在"使用者"层面——他们知道如何勾选选项、调整参数&#xff0c;却很少思考这些配置菜单…...

编程新知 2026/5/19 8:07:57