56 AD转换器  561 AD转换器的工作原理 逐次逼近式AD转换器

56 AD转换器  561 AD转换器的工作原理 逐次逼近式AD转换器 5.6 A/D转换器 5.6.1 A/D转换器的工作原理 逐次逼近式A/D转换器的原理如图5-49所示。它由逐次逼近寄存器、D/A转换器、比较器和缓冲寄存器等组成。当启动信号由高电平变为低电平时，逐次逼近寄存器清0，这时，D/A转换器输出电压Uo也为0。当启动信号变为高电平时，转换开始，同时，逐次逼近寄存器进行计数。 图5-49 逐次逼近式A/D转换器的原理图 逐次逼近式寄存器工作时与普通计数器不同，它不是从低位往高位逐一进行计数和进位，而是从最高位开始，通过设置试探值来进行计数的。具体讲，在第一个时钟脉冲到来时，控制电路把最高位送到逐次逼近寄存器，使它的输出为10000000，这个输出数字一出现，D/A转换器的输出电压Uo就成为满量程值的128/255。这时，若Uo>Ui，则作为比较器的运算放大器的输出就成为低电平，控制电路据此清除逐次逼近寄存器中的最高位;若Uo? Ui，则比较器输出高电平，控制电路使最高位的1保留下来。 若最高位被保留下来，则逐次逼近寄存器的为10000000，下一个时钟脉冲使次低位D6为1。于是，逐次逼近寄存器的值为11000000，D/A转换器的输出电压Uo到达满量程值的192/255。此后，若Uo>Ui，则比较器输出为低电平，从而使次高位复位;若Uo< Ui，则比较器输出为高电平，从而保留次高位为1„„。重复上述过程，经过N次比较以后，逐次逼近式寄存器中得到的值就是转换后的数值。 5.6.2 A/D转换器的主要技术参数 A/D转换器的种类很多，按转换二进制的位数来分类，包括:8位的ADC0801、0804、0808、0809;10位的AD7570、AD573、AD575、AD579;12位的AD574、AD578、AD7582;16 位的AD7701、AD7705等。A/D转换器的主要技术参数如下: 1.分辨率 分辨率通常用转换后数字量的位数示,如8位、10位、12位、16位等。分辨率为8位表示它可以对满量程的1/28,1/256的增量作出反应。分辨率是指能使转换后数字量变化为1的最小模拟输入量。 2.量程 量程是指所能转换的电压范围,如5V、10V等。 转换精度 3. 转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度和相对精度两种表示法。 4.转换时间 转换时间是指从启动A/D到转换结束所需的时间。 5.工作温度范围 较好的A/D转换器的工作温度为-40~85?，较差的为0~70?。 5.6.3 8位A/D转换器ADC0809 1.电路组成及转换原理 ADC0809是一种带有8位转换器、8位多路转换开关以及与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。8位A/D转换器的转换方法为逐次逼近法。在A/D转换器的内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256R分压器，以及一个逐次逼近的寄存器。八路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号，其原理框图如图5-50所示。 ADC0809无需调零和进行满量程调整，又由于多路开关的地址输入能够进行锁存和译码，而且它的三态TTL输出也可以锁存，因此易于与微处理机进行接口。 从图中可以看出，ADC0809由两大部分组成。第一部分为八通道多路模拟开关，它的基本原理与CD4051类似。它用来控制C、B、A端子和地址锁存允许端子，可使其中一个通道被选中。第二部分为一个逐次逼近型A/D转换器，它由比较器、控制逻辑、输出缓冲锁存器、逐次逼近寄存器以及开关树组和256R电阻分压器组成。后两种电路(即开关树组和256R电阻分压器)组成D/A转换器。 控制逻辑用来控制逐次逼近寄存器从高位到低位逐次取“1”，然后将此数字量送到开关树组(8位开关)，用来控制开关S7,S0与参考电平相连接。参考电平经256R电阻分压 器后，输出一个模拟电压Uo， Uo、Ui在比较器中进行比较。当Uo>Ui时，本位D,0;当Uo? Ui时，本位D,1。因此，从D7,D0比较8次即可逐次逼近寄存器中的数字量，即与模拟量Ui所对应的数字量相等。此数字量送入输出锁存器，并同时发转换结束脉冲。 图5-50 ADC0808/0809的原理框图 2. ADC0808/0809的外引脚功能 ADC0808/0809的管脚排列如图5-51所示，其主要管脚的功能如下: IN0,IN7——8个模拟量输入端。 START——启动A/D转换器，当START为高电平时，开始A/D转换。 EOC——转换结束信号。当A/D转换完毕之后，发出一个正脉冲，表示A/D转换结束。 此信号可作为A/D转换是否结束的检测信号或中断申请信号。 OE——输出允许信号。如果此信号被选中，则允许从A/D转换器的锁存器中读取数字量。 CLOCK——时钟信号。 ALE——地址锁存允许，高电平有效。当ALE为高电平时，允许C、B、A所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入A/D转换器。 ADDA、ADDB、ADDC——通道号地址选择端，C为最高位，A为最低位。当C、B、A为全零(000)时，选中IN0通道接入;为001时，选中IN1通道接入;为111时，选中IN7通道接入。 D7,D0——数字量输出端。 UREF(+)、,REF(-)——参考电压输入端，分别接+、-极性的参考电压，用来提供 D/A转换器权电阻的电平。在模拟量为单极性输入时, UREF(+),5V，,REF(-),0V;当模拟量为双极性输入时，UREF(+) =+5V，,REF(-) =-5V。 图5-51 ADC0808/0809管脚排列图 5.6.4 12位A/D转换器AD574 AD574是一个完整的12位逐次逼近式带三态缓冲器的A/D转换器，它可以直接与8位或16位微型机总线进行接口。AD574的分辨率为12位，转换时间为15,35μs。AD574有6个等级，其中AD574AJ、AD574AK和AD574AL适合在0~+70?温度范围内工作,AD574AS、AD574AT和AD574AV适合在-55,+125?温度范围内工作。 1.AD574的电路组成 AD574的原理框图如图5-52所示。AD574由模拟芯片和数字芯片两部分组成。 图5-52 AD574原理框图 2(AD574的引脚功能说明 AD574各个型号都采用28引脚双列直插式封装，引脚图如图5-53所示。 图5-53 AD574引脚图 AD574各主要管脚的功能如下: DB0,DB11——12位数据输出，分三组，均带三态输出缓冲器。 ULOGIC——逻辑电源+5V(+4.5~+5.5V)。 UCC——正电源+15V(+13.5,+16.5V)。 UEE——负电源-15V(-13.5,-16.5V)。 AGND、DGND——模拟和数字地。 STS——转换状态信号。转换开始STS,1,转换结束STS,0。 10VIN——模拟信号输入。单极性0,10V，双极性?5V。 20VIN——模拟信号输入。单极性0,20V，双极性?10V。 REFIN——参考电压输入。 REFOUT——参考电压输出。 BIPOFF——双极性偏置。 AD574的真值表如表5-3所示。单极性输入电路和双极性输入电路分别如图5-54、图 5-55所示。 表5-3 AD574真值表 图5-54 AD574单极性输入电路 图5-55 AD574双极性输入电路 5.6.5 A/D转换器与系统的连接及举例 1.输入模拟电压的连接 A/D转换器的输入模拟电压可以是单端输入也可以是双端输入。如单通道8位A/D转换器ADC0804的两个输入端为VIN(-)、VIN(+)，如果用单端输入的正向信号，则把VIN(-)接地，信号加到VIN(+)端;如果用单端输入的负向信号，则把VIN(+)接地，信号加到VIN(-)端;如果用双端输入，则模拟信号加在VIN(-)端和VIN(+)端之间。 ADC0808/0809可以从IN0,IN7接8路模拟电压输入，通常接成单端、单极性输入，这时UREF(+),5V、UREF(-),0V，也可以接成双极性输入，这时UREF(+)和UREF(-)应分别接+、-极性的参考电压。AD574是单端输入模拟电压，在10VIN和20VIN中任一端和AGND之间，可输入单极性电压或双极性电压，输入模拟电压的极性不同,其输入电路也不同(可参阅图5-54、图5-55)。 2.数据输出和系统总线的连接 A/D转换器的数据输出有两种方式。一种是A/D芯片内部带有三态输出门，其数据输出 线可以直接挂到系统数据总线上去。另一种是A/D芯片内部不带三态输出门，或虽有三态输出门，但它不受外部信号控制，而是当转换结束时自动开门，如AD570就是这种芯片。 3.A/D转换启动信号 A/D转换器是由CPU发出启动转换信号的。启动信号有电平启动和脉冲启动两种方式。如AD570、AD571、AD572等要求用电平启动信号，在整个A/D转换期间，启动电平信号不能撤消。CPU一般要通过并行接口输出端或用D触发器发出和保持有效的电平启动信号。ADC0804、ADC0808/0809和AD574都要求用脉冲启动信号。通过读/写信号或程序控制得到足够宽度的脉冲信号。 4.转换结束信号及转换数据的读取 A/D转换结束时，A/D转换芯片输出转换结束信号。转换结束信号也有两种:电平信号和脉冲信号。CPU检测到转换结束信号后,即可读取转换后的数据。CPU一般可以采用以下3种方式和A/D转换器进行联络来实现对转换数据的读取: (1)程序查询方式 (2)中断方式 (3)固定的延迟程序方式 可画出ADC0808/0809和8086CPU的连接原理图如图5-56所示。 图5-56 ADC0808/0809与8086CPU的连接原理图 由于ADC0808/0809的数据输出带三态输出门，故可直接接到CPU数据总线上。按图5-56所示接线，74LS138译码出的地址范围正好是78H~7FH。低3位地址线A2~A0分别直接接到ADC0808/0809的采样地址输入端C、B、A上，用于选通8路输入通路中的其中一路。那么 用一条输出指令即可启动某一通路开始转换(使ADC0808/0809的START端和ALE端得到一个启动正脉冲信号): CONTV1:MOVAL，00H;可以是不为00H的其他数字 OUT78H，AL;选通IN0通路并开始转换 CONTV7:MOVAL，00H; OUT7FH，AL;选通IN7通路并开始转换 „ 转换结束，ADC0808/0809从EOC端发出一个正脉冲信号，通过中断控制器8259A向CPU发出中断请求，CPU响应中断后，转去执行中断服务程序。在中断服务程序中，执行一条输入指令，即可读取转换后的数据。 -3AD574与8031的连接。 例5 图5-57为AD574与8031单片机的接口电路。 图5-57 AD574与8031的接口电路 利用该接口电路完成一次A/D转换，并把转换结果的高8位放入R2中，低8位放入R3中的 工作程序如下: MAIN:MOVR0，,7CH;选择AD574，并令A0=0 MOVX@R0，A;启动A/D转换，全12位 LOOP:NOP JBP3.2，LOOP;查询转换是否结束 MOVXA，@R0;读取高8位 MOVR2，A;存入R2中 MOVR0，,7DH;令A0=1 MOVXA，@R0;读取低4位，尾随4个0 MOVR3，A;存入R3中 -412位A,D转换器AD574与外部的连接。 例5 图5-58是AD574与外部的连接电路。 图5-58 AD574与外部的连接电路 设转换结束信号STS接8255A的PA，8255A初始化设定为A口输入。用查询法启动和 读取AD574的转换数据的接口程序如下: OUTADPORT，AL; 启动A/D按12位转换，ADPORT是AD574的一个偶地址WAIT1:INAL，PA; 读取转换结束信号，PA是8255A的A端口地址 MOVCL，03; RCRAL，CL;右移三次 JCWAIT1;如为高电平，则等待 INAL，ADPORT;读取转换后的高8位数据 MOVAH，AL;高8位数据传送到AH INAL，ADPORT+1; 读取转换后的低4位数据(后跟4个0)