《勘察仪器与原理第三章第六节ok》由会员分享，可在线阅读，更多相关《勘察仪器与原理第三章第六节ok（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、勘 查 仪 器 原 理,教师： 王旭,Email：hfli,第三章 测量系统基本部件,第六节 A/D转换器的应用问题,上一节我们学习了ADC的工作原理,介绍了两种ADC电路,这一节学习ADC应用问题,主要有两个内容:,ADC接口问题,ADC选择原则,3.6.1ADC选择原则 一、集成A/D转换器 目前使用的一般都是集成A/D转换器，其种类很多，如AD571、AD574、AD7135、5G14433，ADC0809、ADS1210/1211等。下面以ADC0809、 ADS1210/1211为例，简单介绍其结构。 ADC0809是CMOS单片8通道A/D转换器，采用双列直插式28引脚封装。它主要
2、由逐次逼近式A/D转换器、8位模拟开关、三态输出数据锁存器、以及地址锁存与译码等组成。,ADC 0809的主要特征是： 可直接与微机系统相连，不需要另加接口逻辑，也可以单独使用；具有锁存控制的8路模拟开关，可以输入8个模拟信号；分辨率为8位；输入输出引脚与TTL电路兼容；转换时间100S。当输入模拟电压范围在05V时，可使用+5V电源。,ADC0809引脚图,ADC 0809,ADC0809的引脚功能:,IN0IN7：为8路模拟电压输入端。它可对8路模拟信号进行转换。但某一时刻只能选择一路进行转换。“选择”由地址锁存器和译码器控制。 D0D7：8位数字量输出端。 A、B、C：模拟输入通道的地址
3、选择线。 ALE：地址锁存允许信号，高电平有效。 START：为启动转换输入端。其上升沿使内部寄存器清零。START和ALE两端可连在一起，当通过程序送入一个正脉冲，便立即开始A/D转换。,EOC：转换结束输出端。 OE：输出允许端。当这个引脚输入高电平时，打开“三态输出锁存器”，将转换结果经D0D7数据线送至系统数据线或I/O接口数据线。 UREF(+)、UREF(-)：分别为参考电压的正端和负端。无特别要求时，一般UREF(+)可与芯片电源VCC共用一种电源，即与VCC 相连，而UREF(-)与芯片接地端相连。 CLK ：A/D转换时钟脉冲输入端，时钟脉冲由外部电路提供，典型时钟频率为64
4、0Hz。 VCC、GND：分别为芯片电源和接地端。,高精度-型ADC-ADS1210/1211： 此ADC是高精度、宽动态的-ADC。它的输入端可以直接与传感器或微小的电压信号相连。采用低噪声输入放大器，可以在转换速度为10Hz时获得24位的有效分辨率；借助于其内部独特的调制器加速操作模式，在转换速度为1kHz时仍可达到20位的有效分辨率。该转换器动态特性的大大提高主要依赖于其前级的低噪声程控放大器，其放大倍数可从1到16进行设定，以2倍步长增加。,该A/D转换器都有一个灵活的同步串行（同步串行通信的特点可以概括为：以数据块为单位传送信息。在一个数据块（信息帧）内，字符与字符间无间隔。接收时钟
5、与发送进钟严格同步。）接口，它与SPI（串行外围设备接口）兼容并且可以提供双线控制模式。该A/D转换器为单一+5V供电，有内外参考电压和内部自校准系统。ADS1210/1211主要用于工业过程控制、仪器仪表、色谱分析、灵巧传感器、便携式仪表、称重仪器、压力传感器、高分辨率测量场合。,ADS1210是单通道的A/D转换器,ADS1211多了一个通道多路开关。ADS1210的封装形式有18脚双列直插式和18线贴片式。ADS1210/1211由程控增益放大器（PGA)、二阶调制器、程控数字滤波器和微处理器组成。微处理器中有指令寄存器、命令寄存器、校准寄存器、串行接口、时钟产生电路和2.5V的内部参考
6、电压电路。ADS1210/1211的结构如下图所示。,时钟产生器,2.5V 参考电压,3.3V 偏置电压,二阶 调制器,三阶数字滤波器,微处理器,调 制 器 控 制,PGA,MUX,AVINP,AVINN,ADS1211 ONLY ADS1210/1211,串行口,为了提高系统的动态特性,ADS1210/1211采用了 一种独特的电容切换结构来提高输入电容的采样速度,从而可以使系统工作在加速模式（Turbo Mode)下。通常情况下,在系统时钟为10MHz时对应的采样速度为19.5kHz,利用它可将调制器的采样速度以2、4、8、16倍的速度增加,将采样速度提高到39kHz、78kHz、156k
7、Hz或312kHz。随着采样速度（频率）的增加,在转换速度不变的情况下,A/D转换器的有效分辨率会相应地增加。采样速度的每一次提升,在转换速度不变的情况下都会使系统的动态性能大大提高。,ADS1210/1211的程控增益放大器（PGA） 的增益设置为1、2、4、8或16。从本质上讲，它增加了系统的动态范围，简化了与传感器的接口。程控增益是通过输入电容改变采样次数来实现的。例如，采样频率为19.5kHz时PGA的增益为1；采样频率为312kHz时PGA的增益为16。由于加速模式和PGA的增益都是通过改变采样次数来实现的，所以PGA的增益和加速因子（TMR）的乘积应16。,ADS1210/1211
8、输出数据的速度可以从几Hz到高达15625kHz,速度愈高,分辨率愈低。改变ADS1210/1211的转换速度不会改变输入电容的采样速度,但会影响用于计算每次输出结果的采样数据的个数。 ADS1210/1211内部还有一个完整的自校正系统,用于校正内部偏差、增益误差及一些外部误差。内部校准操作可在需要时进行,也可以自动或连续地进行校准,但必须为ADS1210/1211提供适当的输入电压。与此相对应的校准寄存器既可读又可写,这一特性使得用户可以在多种情况下不同的转换速度、,不同的TMR以及不同的PGA增益之间进行切换而不必重新校准。 ADS1210/1211的各种参数如增益、加速因子、模式选择及
9、寄存器数据都是经过一个同步串行接口进行读写的。,二、ADC选择原则 ADC是测试系统的一个非常重要的环节,其芯片种类多,性能各异,功能引脚不尽相同,实际应用中用户应根据分辨率和转换时间两个重要参数选择适当的芯片,尤其是转换时间决定了所设计的系统是否能适应实时快速变化的数据采集要求,因此在选择ADC芯片时,一般可从下面6个方面来考虑。,1、根据模拟通道的总误差，选择ADC精度及分辨率； 2、根据信号对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，保证系统实时性； 3、根据信号特征，选择ADC的输入信号范围，是单极性或双极性，还有信号的驱动能力； 4、根据环境条件选择ADC参数，如，共模抑制能力、
10、工作温度、湿度、功耗、可靠性； 5、根据计算机接口特征，选择ADC的输出状态，如ADC是并行输出或串行输出，用二进制或BCD编码输出，与微机接口是否易联等； 6、性价比、芯片来源、是否流行等其它因素。,3.6.2 ADC接口问题 由于现代数据采集系统一般均由计算机控制,那么计算机与ADC之间的接口设计就成为数据采集系统设计的一个重要内容。 考虑到逐次逼近式ADC具有转换速度快，精度较高，价格适中的优点，下面将介绍逐次逼近式ADC-AD574A及其与CPU的接口。,一、ADC与微机接口的主要任务 1、ADC每接收一次微机发出的转换指令,就进行一次A/D转换； 2、当微机发出取数据指令时,转换所得
11、的数据从ADC的输出寄存器中取出,经数据总线存入微机存储器的指定单元。 完成这两个任务,由一定的接口电路和软件完成。,二、ADC接口形式(方式) ADC与计算机的接口方式与使用的ADC的具体特性有关，也与所选用的计算机的型号有关。其接口方式一般有以下四种： 1、与CPU（Central Process Unit ）直接联接。（ADC输出带有数据寄存器和三态门） 2、利用三态门或简单接口电路相联。 （ADC输出不带有数据寄存器和三态门） 3、利用I / O接口器件与CPU相联。 （此法应用较广） 4、通过DMA（Direct Memory Access存储器直接访问 ）与CPU相联。（其功能是设
12、备绕过处理器，直接由内存读取资料）,三、ADC接口设计实例 以AD公司生产的12位逐次逼近式ADC-AD574A为例介绍ADC的接口设计方法。 AD574A是AD公司生产的12位逐次逼近A/D转换芯片。AD574系列包括AD574、AD674和AD1674等型号的芯片。AD574的转换时间为1535 s。片内有数据输出锁存器，并有三态输出的控制逻辑，其运行方式灵活，可进行12位转换，也可作8位转换；转换结果可直接以12位输出，也可先输出,高8位，后输出低4位。可直接与8位或16位的CPU连接。输入可设置成单极性，也可设置成双极性。片内有时钟电路,无需加外部时钟。AD574A适用于对精度和速度要
13、求较高的数据采集系统和实时控制系统。,1、AD574A的结构特点及引脚功能 此种ADC内部具有三态输出缓冲器(具有高电平、低电平和高阻抗三种输出状态的门电路。此电路在I / O电路中必不可少),且转换速度快,内部含有与计算机连接的逻辑控制电路,是目前国内应用最多的模数转换芯片之一,其内部结构图如下:,AD574A的内部结构：,12/8 CS A0 R/C CE D11 D0,20VIN,10VIN,AGND,BIPOFF,REFIN,REFOUT,STS,VCC,VEE,VL,DGND,性能： 分辨率：12 位 非线性误差：1/2LBS或1LBS 转换速率：25s 35 s 模拟电压输入范围：
14、0+10V和0+20V， 05V和010V两档四种 电源电压：15V， 12V，+5V 数据输出格式：12位/8位 低功耗：390mW,AD574引脚配置,AD574,1,28,2,27,3,26,4,25,5,24,6,23,8,21,9,20,10,19,11,18,12,17,13,14,+5 V,A,0,CE,V,CC,REF,OUT,AGND,REF,IN,V,EE,BIP OFFSET,10V,IN,20V,IN,STS,DB,11,DB,10,DGND,7,22,16,15,DB,9,DB,8,DB,7,DB,6,DB,5,DB,4,DB,3,DB,2,DB,0,DB,1,引脚功
15、能,AD574A的引脚: AD574A采用双列直插式28引脚封装。上图给出了AD574的引脚图，各主要引脚的含义如下： DB11DB0：输出数据线。DB11为最高有效位，DB0为最低有效位。 CS：片选信号，输入低电平有效。 CE：片使能（启动或读数据）信号，输入，高电平有效。 R/C：数据读出/启动A/D转换信号引脚，输入。当该引脚为高电平时，允许读A/D转换器输出的转换结果；当该引脚输入低电平时，启动A/D转换。,A0和12/8：二者配合用于控制转换数据长度是12位或8位，以及数据输出的格式(是12位一次输出还是先输出高8位，后输出低4位)。A0=0，表示启动一次12位转换；A0=1，表示
16、启动一次8位转换。12/ 8 = 1，表示12位数据并行输出。 STS：转换状态输出端。该引脚在转换过程中呈现高电平，转换一结束立即返回到低电平。用户可通过查询该引脚的状态了解转换是否结束。,10VIN ： 模拟信号输入端，允许输入的电压范围为0+10 V(单极性输入时)或-5+5V(双极性输入时)。 20VIN：模拟信号输入端，允许输入的电压范围为0+20 V(单极性输入时)或10+10 V(双极性输入时)。,BIP OFF ：偏置电压输入，用于调零。 REF OUT ：内部基准电压输出端。 REF IN ：基准电压输入端。该信号与REF OUT配合，用于满刻度校准。,2、AD574A控制信号功能及应用特性
