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1、第2章 输入/输出接口与过程通道,2.6 A/D转换器及接口技术,2.6.1 逐次逼近式A/D转换原理2.6.2 如何选择A/D转换器件2.6.3 常用A/D转换器2.6.4 A/D转换器的接口技术,2.6 A/D转换器及接口技术,A/D转换器是把模拟电压或电流转换成数字量的集成电路器件，是模拟量输入通道中的关键器件，其性能对通道的设计和计算机控制系统性能的影响很大。 按位数来分：有4位、8位、12位、16位等 按结构来分：有单一功能A/D转换器，有多功能的A/D转换器，如AD363，其内部含有16路多路开关、数据放大器、采样保持器及12位A/D转换器。 按工作原理来分：有双积分型、逐次逼近型
2、、-调制型及电压频率变换型等。,2.6.1 逐次逼近式A/D转换原理,逐次逼近式种类多、应用广。 主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比较器、时钟及控制逻辑等组成。,2.6.1 逐次逼近式A/D转换原理,转换原理： 逐位设定 SAR 寄存器中的数字量，该数字量经过D/A转换后得到电压Uo，将Uo与待转换的输入模拟电压Ui进行比较。根据比较结果，修正SAR中的数字量，逐次逼近输入模拟量。,2.6.1 逐次逼近式A/D转换原理,比较时，先从SAR的最高位开 始，逐次确定各位的数码是“1”还是“0” 工作过程如下： 如果UiUo，该位的“1” 保留； 如果Ui Uo，最高位保留。,依次类推，给
3、定输入3.5V电压时对应的逐次比较过程如下：,UO=0.3125VD* Ui=3.5V,UO=0.3125VD* Ui=3.5V,2.6.2 如何选择A/D转换器件,1A/D转换器的位数 对于测量或测控系统，模拟信号都是先经过测量装置再经过A/D转换器转换后才进行处理的，也就是说，总的误差是由测量误差和量化误差共同构成的。因此A/D转换器的精度应与测量装置的精度相匹配。 量化误差与A/D转换器位数有关。,A/D转换器的分辨率通常用位数n来表示，如8位、12位等。 一般把8位以下的A/D转换器称为低分辨率A/D转换器，912位的称为中分辨率的A/D转换器，13位以上的称为高分辨率A/D转换器。,
4、分辨率定义为满刻度电压与2n的比值，即分辨率是A/D转换器对微小输入量变化的敏感程度。 假设A/D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则分辨率定义为：,量化单位就是分辨率。,相对分辨率定义为：,A/D转换器分辨率与位数的关系（假设满量程为10V ）,分辨率的高低取决于位数的多少，因此，一般用位数来间接表示分辨率。,2A/D转换器的转换速率 A/D转换器从启动转换到结束转换，需要一定的转换时间。转换时间的倒数就是转换速率，它是每秒钟完成的转换次数。 3采样/保持器 对于一般频率较高的模拟信号都要加采样/保持器。如果信号频率不高，A/D转换的时间短，即采用高速A/D器件时，可不使用采样/保持器。
5、采集直流或者变化非常缓慢的信号时，也可以不使用采样/保持器。,4A/D转换器量程 表示A/D转换器所能转换的输入电压范围，如-5V+5V，010V，05V等。有些A/D转换器件提供了不同量程的引脚，只有正确使用，才能保证转换精度。 5偏置极性 有些A/D器件提供了双极性偏置控制。当此引脚接地时，信号为单极性输入方式，当此引脚接基准电压时，信号为双极性输入方式。 6数据输出方式 A/D转换器件输出的逻辑电平多数为TTL电平，有并行和串行两种输出形式。,7工作温度范围 由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，故只有在一定的温度范围内才能保证额定的精度指标。 8线性度 线性度指的是实际A/D器件的
6、转移函数与理想直线的最大偏移。 9A/D转换对电源电路的要求 A/D转换器对电源的要求较高。这是因为在A/D转换电路中，电源除了完成对A/D转换芯片供电外，还需提供A/D转换的基准电压。基准电源的精度将影响A/D转换结果精度。如何选择合适的电压基准源呢？简单来说，需要电压基准源简单、基准电压稳定。,2.6.3 常用A/D转换器,1. ADC0808/0809 ADC0808/0809是采用CMOS工艺的多路8位逐次逼近型A/D转换器，芯片内包括一个8通道多路模拟开关、8位A/D转换器和一个8位数据输出锁存器。,（1）ADC0809主要技术指标。 线性误差为1LSB(最低有效位)； 转换时间为1
7、00s； 单一电源+5V供电，模拟量输入范围0+5V； 功耗15mW； 输出具有TTL三态锁存缓冲器； 无需进行零位及满量程调整； 温度范围-40+85。,图2-20 ADC0808/0809原理图,（2）ADC0809的内部结构引脚功能,ADC0809的逻辑结构框图如下图所示，其结构可分为： 多路模拟开关； 逐次逼近型A/D转换器； 输出锁存器,ADC0808/0809原理框图,三态 输出 锁存器,逐次 逼近 寄存器,8选1 模拟 多路 开关,地址 锁存器 译码器,开关数组,比 较 器,控 制 逻 辑,START,EOC,CLK,A B C ALE,OEGND,IN7 IN6 IN5 IN4
8、 IN3 IN2 IN1 IN0,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,+VREF -VREF,电阻分压器,Ui,UO,Vcc ： 芯片工作电源，+5V GND： 芯片地信号 CLK： 时钟信号, 101280KHz，决定A/D转换速率,三态 输出 锁存器,逐次 逼近 寄存器,8选1 模拟 多路 开关,地址 锁存器 译码器,开关数组,比 较 器,控 制 逻 辑,START,EOC,CLK,A B C ALE,OE Vcc GND,IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,+VREF -VREF,电阻分压器,Ui,U
9、O,+ VREF： + 参考电压，一般接 +5V VREF： 参考电压, 一般接 0V,IN0 IN7 ： 8个模拟输入端 A、B、C ： 地址选择输入端 ALE ：地址锁存允许, 其上升沿将地址C、B、A锁存,三态 输出 锁存器,逐次 逼近 寄存器,8选1 模拟 多路 开关,地址 锁存器 译码器,开关数组,比 较 器,控 制 逻 辑,START,EOC,CLK,A B C ALE,OE Vcc GND,IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,+VREF -VREF,电阻分压器,Ui,UO,A、B、C：3位地址输入，C为最
10、高位，A为最低位。通过C、B、A的不同组合选择即可选择接入的模拟量输入通道。,START ： 高电平时开始转换；即一个正脉冲完成启动A/D转换器。可与ALE端子连接在一起，当通过软件或硬件输入 一个正脉冲，便启动 A/D。,三态 输出 锁存器,逐次 逼近 寄存器,8选1 模拟 多路 开关,地址 锁存器 译码器,开关数组,比 较 器,控 制 逻 辑,START,EOC,CLK,A B C ALE,OE Vcc GND,IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,+VREF -VREF,电阻分压器,Ui,UO,EOC ：转换结束信
11、号，A/D转换期间为低电平，A/D转换完成后变为高电平，可用作判断转换是否结束。,三态 输出 锁存器,逐次 逼近 寄存器,8选1 模拟 多路 开关,地址 锁存器 译码器,开关数组,比 较 器,控 制 逻 辑,START,EOC,CLK,A B C ALE,OE Vcc GND,IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,+VREF -VREF,电阻分压器,Ui,UO,OE （OUTPUT ENABLE） : 输出允许信号, 高电平有效， 允许从三态输出锁存器读取数字信号。 D7D0：数字量输出端,（3）时序图,2. AD574
12、,AD574是美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的12位逐次逼近型A/D转换器。片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位的微机相连。,（1）AD574主要技术指标 AD574是12位逐次逼近型A/D转换器，具有可控三态输出缓冲锁存器，12位数据可以一次读出； 内部集成+10.000V电压基准源， 内部集成时钟电路，不需外部接线； 通过改变外部接线，模拟量输入电压既可以是单极性也是可以是双极性；单极性输入时，允许输入的模拟量范围为0+10V和0+20V；双极性输入时允许输入的模拟量范围为-5V+5V和-10V+10V。,（2）AD574的内部结构,图2-22
13、 AD574内部结构及管脚排列图,（3）AD574芯片引脚功能 Vcc：工作电源正端，+12 VDC +15 VDC。 VEE：工作电源负端，-12 VDC -15 VDC。 VL：逻辑电路供电输入端，+5 VDC。 DGND：数字地。各种数字电路（译码器、门电路、触发器等）及+5V电源的地。 AGND：模拟地。各模拟器件（放大器、比较器、采样保持器等）及+15V和-15V的地。 REF OUT：基准电压源输出端，+10.000 V。 REF IN：基准电压源输入端，如果REF OUT通过电阻接至REF IN，可用来调增益。,STS：转换结束信号，高电平表示正在转换，低电平表示已转换完毕。 D
14、B0-DB11：12位输出数据线，三态输出锁存，可与主机数据线直接相连。 CE：片使能信号（芯片启动），输入，高电平有效。当CE=1时，允许转换或读取结果，到底是转换还是读取结果与 有关。,：片选信号，输入，低电平有效。,必须同时有效，AD574才能工作，否则处于 禁止状态。,：数据输出方式选择信号。此引脚为高电平时，12位数据同时有效输出；当此引脚为低电平时，与引脚A0配合，把12位数据分两次输出。,：读/转换信号。,注意：如果此时,A0：转换和读字节选择信号。 此管脚有两个功能： 一是选择字节长度。在转换之前，当A0=0时，按12位进行A/D转换，转换时间为35s；当A0=1时，按8位进行
15、A/D转换，转换时间为15s，与 状态无关。二是选择输出方式。在读周期中，A0=0，高8位数据有效；A0=1，低8位数据有效。,，同时输出12位数据，,与A0状态无关。,表2-9 AD574控制信号状态表,10VIN：模拟电压信号输入端，单极性010V，双极性-5V+5V。 20VIN：模拟电压信号输入端，单极性020V，双极性-10V+10V。 BIP OFF ：双极性补偿，此脚适当连接，可实现单极性或双极性输入。BIP OFF接0V，单极性输入；BIP OFF接10V，双极性输入。,（a）单极性输入,（b）双极性输入,图2-23 AD574A模拟输入电路的外部接法,（1）零点调整 在单极性输入时，当输入模拟量Vin为0时，输出数字量为0。 当Vin=1LSB/2时，那么D应在0与001H之间。 单极性输入零点调整步骤：另Vin=1LSB/2（从10Vin脚输入时为+0.0012V），调整图2-23中的RP1，使D在0与001H之间跳动。,
