常见ADC转换器及应用.ppt

1、第8章 A/D扩展,学习指南 一个实际的单片机应用系统，要控制和监视被控对象就不可避免的要和被测对象进行信息交换。信息的格式主要有两种：模拟量和数字量。由于单片机只能处理数字量，所以必须首先将模拟量经过A/D转换变成数字量，才能处理。单片机应用系统如何扩展A/D实现这一功能，这就是本章所讨论的主要问题。,一个实际的单片机应用系统，一般都采用单片机来控制和监视被控对象，不可避免的要和被测对象进行信息交换。信息的格式主要有两种：即模拟量和数字量。由于单片机只能处理数字量，所以必须首先将模拟量经过一定电路转换成数字量，单片机才能处理，这种电路被称为A/D转换电路。 A/D转换的常用方法有：积分式A/

2、D转换、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及V-F型。,8.1 A/D的原理、分类、及特性,8.1.1 积分式A/D 积分式A/D转换的工作原理是将对输入电压的测量转换成对基准源积分时间的测量,再测量时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。其原理类似于中国古代沙漏计时的原理，先在沙漏里放一定重量的沙，让其按一定速度流走，计算流出沙的重量，就可以估计时间。这种方法的主要优点是用简单电路就能获得高分辨率，所以成本低、精度高，抗干扰能力强；主要缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。,8.1.2 逐次比较型A/D 逐次比较型A/

3、D由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，顺序的增加内部D/A的输入值，并将其输出电压与A/D测量输入电压比较，当二者相等时，内部D/A的输入值就是A/D转换的结果。其原理类似于天平称重，不断增加砝码，当天平平衡时，砝码的重量就是被测物体的重量。这种方法的优点是速度较高、功耗低；缺点是抗干扰能力差。,8.1.3 并行比较型/串并行比较型A/D 并行比较型A/D采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称Flash（快速）型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频A/D转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型A/D结构上介于并行型和逐

4、次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型A/D转换器配合D/A转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Halfflash（半快速）型。还有分成三步或多步实现A/D转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型A/D，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型A/D，现代的分级型A/D中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类A/D速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。,8.1.4 -调制型A/D -型A/D由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值

5、。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率，主要用于音频和测量。 8.1.5 电容阵列逐次比较型A/D 电容阵列逐次比较型A/D在内置D/A转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列D/A转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片A/D转换器。最近的逐次比较型A/D转换器大多为电容阵列式的。 8.1.6 V-F型A/D V-F型（Voltage-FrequencyConverter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字

6、量。从理论上讲这种A/D的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成A/D转换。,8.2 并行A/D的扩展 并行A/D的扩展是本章最重要的内容，并行A/D的扩展涉及单片机应用系统三总线结构的扩展，其实质是将A/D作为输入外设进行扩展。特别是ADC0809的扩展，常作为本章的重点考试内容，理解和掌握它，也就理解和掌握A/D扩展的实质。 单片机并行A/D扩展须注意的问题主要有：地址的确定、结果输入方式的确定。 单片机并行A/D扩展地址的确定，将再在具体的芯片扩展中给出，主要方法和I/O口扩展一

7、章所述相同。,单片机并行A/D扩展的方式主要有三种： l 延迟法：单片机启动A/D后，延时，再读到正确的A/D 转换结果，这种方法连线和编程简单，但不适合高速采集。 l 查询法：转换完成的信号EOC必须接到AT89C51 的一条I/O 线上。单片机启动A/D后，不断 检测EOC，若EOC=0则A/D转换没有结束，继续检测EOC 直到EOC=1。当EOC=1 时，A/D 转换已经结束，单片机读取A/D 转换结果，这种方法要占用CPU，但程序简单。 l 中断法：转换完成信号EOC 必须经过非门接到AT89C51的中断请求输入线INT0或INT1上，AT89C51的中断触发方式为下降沿触发。单片机启

8、动A/D 转换后可以做其他工作，当A/D 转换结束时，EOC 由0-1，经过非门传到INT 端，AT89C51 收到中断请求信号，进入中断服务程序，在中断服务程序中单片机读取A/D 转换的结果。,8.2.1 八位ADC0809并行的扩展 ADC0809大规模集成电路芯片是一种由单一+5V 电源供电，采用逐次逼近转换原理，输出的数字信号有三态缓冲器，可直接连到数据总线，它也是一种能够对0 +5V八路输入模拟电压进行分时转换的通用型可编程模数转换器（语意不明）。由于价格适中，与单片机的接口、软件操作均比较简单，目前在8位单片机系统中有着广泛的使用。,1ADC0809的主要特性 ADC0809的主要

9、特性如下： l 分辨率为8位； l 最大不可调误差小于1LSB； l 转换时间为当CLK500kHz时，128uS l 不必进行零点和满刻度调整； l 功耗为15mw； l 单一+5V供电，模拟输入范围为0V5V。,内部结构框图如图8-1所示。ADC0809 由8 路模拟开关、地址锁存与译码器、8 位A/D 转换器和三态输出锁存缓冲器组成。,图8-1ADC0809 转换器的内部结构框图,2ADC0809管脚功能及定义 ADC0809模数转换器的引脚功能有： lIN0IN7：路模拟量输入。 lA、B、C：3位地址输入，2个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。 lALE：地址锁存启动信号，在A

10、LE的上升沿，将A、B、C上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。 l D0D7：8位数据输出线，A/D转换结果由这8根线传送给单片机。 lOE：允许输出信号。当OE=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。 lSTART：启动信号输入端，START为正脉冲，其上升沿清除ADC0808的内部的各寄存器，其下降沿启动A/D开始转换。 l,EOC：转换完成信号，当EOC上升为高电平时，表明内部A/D转换已完成。 CLK：时钟输入信号，0809的时钟频率范围在101200kHz，典型值为640kHz。,图8-2管脚定义,3ADC0809 的时序图 ADC0809 的时序图如下图所示。,ADC0809

11、芯片使用模拟开关切换，可以分时处理8 路模拟量输入信号。在某一时刻，模拟开关只能与一路模拟量通道接通，对该通道进行A/D 转换。当地址锁存信号ALE为高电平时，C、B、A三条线上的地址数据送入ADC0809内部的地址锁存器中，经过译码器译码后选中某一通道。当AL E= 0时，地址锁存器处于锁存状态。此时，转换启动信号端START出现下降沿。只有当转换启动信号端START 出现下降，并延迟Teoc (8c1+ 2uS) 后，芯片启动A/D 转换；当转换启动信号端START 出现上升沿时，ADC0809复位。 ADC0809的时钟信号由CLOCK端送入， 其最高频率为640MHz，在这个最高频率下

12、ADC0809的A/D 转换时间为100uS左右。当ADC0809用于AT89C51单片机系统时，若AT89C51采用12MHz的晶振，则ADC0809的时钟信号可以由AT 89C51的ALE经过一个四分频电路获取。这时ADC0809的时钟频率为500KHz，A/D转换结束后，将转换的结果送到三态锁存输出缓冲器，使ADC0809的允许输出控制端OE为高电平，打开三态输入锁存器，就可以在DB0DB7 上，读出A/D 转换结果。EOC为转换结束输出信号。在A/D转换期间，EOC维持高电平；当A/D 转换结束时，EOC变成高电平，通过EOC的状态，系统就可以确定ADC0809的转换状态。,4ADC0

13、809扩展范例 ADC0809 的扩展步骤如下： （1）数据总线、地址总线扩展。 （2）确定A/D地址。 （3）A/D采样子程序的编写。 例8.1 采用8051和ADC0809构成一个8通道数据采集系统。该系统能够顺序采集各个通道的信号。8个通道的转换结果依次放入30h37h存储单元中，采集信号的动态范围为0V5V。每个通道的采样速率为100 SPS。8051系统采用6M晶振，查询方式扩展。试设计硬件电路，并编写A/D采样程序。 分析：ADC0809内部有三态缓冲器，可直接扩展数据总线，用P2口扩展地址总线，无须外加任何芯片，比较简单，时钟CLK可由8051的ALE输出得到，但采用6M晶振时，

14、应该先进行二分频，才能满足ADC0809的时钟信号必须小于640K的要求。扩展电路图如图8-4所示。,图8-4ADC0809扩展电路,由电路图可知： l ADC0809的地址是C0FFh； l ADC0809的8个模拟通道所对应的口地址是C0FFhC7FFh； l采样的开始，只要对模拟通道对应的地址写入一个数即启动转换； l由P1.0查询ADC0809的EOC信号，即可确定转换是否完成； l 8个通道的转换结果依次放入20h27h存储单元中。,8.2.2 12位ADC574并行转换器的扩展 12位并行转换扩展较常用的是AD574。AD574 是AD 公司生产的12 位逐次逼近型ADC , 它的

15、转换速度为25s , 转换精度为0. 05 % , 可广泛应用在数据采集系统中。由于AD574 芯片内有三态输出缓冲电路, 因而可直接与单片机的数据总线相连, 而无须附加逻辑接口电路。另外, 由于AD574 与CMOS 和TTL 兼容, 因而可构成简单的数据采集最小系统。,1ADC574的主要特性 ADC574的主要特性： l 单片型12位逐次逼近式A/D转换器。 l 转换时间为25 s，功耗390 mW。 l 输入电压可为单极性（0+10 V，0+20 V）或双极性（-5 V+5 V，-10 V+10 V ）。 l 可由外部控制进行12位转换或8位转换。 l 12位数据输出分为三段，A段为高

16、4位，B段为中4位，C段为低4位，三段分别经三态门控制输出。所以数据输出可以一次完成，也可分为两次，先输出高8位，后输出低4位。 内部具有三态输出缓冲器，可直接与8位、12位或16位微处理器直接相连。,ADC574 是一种转换速度适中的12位逐次逼近型模数转换器，是28 引脚双列直插式芯片。芯片内主要含有12 位D/A转换器、基准电压、控制逻辑电路、时钟、逐次逼近寄存器等电路。 ADC574内部结构如图8-5所示，管脚定义如图8-6所示。,图8-5ADC574内部结构图,图8-6ADC574管脚定义,1ADC574管脚功能及定义 l CS：片送。 l CE：片启动。 l R/C：读出/转换控制

17、。 l 12/8：数据输出格式选择脚。当12/8 为1(+5V) 时，12 条数据线将同时并行输出；当12/8 为0(0V)时，为8位双字节输出。 l A0：字节选择线。在转换期间，当A0 为0 时AD574进行全12位转换，转换时间为25s；当A0 为1时，进行8 位转换，转换时间为16s。在读出期间，当A0为0时，输出高8 ；当A0为1时，输出低4位，并以4个0作为尾随的4位以补足8位，即当两次读出12位数据时，应遵循左对齐原则。 l STS:：输出状态指示引脚。转换开始时，STS为高电平，并在转换过程中保持高电平。转换完成后，STS返回到低电平。STS可以作为状态信息被CPU查询；也可以

18、在它的下降沿向CPU发出中断请求，以通知A/D转换已完成，同时CPU可以读出转换结果。 l REFOUT：+10 V基准电压输出，最大输出电流为1.5 mA。 l REFIN：参考电压输入。 l BIPOFFSET：双极性偏移以及零点调整。该引脚接0 V，单极性输入；接+10 V，双极性输入。 l 10 Vin：10 V范围输入端，单极性输入0V+10V，双极性输入-5 V+5 V。 l,20 Vin：20 V范围输入端，单极性输入0V+20 V，双极性输入-10V+10 V。,AD574A的输入可为单极性模拟信号，也可为双极性模拟信号。这两种情况的连线如图8-7、8-8所示。,图8-7ADC

19、574单极性连线图 图8-8ADC574 双极性连线图,3ADC574 的时序图 ADC574 的时序图如图8-9所示。,图8-9ADC574 的时序图,4ADC547 扩展范例 典型的ADC547扩展如图8-10所示。,图8-10ADC547扩展,例8.2 如图8-10所示，按延迟法编写A/D转换程序，高位数据放在DATAH，低位数据放在DATAL. 解：ADC574的端口地址为#?80H AD转换程序代码如下： AD574: MOV DPTR,#0080H MOVX DPTR,A ;启动A/D转换 LCALL DLAY ;延时 INC DPTR ; R/C=1 MOVX A,DPTR MO

20、V DATAH,A INC DPTR ; R / C=1,A R / C=1=1 INC DPTR MOV A,DPTR ANL A,#0FH MOV DATAL,DPTR,8.3 串行A/D的扩展 并行A/D的扩展是A/D的标准扩展，但体积和成本都比较高。近年来小型单片机应用系统采用的流行方案是串行A/D扩展，串行A/D扩展和并行A/D扩展相比硬件连接简单、体积小，但软件编写复杂、速度慢。,8.3.1 八位串行ADC0832的扩展原理 八位串行A/D最常见的是ADC0831、ADC0832、ADC0834、ADC0838，分别是单通道、双通道、4通道、8通道八位串行A/D，本节以ADC083

21、2为例，进行介绍。,1ADC0832的主要特性 ADC0832的主要特性如下： l ADC0832是8位逐次逼近模数转换器，与TLC0832可以代换； l 有两个输入通道； l 串行输出可配置为标准移位寄存器或微处理器接口； l 其多路器可用软件配置为单端或差分输入，差分的模拟电压输入可以抑制共模电压；但输入基准电压不可调整大小，在内部已经连到VCC。 l ADC0832的性能是：8位分辨率；易于和微处理器接口或独立使用；用5V基准电压；单5V供电，输入范围0V5V； 输入和输出与TTLL和CMOS兼容。,2芯片管脚功能及定义 引脚定义如图8-11所示。,图8-11ADC0832管脚功能定义,各主要引脚功能如下： l CS：片选； l CLK：输入时钟； l CH0：输入通道0； l CH1：输入通道1； l DO：串行数据输出； l DI：串行数据输入。,3ADC0832 的时序图 ADC0832 的时序图如图8-12所示。,8051微处理器控制ADC0832进行A/D转换的过程如下： 片选置CS为低，方能启动转换，使所有逻辑电路使能。此时，DO端为高阻，DI端等待指令。CS在整个转换过程中必须置为低。 紧接着使DI端输出第一个逻辑高，表示起始位；接着移入地址两位，同时也决定了是否是差分输入，第一位为0表示单通道差分输入，为1表示双通道单极性输入，第二位表示单通道差分