ADC中文资料.pdf
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典型的集成典型的集成ADC芯片芯片为了满足多种需要,目前国内外各半导体器件生产厂家设计并生产出了多种多样的ADC芯片。
仅美国AD公司的ADC产品就有几十个系列、近百种型号之多。
从性能上讲,它们有的精度高、速度快,有的则价格低廉。
从功能上讲,有的不仅具有A/D转换的基本功能,还包括内部放大器和三态输出锁存器;有的甚至还包括多路开关、采样保持器等,已发展为一个单片的小型数据采集系统。
尽管ADC芯片的品种、型号很多,其内部功能强弱、转换速度快慢、转换精度高低有很大差别,但从用户最关心的外特性看,无论哪种芯片,都必不可少地要包括以下四种基本信号引脚端:
模拟信号输入端(单极性或双极性);数字量输出端(并行或串行);转换启动信号输入端;转换结束信号输出端。
除此之外,各种不同型号的芯片可能还会有一些其他各不相同的控制信号端。
选用ADC芯片时,除了必须考虑各种技术要求外,通常还需了解芯片以下两方面的特性。
(1)数字输出的方式是否有可控三态输出。
有可控三态输出的ADC芯片允许输出线与微机系统的数据总线直接相连,并在转换结束后利用读数信号RD选通三态门,将转换结果送上总线。
没有可控三态输出(包括内部根本没有输出三态门和虽有三态门、但外部不可控两种情况)的ADC芯片则不允许数据输出线与系统的数据总线直接相连,而必须通过I/O接口与MPU交换信息。
(2)启动转换的控制方式是脉冲控制式还是电平控制式。
对脉冲启动转换的ADC芯片,只要在其启动转换引脚上施加一个宽度符合芯片要求的脉冲信号,就能启动转换并自动完成。
一般能和MPU配套使用的芯片,MPU的I/O写脉冲都能满足ADC芯片对启动脉冲的要求。
对电平启动转换的ADC芯片,在转换过程中启动信号必须保持规定的电平不变,否则,如中途撤消规定的电平,就会停止转换而可能得到错误的结果。
为此,必须用D触发器或可编程并行I/O接口芯片的某一位来锁存这个电平,或用单稳等电路来对启动信号进行定时变换。
具有上述两种数字输出方式和两种启动转换控制方式的ADC芯片都不少,在实际使用芯片时要特别注意看清芯片说明。
下面介绍两种常用芯片的性能和使用方法。
1.ADC0808/0809ADC0808和ADC0809除精度略有差别外(前者精度为8位、后者精度为7位),其余各方面完全相同。
它们都是CMOS器件,不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分,而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑,因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。
利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换,在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。
1)主要技术指标和特性
(1)分辨率:
8位。
(2)总的不可调误差:
ADC0808为21LSB,ADC0809为1LSB。
(3)转换时间:
取决于芯片时钟频率,如CLK=500kHz时,TCONV=128s。
(4)单一电源:
+5V。
(5)模拟输入电压范围:
单极性05V;双极性5V,10V(需外加一定电路)。
(6)具有可控三态输出缓存器。
(7)启动转换控制为脉冲式(正脉冲),上升沿使所有内部寄存器清零,下降沿使A/D转换开始。
(8)使用时不需进行零点和满刻度调节。
2)内部结构和外部引脚ADC0808/0809的内部结构和外部引脚分别如图11.19和图11.20所示。
内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然,在此就不再赘述,下面仅对各引脚定义分述如下:
PDFpdfFactory图11.19ADC0808/0809内部结构框图
(1)IN0IN78路模拟输入,通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。
(2)D7D0A/D转换后的数据输出端,为三态可控输出,故可直接和微处理器数据线连接。
8位排列顺序是D7为最高位,D0为最低位。
(3)ADDA、ADDB、ADDC模拟通道选择地址信号,ADDA为低位,ADDC为高位。
地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。
(4)VR(+)、VR(-)正、负参考电压输入端,用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。
在单极性输入时,VR(+)=5V,VR(-)=0V;双极性输入时,VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。
图11.20ADC0808/0809外部引脚图表表11.3地址信号与选中通道的关系地址信号与选中通道的关系地址ADDCADDBADDA选中通道PDFpdfFactory000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7(5)ALE地址锁存允许信号,高电平有效。
当此信号有效时,A、B、C三位地址信号被锁存,译码选通对应模拟通道。
在使用时,该信号常和START信号连在一起,以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。
(6)STARTA/D转换启动信号,正脉冲有效。
加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零,下降沿开始A/D转换。
如正在进行转换时又接到新的启动脉冲,则原来的转换进程被中止,重新从头开始转换。
(7)EOC转换结束信号,高电平有效。
该信号在A/D转换过程中为低电平,其余时间为高电平。
该信号可作为被CPU查询的状态信号,也可作为对CPU的中断请求信号。
在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下,EOC也可作为启动信号反馈接到START端,但在刚加电时需由外电路第一次启动。
(8)OE输出允许信号,高电平有效。
当微处理器送出该信号时,ADC0808/0809的输出三态门被打开,使转换结果通过数据总线被读走。
在中断工作方式下,该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。
3)工作时序与使用说明ADC0808/0809的工作时序如图11.21所示。
当通道选择地址有效时,ALE信号一出现,地址便马上被锁存,这时转换启动信号紧随ALE之后(或与ALE同时)出现。
START的上升沿将逐次逼近寄存器SAR复位,在该上升沿之后的2s加8个时钟周期内(不定),EOC信号将变低电平,以指示转换操作正在进行中,直到转换完成后EOC再变高电平。
微处理器收到变为高电平的EOC信号后,便立即送出OE信号,打开三态门,读取转换结果。
图11.21ADC0808/0809工作时序模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行(当然,不能在转换过程中进PDFpdfFactory行),然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成(因为ADC0808/0809的时间特性允许这样做)。
这样可以用一条写指令既选择模拟通道又启动转换。
在与微机接口时,输入通道的选择可有两种方法,一种是通过地址总线选择,一种是通过数据总线选择。
如用EOC信号去产生中断请求,要特别注意EOC的变低相对于启动信号有2s+8个时钟周期的延迟,要设法使它不致产生虚假的中断请求。
为此,最好利用EOC上升沿产生中断请求,而不是靠高电平产生中断请求。
2.AD574AAD574A是美国AD公司的产品,是目前国际市场上较先进的、价格低廉、应用较广的混合集成12位逐次逼近式ADC芯片。
它分6个等级,即AD574AJ、AK、AL、AS、AT、AU,前三种使用温度范围为0+70,后三种为-55+125。
它们除线性度及其他某些特性因等级不同而异外,主要性能指标和工作特点是相同的。
1)主要技术指标和特性
(1)非线性误差:
1LSB或21LSB(因等级不同而异)。
(2)电压输入范围:
单极性0+10V,0+20V,双极性5V,10V。
(3)转换时间:
35s。
(4)供电电源:
+5V,15V。
(5)启动转换方式:
由多个信号联合控制,属脉冲式。
(6)输出方式:
具有多路方式的可控三态输出缓存器。
(7)无需外加时钟。
(8)片内有基准电压源。
可外加VR,也可通过将VO(R)与Vi(R)相连而自己提供VR。
内部提供的VR为(10.000.1)V(max),可供外部使用,其最大输出电流为1.5mA;(9)可进行12位或8位转换。
12位输出可一次完成,也可两次完成(先高8位,后低4位)。
2)内部结构与引脚功能AD574A的内部结构与外部引脚如图11.22所示。
从图可见,它由两片大规模集成电路混合而成:
一片为以D/A转换器AD565和10V基准源为主的模拟片,一片为集成了逐次逼近寄存器SAR和转换控制电路、时钟电路、三态输出缓冲器电路和高分辨率比较器的数字片,其中12位三态输出缓冲器分成独立的A、B、C三段,每段4位,目的是便于与各种字长微处理器的数据总线直接相连。
AD574A为28引脚双列直插式封装,各引脚信号的功能定义分述如下:
PDFpdfFactory图11.22AD574A的结构框图与引脚
(1)12/8输出数据方式选择。
当接高电平时,输出数据是12位字长;当接低电平时,是将转换输出的数变成两个8位字输出。
(2)A0转换数据长度选择。
当A0为低电平时,进行12位转换;A0为高电平时,则为8位长度的转换。
(3)CS片选信号。
(4)R/C读或转换选择。
当为高电平时,可将转换后数据读出;当为低电平时,启动转换。
(5)CE芯片允许信号,用来控制转换与读操作。
只有当它为高电平时,并且CS=0时,R/信号的控制才起作用。
CE和CS、R/C、12/8、A0信号配合进行转换和读操作的控制真值表如表11.4所示。
(6)VCC正电源,电压范围为0+16.5V。
(7)Vo(R)+10V参考电压输出端,具有1.5mA的带负载能力。
表表11.4AD574A的转换和读操作控制真值表的转换和读操作控制真值表CECSCR/12/8A0操作内容01111110000000111+5VDGNDDGND0101无操作无操作启动一次12位转换启动一次8位转换并行读出12位读出高8位(A段和B段)读出C段低4位,并自动后跟4个0(8)AGND模拟地。
(9)GND数字地。
(10)Vi(R)参考电压输入端。
(11)VEE负电源,可选加-11.4V-16.5V之间的电压。
(12)BIPOFF双极性偏移端,用于极性控制。
单极性输入时接模拟地(AGND),双极性输入时接Vo(R)端。
(13)Vi(10)单极性010V范围输入端,双极性5V范围输入端。
(14)Vi(20)单极性020V范围输入端,双极性10V范围输入端。
(15)STS转换状态输出端,只在转换进行过程中呈现高电平,转换一结束立即返回到低电平。
可用查询方式检测此端电平变化,来判断转换是否结束,也可利用它的负跳变沿来触发一个触发器产生IRQ信号,在中断服务程序中读取转换后的有效数据。
从转换被启动并使STS变高电平一直到转换周期完成这一段时间内,AD574A对再来的启动信号不予理睬,转换进行期间也不能从输出数据缓冲器读取数据。
3)工作时序AD574A的工作时序如图11.23所示。
对其启动转换和转换结束后读数据两个过程分别说明如下:
PDFpdfFactory图11.23AD574A的工作时序
(1)启动转换在CS=0和CE=1时,才能启动转换。
由于是CS=0和CE=1相与后,才能启动A/D转换,因此实际上这两者中哪一个信号后出现,就认为是该信号启动了转换。
无论用哪一个启动转换,都应使R/C信号超前其200ns时间变低电平。
从图11.23可看出,是由CE启动转换的,当R/为低电平时,启动后才是转换,否则将成为读数据操作。
在转换期间STS为高电平,转换完成时变低电平。
(2)读转换数据在CS=0和CE=1且CR/为高电平时,才能读数据,由12/8决定是12位并行读出,还是两次读出。
如图11.23所示,CS或CE信号均可用作允许输出信号,看哪一个后出现,图中为CE信号后出现。
规定A0要超前于读信号至少150ns,CR/信号超前于CE信号最小可到零。
从表11.4和图11.23可看出,AD574A还能以一种单独控制(stand-alone)方式工作:
CE和12/8固定接高电平,CS和A0固定接地,只用CR/来控制转换和读数,CR/=0时启动12位转换,CR/=1时并行读出12位数。
具体实现办法可有两种:
正脉冲控制和负脉冲控制。
当使用350ns以上的CR/正脉冲控制时,有脉冲期间开启三态缓冲器读数,脉冲后沿(下降沿)启动转换。
当使用400ns以上的CR/负脉冲控制时,则前沿启动转换,脉冲结束后读数。
4)使用方法AD574A有单极性和双极性两种模拟输入方式。
(1)单极性输入的接线和校准单极性输入的接线如图11.24(a)所示。
AD574A在单极性方式下,有两种额定的模拟输入范围:
0+10V的输入接在Vi(10)和AGND间,0+20V输入接在Vi(20)和AGND间。
R1用于偏移调整(如不需进行调整可把BIPOFF直接接AGND,省去外加的调整电路),R2PDFpdfFactory用于满量程调整(如不需调整,R2可用一个501%的金属膜固定电阻代替)。
为使量化误差为21LSB,AD574A的额定偏移规定为21LSB。
因此在作偏移调整时,使输入电压为21LSB(满量程电压为+10V时是1.22mV),调R1,使数字输出为000000000000到000000000001的跳变。
在做满量程调整时,是通过施加一个低于满量程值121LSB的模拟信号进行的,这时调R2以得到从111111111110到111111111111的跳变点。
(2)双极性输入的接线和校准双极性输入的接线如图11.24(b)所示。
和单极性输入时一样,双极性时也有两种额定的模拟输入范围:
5V和10V。
5V输入接在Vi(10)和AGND之间;10V接在Vi(20)和AGND之间。
图11.24AD574A的输入接线图双极性校准也类似于单极性校准。
调整方法是,先施加一个高于负满量程21LSB(对于5V范围为-4.9988V)的输入电压,调R1,使输出出现从000000000000到000000000001的跳变;再施加一个低于正满量程121LSB(对于5V范围为+4.9963V)的输入信号,调R2使输出现从111111111110到111111111111的跳变。
如偏移和增益无需调整,则相应的调整电阻也和在单极性中一样,R2可用501%的固定电阻代替。
ADC0808与与ADC0809区别区别7.3A/D转换器ADC0809与MCS-51单片机的接口设计ADC0808/0809八位逐次逼近式A/D转换器是一种单片CMOS器件,包括8位的模/数转换器,8通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑.8通道多路转换器能直接连通8个单端模拟信号中一任何一个.一,ADC0808/0809的内部结构及引脚功能1,ADC0809转换器内部结构2,ADC0809引脚功能分辨率为8位.最大不可调误差ADC0808小于1/2LSB,ADC0809小于1LSB单一+5V供电,模拟输入范围为05V.具有锁存三态输出,输出与TTL兼容.功耗为15mw.不必进行零点和满度调整.转换速度取决于芯片的时钟频率.时钟频率范围:
101280KHZ当CLK=500KHZ时,转换速度为128s.IN0IN7:
8路输入通道的模拟量输入端口.2-12-8:
8位数字量输出端口.START,ALE:
START为启动控制输入端口,ALE为地址锁存控制信号端口.这两个信号端可连接在一起,当通过软件输入一个正脉冲,便立即启动模/数转换.EOC,OE:
EOC为转换结束信号脉冲输出端口,OE为输出允许控制端口,这两个信号亦可连结在一起表示模/数转换结束.OE端的电平由低变高,打开三态输出锁存器,将转换结果的数字量输出到数据总线上.REF(+),REF(-),VCC,GND,REF(+)和REF(-)为参考电压输入端,VCCPDFpdfFactory为主电源输入端,GND为接地端.一般REF(+)与VCC连接在一起,REF(-)与GND连接在一起.CLK:
时钟输入端.3,8路模拟开关的三位地址选通编码表ADDA,B,C8路模拟开关的三位地址选通输入端,以选择对应的输入通道.地址码对应的输入通道CBA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7二,ADC0808/0809与8031单片机的接口设计ADC0808/0809与8031单片机的硬件接口有三种方式,查询方式,中断方式和等待延时方式.究竟采用何种方式,应视具体情况,按总体要求而选择.1.延时方式ADC0809编程模式在软件编写时,应令p2.7=A15=0;A0,A1,A2给出被选择的模拟通道的地址;执行一条输出指令,启动A/D转换;执行一条输入指令,读取A/D转换结果.通道地址:
7FF8H7FFFH下面的程序是采用延时的方法,分别对8路模拟信号轮流采样一次,并依次把结果转存到数据存储区的采样转换程序.START:
MOVR1,#50H;置数据区首地址MOVDPTR,#7FF8H;P2.7=0且指向通道0MOVR7,#08H;置通道数NEXT:
MOVXDPTR,A;启动A/D转换MOVR6,#0AH;软件延时DLAY:
NOPNOPNOPDJNZR6,DLAYMOVXA,DPTR;读取转换结果MOVR1,A;存储数据INCDPTR;指向下一个通道INCR1;修改数据区指针DJNZR7,NEXT;8个通道全采样完了吗.2.中断方式将ADC0808/0809作为一个外部扩展的并行I/O口,直接由8031的P2.0和脉冲进行启动.通道地址为FEF8HFEFFH用中断方式读取转换结果的数字量,模拟量输入通路选择端A,B,C分别与8031的P0.0,P0.1,P0.2(经74LS373)相连,CLK由8031的ALE提供.INTADC:
SETBIT1;选择为边沿触发方式SETBEA;开中断SETBEX1;MOVDPTR,#0FEF8H;通道地址送DPTRMOVXDPTR,A;启动A/D转换PINT1:
MOVDPTR,#0FEF8H;通道地址送DPTRMOVXA,DPTR;读取从IN0输入的转换结果存入MOV50H,A;50H单元MOVXDPTR,A;启动A/D转换RETI;中断返回三,接口电路设计中的几点注意事项1.关于ADC0808/0809最高工作时钟频率的说明由于ADC0808/0809芯片内无时钟,所以必须靠外部提供时钟;外部时钟的频率范围为10KHZ1280KHZ.在前面的ADC0808/0809通过中断方式与8031单片机接口的电路中,8031单片机的主频接为6MHZ,ALE提供ADC0808/0809的时钟频率为1MHZ(1000KHZ);实际应用系统使用证明,ADC0808/0809能够正常可靠地工作.但在用户进行ADC0808/0809应用设计时,推荐选用640KHZ左右的时钟频率.2,ADC0816/17与ADC0809的主要区别ADC0816/0817与ADC0808/0809相比,除模拟量输入通道数增至16路,封装为40引脚外,其原理,性能结构基本相同.ADC0816和ADC0817的主要区别是:
ADC0816的最大不可调误差为1/2LSB,精度高,价格也高;ADC0817的最大不可调误差为士1LSB,价格低.习题七试设计一数据采集系统2002.10使用单位:
山东省气象局在东营市孤岛气象观察站设计单位:
山东大学物理与微电子学院2000级设计方案:
自行确定提示:
对于非模拟物理量,可以用下图示意即可非电物理量传感器A/D转换器7.3A/D转换器ADC0809与MCS-51单片机的接口设计ADC0808/0809八位逐次逼近式A/D转换器是一种单片CMOS器件,包括8位的模/数转换器,8通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑.8通道多路转换器能直接连通8个单端模拟信号中一任何一个.一,ADC0808/0809的内部结构及引脚功能1,ADC0809转换器内部结构2,ADC0809引脚功能分辨率为8位.最大不可调误差ADC0808小于1/2LSB,PDFpdfFactoryADC0809小于1LSB单一+5V供电,模拟输入范围为05V.具有锁存三态输出,输出与TTL兼容.功耗为15mw.不必进行零点和满度调整.转换速度取决于芯片的时钟频率.时钟频率范围:
101280KHZ当CLK=500KHZ时,转换速度为128s.IN0IN7:
8路输入通道的模拟量输入端口.2-12-8:
8位数字量输出端口.START,ALE:
START为启动控制输入端口,ALE为地址锁存控制信号端口.这两个信号端可连接在一起,当通过软件输入一个正脉冲,便立即启动模/数转换.EOC,OE:
EOC为转换结束信号脉冲输出端口,OE为输出允许控制端口,这两个信号亦可连结在一起表示模/数转换结束.OE端的电平由低变高,打开三态输出锁存器,将转换结果的数字量输出到数据总线上.REF(+),REF(-),VCC,GND,REF(+)和REF(-)为参考电压输入端,VCC为主电源输入端,GND为接地端.一般REF(+)与VCC连接在一起,REF(-)与GND连接在一起.CLK:
时钟输入端.3,8路模拟开关的三位地址选通编码表ADDA,B,C8路模拟开关的三位地址选通输入端,以选择对应的输入通道.地址码对应的输入通道CBA0000111100110011010PDFpdfFactory10101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7二,ADC0808/0809与8031单片机的接口设计ADC0808/0809与8031单片机的硬件接口有三种方式,查询方式,中断方式和等待延时方式.究竟采用何种方式,应视具体情况,按总体要求而选择.1.延时方式ADC0809编程模式在软件编写时,应令p2.7=A15=0;A0,A1,A2给出被选择的模拟通道的地址;执行一条输出指令,启动A/D转换;执行一条输入指令,读取A/D转换结果.通道地址:
7FF8H7FFFH下面的程序是采用延时的方法,分别对8路模拟信号轮流采样一次,并依次把结果转存到数据存储区的采样转换程序.START:
MOVR1,#50H;置数据区首地址MOVDPTR,#7FF8H;P2.7=0且指向通道0MOVR7,#08H;置通道数NEXT:
MOVXDPTR,A;启动A/D转换MOVR6,#0AH;软件延时DLAY:
NOPNOPNOPDJNZR6,DLAYMOVXA,DPTR;读取转换结果MOVR1,A;存储数据INCDPTR;指向下一个通道INCR1;修改数据区指针DJNZR7,NEXT;8个通道全采样
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