1、智能仪器,1314学时,第二章 智能仪器输入/输出通道及接口技术 （五）A/D转换器接口技术,本章主要讲解内容：A/D转换器转换原理A/D转换器技术指标A/D转换器与微处理器的接口,一. 概述,1.概述 智能仪器首先应将传感器检测到的模拟量调理成数字量才便于计算机处理。这种将模拟量转换成数字量的器件称（ADC即A/D转换器）。这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。,一. A/D转换器转换原理,1）双积分式A/D转换器:精度高，抗周期性干扰好，价 格低，但转换速度慢。 2）逐次逼近式A/D转换器:转换速度快，精度高，但价 格较贵。 3） V-F变换型A
2、/D转换器:精度高，价格低，接口简 单，但转换速度慢。,A/D转换器的种类较多，但从原理上讲通常可分为以下四种：,下面以逐次逼近式为例来讨论：,2.逐逼近式A/D转换器转换原理,1)对分搜索原理： 例如将被测电压和一个基准电压进行逐次比较，最终逼近被测电压。即采用逐步缩小Vx未知范围的办法。假设基准电压为Vr=10V，为便于对分搜索，将其分成一系列（相差一半）的不同的标准值。 Vr可分解为：,也叫连续比较式A/D转换器，是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换:,上式表示，若把Vr不断细分（每次取上一次的一半）足够小的量，便可无限逼近，若只取有限项时，则项数决定了其逼近的程度。如只取前4项，则,
3、其逼近的最大误差为9.375V-10V =-0.625V，相当于最后一项的值。 现假设有一被测电压Vx8.5V，若用上面基准电压Vr所表示的4项5V、2.5V、1.25V、0.625V来“凑试”逼近Vx，逼近过程如下：,第一次取Vr的第一个基准值5V,由于被测值为8.5V ，所以5V8.5V，则去掉该项，记为数字”0” 第四次取Vr的第四个基准值+0.625V,此时5V+2.5V+0.625V=8.125 Ux,则说明寄存器高位是去码,若Ur 0,则有V00,计数器开始计数,当计数器计满溢出时,计数器复0,积分器的输出U0和比较器的输出UC的波形图如下所示：,假设输入信号Ui在某一时间是常数，
4、则第一次积分为：,式中T0为计数脉冲周期。,第一次积分阶段为积分器对Vi反向积分。,第二次积分阶段(定值积分),当计数器复0时,模拟开关S与基准电压-VREF接通。,同时计数器又开始从0计数.此时积分器开始正向积分.当V0上升到略大于0时, Vc变为低电平,该低电平使计数器停止计数,此刻计数器的计数值即为A/D转换值.,第二次积分为：,式中T2=DT0，所以D=T2/T0=T2/T12n D为计数器中的计数值。由于U0(t2）=0，所以将上式整理后得：,常用以下几项来评价其质量水平。,(1)转换精度:转转精度常用分辨率和转换误差来描述.分辨率和量化误差ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模
5、拟量的最小变化量。常用位数来表示分辨率,例如12位二进制数的ADC分辨率为12位(1/212=1/4096).凡不足以引起一个最小数字量变化的模拟量形成的误差称为量化误差.它是由分辨率有限引起的,位数越多,则能够区分模拟输入电压的最小值越小,分辨能力越高,量化误差越小.,二. A/D转换器技术指标, 转换误差 通常以输出误差的最大值形式给出.表示实际输出的数字量与理论上应该输出的数字量之间的差别,一般以相对误差的形式给出.并用最低有效位的倍数表示. 例如,转换误差1/2 LSB,表示实际输出的数字量与理论应得到的输出数字量之间的误差小于最低有效位的半个字.转换误差综合反映了在一定使用条件下总的
6、偏差(不包含量化误差).但有的厂家以分项误差形式给出,分项误差常包含以下几项:,A)偏移误差。输入信号为零时,输出信号不为零时的值.可外接电位器调至最小.,B)满刻度误差当输出到满量程时，对应的输入与理想的满量程输入之差.,C)非线性度误差实际特性曲线和理想特性曲线输出值的最大误差点对应的输入值之差.,(2)转换速度 :用转换时间和转换速率来描述转换时间:A/D转换器完成一次转换所需的时间.例如一般电流输出型的转换时间较短,一般几百纳秒.电压输出型的转换时间较长.一般几十微秒.,转换速率:转换时间的倒数.(3)满量程输入范围ADC从零变到最大值时对应的模拟信号的变化范围.例如，某12位的ADC
7、输出000H时对应输入电压为0伏，输出FFFH时的对应输入电压为5伏，则其满量程输入范围是0-5V。,三.A/D转换器与微处理器的接口,A/D转换器的品种繁多，它们的性能也不尽相同，它们的输出特性决定了接口形式。例如与单片机的接口，根据输出形式大致可分为并行，串-并行和串行输出三种。由于串-并行输出方式大多用于积分型A/D转换器中，所以这里主要介绍并行和串行输出的接口。,1. 8位并行输出的ADC与微处理器的接口,1)接口的一般形式可用下图来表示：,从逻辑图中可看出，ADC通过三总线和微处理器相连。数据总线通过三态缓冲器和ADC的DB0-DB7相连；控制线状态应答是CPU控制ADC工作并从AD
8、C读取有效数据所必需的。只有当ADC一次转换结束,并更新其输出线的数据时， CPU才能读取有效转换结果。地址逻辑线产生芯片选通信号，以供读取数据时打开三态缓冲器。,2)例1.ADC0809与微机的接口是一种8位并行输出A/D转换器,28脚封装,输出带三态锁存器.其内部结构如下图所示:,外部引脚如下:,(1）IN0-IN7:八路模拟量 输入通道。,(2) 21-28为8位数据输出,(3)ADDA,ADDB,ADDC通道 选择,(4) START为启动信号,(5) EOC为转换结束标志,(6)OE为输出允许,(7)ALE为通道地址锁存信号,其上升沿将地址信息送入地址锁存器.,(8)CLK为外部时钟
9、输入信号,(9)VCC,GND电源,(10)REF(+),REF(-)为参考电压,地址选择信号和通道号的关系,由地址码CBA经译码后控制IN0-IN7上的一路进入A/D转换部分转换.(3)START为启动信号.高电平有效.上升沿将所有内部寄电器清零,下降沿启动A/D转换.,(4)EOC为转换结束标志, EOC=0表示正在转换, EOC=1表示一次转换结束.(5)OE为输出允许,高电平时,选通三态输出数据锁存器,转换结果可以从8位输出数字量输出.,(6)CLOCK为外部时钟输入信号,时钟频率决定了转换速率.,3)与微处理器的典型接口:,由于ADC0809具有输出三态锁存器，故0809的8位数据输
10、出引脚DB0-DB7可直接与8031数据总线P0.0-P0.7相连;,0809的地址译码引脚ADDA，ADDB，ADDC分别与P0.0-P0.2口相连，以选通IN0-IN7。8031的EA接地,表示CPU永远访问外存.,将P2.7作为片选信号，和单片机的写信号（WR）经一级或非门后控制ADC0809的地址锁存ALE和启动转换START。由于ALE和START连在一起，因此ADC0809锁存通道地址的同时也启动转换。这里单片机访问ADC0809的地址为7FFFH。,转换结束信号EOC由P1.0查询后读出，或经由中断信号判断查询后读出。输出允许信号0E用单片机的读信号（RD）和P2.7经一级或非门
11、后控制，产生的正脉冲作为OE信号。A/D转换的程序有三种编写形式：,a)查询方式程序:转换结束信号EOC接单片机I/O口（P1.0口），由程序查询该口线的状态，以判断是否转换结束。,b)延时等待方式，在启动A/D转换后，通过软件程序延时等待再读取转换结果。,7FFFH,C）中断方式，用OEC信号作为向单片机的中断申请信号（OEC信号接单片机的INTO端），在主程序中，向ADC器件发出首次启动A/D转换信号，并计数管理转换的通道数，当检测到OEC的请求后，转去执行中断服务程序，读取转换结果，并启动下一次转换，然后继续执行主程序。,2. 高于8位并行输出A/D转换器与微处理器的接口,(1)接口的一般形式。对于8位微机系统，当ADC的位数高于8位时，则需分二次输入数据。除此之外，其接口形式和工作原理与8位ADC相同。见下图:,这二个并行端口分别通过三态缓冲器输入ADC输出的高位字节（高8位）和低位字节（低8位）。,
