AD转换器及其接口设计综述

1、13.5 AD转换器及其接口设计转换器及其接口设计一、一、A/D 转换器的基本原理转换器的基本原理二、二、A/D转换器的技术指标转换器的技术指标三、三、A/D转换器及其连接转换器及其连接四、四、典型典型A/D转换器转换器2一、一、A/D 转换器的基本原理转换器的基本原理模拟输入量模拟输入量数字输出量数字输出量000001010011100101110111 1v 2v 3v 4v 5v 6v 7vA/D转换器转换器模拟输入量模拟输入量数字输出量数字输出量3工作原理工作原理特点特点计数式计数式结构简单、原理清楚结构简单、原理清楚转换速度慢、精度低，少用转换速度慢、精度低，少用双积分式双积分式精度

2、高、转换速度慢，常用精度高、转换速度慢，常用逐次逼近式逐次逼近式转换速度较快、精度较高转换速度较快、精度较高常用常用高速并行式高速并行式 转换速度快，价格高转换速度快，价格高4C为计数器控制端：为计数器控制端： C=1，开始计数；，开始计数； C=0，停止计数。，停止计数。q计数式计数式A/D转换由转换由8位位D/A转换器、转换器、8位计数器和比较器组成。位计数器和比较器组成。8 8位位计数器计数器D D7 7-D-D0 08 8位位D/AD/A转换器转换器 A- -+ +CLKCLKEOCEOCS S开始转换开始转换转换结束转换结束C C比较器比较器V Vi iV V0 0CLRCLR模拟输

3、入电压模拟输入电压D/A转换器输出电压转换器输出电压数字量输出数字量输出D0D7计数时钟计数时钟S=0，使，使8位计数器清位计数器清“0”，S=1，使计数器准备计数。，使计数器准备计数。5启动信号启动信号S： S端端 ：使：使8位计数器清位计数器清“0”， S端端 ： 计数器准备计数。计数器准备计数。 8位位D/A转换器：数字量转换器：数字量00H 0V电压输出电压输出Vo。 当当ViVo时，时， C=1, 计数器从计数器从0开始计数，开始计数， 只要只要ViVo ，C=1，计数器不断计数，计数器不断计数， 当当VoVi时时, C=0，计数器停止计数。，计数器停止计数。 D7-D0为为Vi所对

4、应的数字量。实现了所对应的数字量。实现了A/D转换。转换。 C的的 表示表示A/D转换结束，转换结束， 可以作为中断请求信号或作为查询用。可以作为中断请求信号或作为查询用。6.A/D转换时间A/D转换时间V Vi iV V0 0t t0 0S启动S启动EOC结束EOC结束计数式计数式A/D转换时间图转换时间图7 双积分型双积分型ADC又称双斜率又称双斜率ADC。 它的工作原它的工作原理是，对输入模拟电压和参考电压进行两次积分，理是，对输入模拟电压和参考电压进行两次积分，变换成变换成，并，并，计数器的输出就是转换后，计数器的输出就是转换后的数字量，的数字量，如图如图所示。所示。：由集成运放和：由

5、集成运放和RC积分环节组成，其输入端积分环节组成，其输入端接控制开关接控制开关S1。S1由定时信号控制，可以将由定时信号控制，可以将的输入模拟电压和参考电压分别加在积分器，进的输入模拟电压和参考电压分别加在积分器，进行两次行两次的积分。其输出接比较器的输入端。的积分。其输出接比较器的输入端。1.1.组成组成q双积分式双积分式A/D转换转换8:其作用是其作用是。当当uO0时，比较器输出时，比较器输出uC=0; 当当uO Uf，予以保留予以保留此位的此位的“1” 。第二个时钟脉冲到来时第二个时钟脉冲到来时，SAR 置为置为11000000码，经码，经过过DA转换器产生反馈电压转换器产生反馈电压Uf

6、512102427682.V因因U Ui i U Uf f ，故保留此位，故保留此位“1 1”。15第三个时钟脉冲到来时第三个时钟脉冲到来时，SAR 状态置为状态置为11100000，经，经DA 转换器产生反馈电转换器产生反馈电压压Uf7 68102428963.V，因因Ui Uf ，SAR 此位应置此位应置“ 0 ”。SAR 状态改为状态改为11000000。第四个时钟脉冲到来时第四个时钟脉冲到来时，SAR 状态又置状态又置为为11010000，.。16tU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V时钟脉冲时钟脉冲1234

7、5678逐次逼近比较过程逐次逼近比较过程脉冲脉冲 1SAR置为置为 100000002110000003111000001100000041101000011000000511001000611001100711001110811001111逐次逼近式逐次逼近式AD转换的过程可用下表说明转换的过程可用下表说明。178位逐次逼近位逐次逼近AD转换过程转换过程 次数次数 SAR中中 的数码的数码D/产生的产生的 (V) 去去留码留码 判断判断 本次操作后本次操作后SAR 中的数码中的数码 1 2 3 4 5 6 7 8 10000000 11000000 11100000 11010000 110

8、01000 11001100 11001110 11001111 5.12 7.68 8.96 8.32 8.0 8.16 8.24 8.28 ，留留1 ，留留1 ，留留0 ，留留0 ，留留1 ，留留1 ，留留1 ，留留1 10000000 11000000 11000000 11000000 11001000 11001100 11001110 11001111UfUUfiUUfiUUfiUUfiUUfiUUfiUUfiUUfi18由上表可见由上表可见： 经过经过8 次比较之后次比较之后，SAR 的数据寄存的数据寄存器中所建立的数码器中所建立的数码11001111即为转换结果即为转换结果。

9、数码对应的反馈电压数码对应的反馈电压Uf = 8.28 V，它与它与输入的模拟电压输入的模拟电压Ui= 8.3 V相差相差0.02V，不过不过两者的差值已小于两者的差值已小于1LSB所对应的量化电压所对应的量化电压0.04V 。 逐次逼近式逐次逼近式AD转换器的转换结果通转换器的转换结果通过数字量输出锁存器并行输出。过数字量输出锁存器并行输出。 19比较三种比较三种A/D转换方式转换方式 计数式计数式A/D转换速度慢，价格低，适用于慢速系统；转换速度慢，价格低，适用于慢速系统； 双积分式双积分式A/D转换分辨率高，抗干扰性好，但转换速度转换分辨率高，抗干扰性好，但转换速度较慢，适用于中速系统。

10、较慢，适用于中速系统。 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换精度高、转换速度快、易受干扰。转换精度高、转换速度快、易受干扰。 微机系统中大多数采用逐次逼近型微机系统中大多数采用逐次逼近型A/D转换方法。转换方法。20二、二、A/D转换器的技术指标转换器的技术指标1. 分辨率分辨率2. 转换精度转换精度3. 转换时间和转换率转换时间和转换率211分辨率分辨率指指A/D转换器所能分辨的最小模拟输入量，转换器所能分辨的最小模拟输入量，或指转换器满量程模拟输入量被分离的级数。或指转换器满量程模拟输入量被分离的级数。模拟输入量模拟输入量数字数字输出量输出量000001010011000001010011 1v

11、 2v 3v 4v 5v 6v 7v输入输入 输出输出 -0.50.5v 000 0.51.5v 001 1.52.5v 010 、 5.56.5v 110 6.57.5v 111 在在ADC中，模拟量和数字量之间不是一一对应的关系中，模拟量和数字量之间不是一一对应的关系222转换精度转换精度实际输出的数字量与理论输出的数字量之间的偏差。实际输出的数字量与理论输出的数字量之间的偏差。 反应反应ADC的实际输出接近理想输出的精确程度的实际输出接近理想输出的精确程度。 ADC的分辨率通常用能转换成的数字量位数表示。的分辨率通常用能转换成的数字量位数表示。 如：如：8位位A/D转换器的转换器的分辨率

12、分辨率为为8位位。10位位A/D转换器的转换器的分辨率分辨率为为10位位。 这种偏差由两部分构成：这种偏差由两部分构成：a: a: 量化误差量化误差。量化误差是把连续的模拟量转换为。量化误差是把连续的模拟量转换为离散的数字量（这一过程称为量化）时必然存在的，是离散的数字量（这一过程称为量化）时必然存在的，是不可避免的。例如，不可避免的。例如，8 8位位ADCADC，单极性输入，单极性输入0 05V5V，数字，数字量为量为0 0255255，它能分辨的最小输入信号是，它能分辨的最小输入信号是=5V/256=5V/25620mV20mV，如，如4.984.985.00V5.00V输入对应的数字均为

13、输入对应的数字均为255255，这是不，这是不可避免的。可避免的。b: b: 器件误差器件误差。器件误差是由于器件制造精度、温。器件误差是由于器件制造精度、温度漂移等造成的，可以通过提高产品质量来降低。度漂移等造成的，可以通过提高产品质量来降低。23 由于在一定范围内的模拟值产生相同的数字量，由于在一定范围内的模拟值产生相同的数字量，取该范围内的中间模拟值计算。取该范围内的中间模拟值计算。 A/DA/D转换精度用数字量的最低有效位（转换精度用数字量的最低有效位（LSBLSB）来表）来表示。如果模拟量在示。如果模拟量在( (/2)/2)范围内，都产生相对应的范围内，都产生相对应的唯一数字量，称为

14、这个唯一数字量，称为这个ADCADC是无误差的，或者称其精是无误差的，或者称其精度为度为0LSB0LSB。如果模拟量在如果模拟量在- -+范围内，都产生相对应的唯范围内，都产生相对应的唯一数字量，这个一数字量，这个ADCADC的精度为的精度为1/2LSB 1/2LSB 。如果模拟量在如果模拟量在(+3/4(+3/43/4)3/4)范围内，都产范围内，都产生相对应的唯一数字量，这个生相对应的唯一数字量，这个ADCADC的精度为的精度为1/4LSB1/4LSB。243转换时间和转换率转换时间和转换率转换时间转换时间指完成一次指完成一次A/D转换所需的时间，转换所需的时间，从启动信号开始到转换结束，

15、得到稳定数字量的时间。从启动信号开始到转换结束，得到稳定数字量的时间。转换率转换率是转换时间的倒数。是转换时间的倒数。25三、三、A/D转换器及其连接转换器及其连接1. A/D转换器分类转换器分类2. A/D转换器与系统的连接转换器与系统的连接26 1. A/D转换器分类转换器分类l 按工作原理分按工作原理分l 按输入方式分按输入方式分l 按输出方式分按输出方式分l 按性能特点分按性能特点分l 按输出是否带三态缓冲分按输出是否带三态缓冲分27l 按模拟量输入方式分按模拟量输入方式分单极性单极性ADC、双极性双极性ADCl 按数字量输出方式分按数字量输出方式分 并行并行ADC、串行串行ADCl

16、按工作原理分按工作原理分计数式计数式ADC、 双积分式双积分式ADC逐次逼近式逐次逼近式ADC、并行式并行式ADC28l 按性能特点分按性能特点分按分辨率分按分辨率分4位、位、6位、位、8位、位、10位、位、12位、位、14位、位、16位、位、 、 、按转换速度分按转换速度分 低速、中速、高速、超高速低速、中速、高速、超高速（转换时间分别为（转换时间分别为1s、1ms、1us、1ns）按转换精度分按转换精度分低精度、中精度、高精度、超高精度低精度、中精度、高精度、超高精度29l 按输出是否带三态缓冲分按输出是否带三态缓冲分带可控三态缓冲带可控三态缓冲ADC 如：如： ADC0809 不带可控三

17、态缓冲不带可控三态缓冲ADC 如：如： AD570、ADC12102. A/D转换器及其连接转换器及其连接 1) A/D转换器的典型信号转换器的典型信号 2) A/D转换器各信号与系统的连接转换器各信号与系统的连接30 1) A/D转换器的典型信号转换器的典型信号A/D转换器转换器模拟量模拟量输入信号输入信号 模拟量输入信号模拟量输入信号A/D转换启动信号转换启动信号 A/D转换启动信号转换启动信号转换完成信号转换完成信号 转换完成转换完成(结束）信号结束）信号数字量输出信号数字量输出信号 数字量输出信号数字量输出信号2) A/D转换器各信号与系统的连接转换器各信号与系统的连接31注意注意A/

18、D转换器允许输入的模拟值范围转换器允许输入的模拟值范围, 不要超出范围不要超出范围 A/D转换器转换器模拟量输入信号模拟量输入信号数字量输出信号数字量输出信号A/D转换启动信号转换启动信号转换完成信号转换完成信号 为充分发挥为充分发挥A/D转换器的分辨率，输入量应与转换量程相称。转换器的分辨率，输入量应与转换量程相称。 模拟量输入信号模拟量输入信号例如例如 某某A/D转换的范围为转换的范围为 010V, 输入的模拟信号为输入的模拟信号为05V， 则应将输入信号放大则应将输入信号放大2倍，再送入倍，再送入A/D 进行转换。进行转换。32 数字量输出信号数字量输出信号r 输出不带可控三态缓冲器的输

19、出不带可控三态缓冲器的ADCr 输出带可控三态缓冲器的输出带可控三态缓冲器的ADCr 输出位数超过微机数据总线的输出位数超过微机数据总线的ADC33PC 总线总线I/O读读 时序时序A15A0CLKIORT4T1T2T3TwD7D0执行执行 IN AL, DX 时时：在在IOR的上升沿控制三态门，的上升沿控制三态门，数字量进入数字量进入CPUr 输出不带可控三态缓冲器的输出不带可控三态缓冲器的ADCPC总总线线IOR不带不带可控三态可控三态ADC模拟量模拟量输输 入入数据线数据线地址线地址线 0 0 地地址址译译码码三三态态门门11数字量输出不能直接与总线相连。数字量输出不能直接与总线相连。需

20、加三态门才能与数据总线相连。需加三态门才能与数据总线相连。34q 输出带可控三态缓冲器的输出带可控三态缓冲器的ADCPC 总线总线I/O读时序读时序A15A0CLKIORT4T1T2T3TwD7D0执行执行 IN AL, DX时时：在在IOR的上升沿打开三态门，的上升沿打开三态门，数字量进入数字量进入CPU数据线数据线带带可控三态可控三态ADC模拟量模拟量输输 入入PC总总线线IOR地地址址译译码码地址线地址线 0 0 11其数字量输出可直接与微机的数据总线相连。其数字量输出可直接与微机的数据总线相连。35r 输出数字量位数超过微机数据总线的输出数字量位数超过微机数据总线的ADCPC总总线线数

21、据线数据线 8位位12位位ADC模拟量模拟量输输 入入12位位?ADC的转换结果不能一次进入的转换结果不能一次进入CPU，需按字节分多次读取。，需按字节分多次读取。36总线总线12位位A/D转转换换器器数据线数据线D7D0模拟量模拟量输输 入入IOR低低8位位三三态态0 0 地地址址译译码码地址线地址线 0 0 高高4位位三三态态低低8位位高高4位位D3D0port_Lport_H1111读取转换结果到读取转换结果到buffer中中:IN Al, port_LMOV buffer, ALIN AL, port_HMOV buffer+1, AL37 A/D转换启动信号转换启动信号8位位DAC寄

22、存器寄存器8位位D/A转换器转换器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE1111118位位输入输入寄存器寄存器q 对对D/A芯片，只要数字信号进入转换电路，芯片，只要数字信号进入转换电路， 就开始就开始D/A转换，无启动信号。转换，无启动信号。38q 对一个连续的模拟信号进行对一个连续的模拟信号进行A/D转换时，转换时，在一个数据转换完成之后，应再发启动信号，在一个数据转换完成之后，应再发启动信号，开始下一个数据的转换。开始下一个数据的转换。q 而而A/D芯片，每进行一次数据转换，芯片，每进行一次数据转换，均受启动信号控制

23、，在启动信号有效之后，均受启动信号控制，在启动信号有效之后，才开始一次才开始一次A/D转换，得到一个数字量。转换，得到一个数字量。A/D转换器转换器模拟量输入信号模拟量输入信号数字量输出信号数字量输出信号A/D转换启动信号转换启动信号转换完成信号转换完成信号39A/D启动信号的形式有电平启动和脉冲启动启动信号的形式有电平启动和脉冲启动 脉冲启动脉冲启动对脉冲启动的对脉冲启动的 ADC，如如ADC0804、ADC0809、ADC1210可用可用CPU执行输出指令时发出的片选信号和写信号组合得到执行输出指令时发出的片选信号和写信号组合得到PC总总线线IOW地地址址译译码码地址线地址线 0 0 11

24、模拟量模拟量输输 入入A/D转换器转换器A/D转换转换启动信号启动信号OUT DX, AL40电平启动电平启动 对电平启动的对电平启动的ADC，如，如AD570、AD571、AD572，该信号必须保持到该信号必须保持到A/D转换结束，中途不能撤除；转换结束，中途不能撤除；否则会停止转换，得到错误结果。否则会停止转换，得到错误结果。CPU可通过并行接口对可通过并行接口对ADC芯片发电平形式的启动信号。芯片发电平形式的启动信号。PC总总线线IOW地地址址译译码码地址线地址线 0 0 11模拟量模拟量输输 入入A/D转换器转换器OUT DX, ALA/D转换转换启动信号启动信号数据线数据线锁锁存存器

25、器41 转换完成转换完成EOC信号信号A/D转换器转换器模拟量输入信号模拟量输入信号数字量输出信号数字量输出信号A/D转换启动信号转换启动信号转换完成信号转换完成信号A/D 转换需要一定时间，转换需要一定时间，在转换完一个数据之后，在转换完一个数据之后， A/D芯片会发出一个转换完成信号。芯片会发出一个转换完成信号。 (相当于输入设备的准备好信号相当于输入设备的准备好信号)42 将将A/D芯片看作一个输入设备，芯片看作一个输入设备， CPU可采用下列可采用下列 四种方法，读取四种方法，读取A/D的转换结果：的转换结果：q 程序延时方式（同步方式）程序延时方式（同步方式）q 程序查询方式程序查询

26、方式q 中断方式中断方式q 等待方式等待方式数字量输出信号数字量输出信号A/D转换器转换器模拟量模拟量输入信号输入信号A/D转换转换启动信号启动信号转换完成信号转换完成信号四种方式对四种方式对EOC信号的处理各不相同信号的处理各不相同43q 程序延时方式（同步方式）程序延时方式（同步方式）A 程序延时方式下，程序延时方式下， 硬件连线上未利用转换完成信号硬件连线上未利用转换完成信号启动启动A/D转换转换读取读取A/D转换结果转换结果延时延时等待等待A/D转换结束转换结束YN转换下一数据转换下一数据?通过查阅手册了解通过查阅手册了解A/D转换一个数据所需时间，转换一个数据所需时间，在在CPU启动

27、启动A/D转换之后，转换之后，执行一个固定延时程序执行一个固定延时程序， 延时应延时应大于等于大于等于A/D的转换时间，的转换时间，然后然后CPU再读取再读取A/D的转换结果的转换结果。44q 程序查询方式程序查询方式PC总总线线IOR地地址址译译码码地址线地址线 0 0 11模拟量模拟量输输 入入A/D转换器转换器IN AL, DXA/D转换转换完成信号完成信号数据线数据线三三态态门门转换完成转换完成EOC信号通过并行端口，送入信号通过并行端口，送入CPU。在在CPU启动启动A/D转换之后，转换之后，CPU不断查询不断查询A/D的转换结束信号，的转换结束信号，一旦该信号有效，一旦该信号有效，

28、 CPU读取读取A/D的转换结果。的转换结果。45启动启动A/D转换转换读取读取A/D转换结果转换结果YNN Y查询查询A/D转换结束转换结束信号是否有效？信号是否有效？转换下一数据转换下一数据?程序查询方式流程程序查询方式流程46r 中断方式中断方式A/D转换器转换器模拟量模拟量输入信号输入信号数字量数字量输出信号输出信号A/D转换转换启动信号启动信号转换完成信号转换完成信号IRQ4PC总线总线用用A/D转换结束信号向微机系统发中断申请，转换结束信号向微机系统发中断申请，CPU采用中断方式读取采用中断方式读取A/D转换结果。转换结果。47主程序主程序发中断结束命令发中断结束命令EOIIRET中断返回中断返回开始开始读取读取A/D转换结果转换结果中断子程中断子程设置中断向量设置中断向量设置设置8259A，允许中断，允许中断STI开中断开中断设置设置8259A，禁止中断，禁止中断返回返回DOSCLI关中断关中断开始开始N启动启动A