《电气测试技术第5版》 课件 5.8 AD转换原理、器件及应用

02December20245.8A/D转换原理、器件及应用5.8.1双积分式A/D转换原理、器件及应用5.8.2逐位逼近式A/D转换原理、器件及应用5.8.3U/F转换原理及常用器件5.8.4A/D转换器的一般选择原则02December20245.8.1双积分式A/D转换原理、器件及应用微机或数字仪表输出的数字量必须转换成模拟量输出，才能送给模拟执行机构去实现控制。完成模拟量到数字量的转换器件称为模数转换器，简称A/D转换器。根据转换原理，A/D转换可分为两大类：直接变换型和间接变换型。直接变换型将输入的模拟电压直接转换成数字代码；间接变换型将输入模拟电压转换成中间变量（如，时间、频率、脉冲宽度等），然后，把中间变量转换成数字代码。02December2024双各分式A/D转换采用间接转换技术，其原理框图见图5-42。其转换过程简述如下：首先，逻辑控制器发出t0脉冲，清零计数器和寄存器，同时断开S1~S3和S4、S5闭合，积分电容放电至零电荷。逻辑控制器发出t1脉冲，S2~S5断开，S1闭合，对被测电压UX进行积分。同时令计器开始对f0定时计算。积分器输出电压U0为：当计算器溢出时，积分时间为T1，T1为定值。此称为采样阶段，见图5－42。图5-42双积分式A/D转换原理框图双积分式A/D转换原理：02December2024双积分式A/D转换原理：逻辑控制器发出t2脉冲令计数器和寄存器清零，S1和S3~S5断开。积分器对基准电压UN积分。同时令计数器又开始计数。积分器输出电压为：当积分器输出过零时，逻辑控制器令计数器停止计数。此为测量阶段。此阶段时间T2为，见图5-42。由于积分器由零开始积分又回到零，因此

，由式（5-32）和式（5-33）得：

02December2024双积分式A/D转换原理：设T1期间计数器计数值为N1；T2期间计数值N2；时钟脉冲频率为f0，则N1=T1f0，N2=T2f0，代入式（5-34）得：由上式可见，N2正比于被测电压Ux在一个周期内的平值

。由上式可见，若采样时间

是交流干扰信号周期的整数倍，双积分A/D转换器对干扰信号具有无穷大的抗干扰能力。这是双积分式A/D的突出优点，其缺点是转换时间较长，一般大于40ms，不适用于被测信号频率较高的场合，而对于直流或缓变信号，得到广泛应用。02December2024双积分式A/D转换器件及应用双积分式A/D转换芯片的品种很多。BCD码输出的常用芯片有：

位有MC14433（CC14433、5G14433）；

位有ICL7135（CH7135、TSC7135、5G7135）和CH295；

位有CC7555等。二进制码输出的常用芯片有ICL7109（12位）和ICL7104（16位）等。以上芯片能方便地与单片机接口组成智能化仪表。此外，还有许多带BCD-七段译码、驱动功能的芯片，其输出可直接驱动LED或LCD显示，简化了硬件电路，其中，

位有ICL7106/7107/7136；

位的有ICL7129等。这类芯片不便与微机接口，但是，与LED或LCD组成数字电压表却具有线路简单、工作可靠的突出优点。02December20241.MC14433A/D转换器

国产型号是5G14433，是广泛使用的最典型双积分A/D转换器。具有抗干扰能力强，精度高（相当于11位二进制数），自动校零，自动极性输出，自动量程控制信号输出，动态字位扫描BCD码输出，单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。MC14433为24脚双列直插式，其引脚功能，见图5-43。图5-43MC14433引脚功能02December2024图5-44MC14433外部电路和典型连接图5-45位数字电压表原理图5-46是MC14433与8031单片机的接口电路02December20242.MC7135A/D转换器

国外产品有ICL7135、5G7135、AD7135、CH7136、TSC7135等，可以互换使用。是目前国内市场上广泛流行的单片集成

位双积分式A/D转换器。具有精度高（相当于14位二进制数），自动校零，自动极性输出，动态字位扫描BCD码输出，单基准电压，自动量程控制信号输出，输入阻抗高，价格低廉等特点。因此得到广泛的应用。图5-47为5G7135的外引脚功能图。图5-475G7135引脚功能02December2024图5-49MC7135外接时钟电路图5-48MC7135外部连接图5-504.5位数字电压表原理图图5-51MC7153单片机与8031的接口电路02December20243.ICL7106A/D转换器ICL7106是美国哈里斯（Harris）公司生产的双积分式

位A/D转换器，其它公司生产的7106产品可以互换使用。7106内含

位A/D转换器、BCD-7段译码器、时钟电路、参考电压和LCD驱动电路，因此可直接和液晶显示器相连。7106的量程为2.000V或200mV，可根据需要选择。7106是40脚双列直插式封装，其引脚功能见图5-52a。图5-52ICL7106引脚功能及与LCD接法02December20244.ICL7107A/D转换器

ICL7107也是双积分型

位A/D转换器，它具有A/D转换、BCD—七段译码和驱动、锁存功能。它与ICL7106基本相同。不同之处如下：1）7106一般用单电源（+9V），7107一般用双电源（多为±5V）。2）7106输出级为异或门结构，适合于驱动LCD显示器，7107输出级为大电流反相器，适合于驱动LED显示器。02December20245.8.2逐位逼近式A/D转换原理、器件及应用5.8.2.1逐位逼近式A/D转换原理

逐次逼近式A/D转换器是反馈一比较式转换器，采用零位测量方式，即用已知标准量逐步逼近被测量，最后二者之差趋向于零。其原理框图见图5-53。工作过程如下：在起动脉冲作用下，逻辑控制器发指令对寄存器和A/D转换器清零。紧接着对寄存器最高位Dn-1位置“1”，经D/A转换成模拟电压Ua。

Ua与被测电压Ux比较，若Ux＞

Ua比较器输出高电平，逻辑控制器输出保留Dn-1位的“1”；若

Ux<Ua，则逻辑控制器输出使Dn-1位复查。02December2024逻辑控制器输出令Dn-2位置“1”，让Dn-1和Dn-2位一起进行D/A转换成

。若

Ux＞

Ua，逻辑控制器输出保留Dn-2位的“1”；若Dn-1=1，则Dn-1、Dn-2=11；若Dn-1已复零，则Dn-1、Dn-2=01。若

Ux<Ua，则逻辑控制器输出使Dn-2位复零。若Dn-1=1，则Dn-1Dn-2=10；若Dn-1=0，则Dn-1Dn-2=00。逻辑控制器输出令Dn-3置位“1”，按上述方法比较，一直到D0位比较完毕，并决定是保留D0的“1”或复位D0位为止，一次转换完毕。比较完毕后，N位输出寄存器中的数字量即为UX

数字量，此时，UX≈Ua，仍有微小的差值即为A/D转换器的分辨率。逐位比较型A/D转换器的比较过程是从最高位开始，逐位地向最低位进行比较，直到最低位比较完毕。逐位比较型A/D转换器的优点是转换速度快，由于它是对瞬时值进行比较的，因此，其抗干扰能力较差。02December20245.8.2.2逐位逼近A/D转换器件及应用逐位逼近式A/D转换器的品种规格繁多，其中8位二进制数据输出的有：ADC0801~ADC0809，ADC0816、ADC0817、ADC7574、ADC750等。10位以上二进制数据输出的有：AD7570、AD574、AD572、ADC1210/1211、AD578、AD679/1679等。02December20241.常用8位ADC芯片的特性及应用ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804和ADC0805有相同的内部结构和管脚排列以及封装。它们的差别仅在于精度不同。以ADC0801为例，其引脚排列见图5-54a。图5-54ADC0801~ADC0805引脚功能和与8031接口电路a)引脚功能b)与8031接口电路02December2024ADC0808和ADC0809ADC0808和ADC0809的外部封装、引脚排列和功能、内部结构和工作原理均相同，除精度不同外，其它参数也相同。其引脚排列见图5-55。图5-55ADC0808/0809的引脚功能02December2024图5-56ADC0809与8031组成数据采集系统原理02December20242.10位以上逐位逼近型ADC芯片的特性及应用10位以上逐位逼近型ADC芯片的品种很多。下面以AD574系列为例介绍10位以上芯片的性能及与单片机的接口方法。图5-57AD574系列ADC引脚功能02December2024图5-58AD574系列ADC典型接法02December2024图5-59AD574与8031接口电路02December20245.8.3U/F转换原理及常用器件U/F转换器是把电压转换为频率信号的器件。它具有精度高，线性度好，应用电路简单，对外围器件性能要求不严格，价格便宜，便于与微机接口等优点，因此应用广泛。U/F转换器的品种繁多，例如，ADVF32、AD537、AD458、AD651、AD654、LM131/231/331、VFC32/42/52/62、VFC100和VFC320等。02December20245.8.3.1U/F转换原理实现U/F转换的方法很多，在U/F转换集成芯片中，目前多数采用电荷平衡转换原理，见5-60。图a为原理框图；图b为输出波形。由图可见，它由积分器、零比较器、恒流源、单稳定时器和模拟开关组成。它可被看作是一个振荡频率f0

受被测电压Ui控制的振荡器。图5-60U/F转换原理02December20245.8.3.2U/F转换器件及其典型接法VFC32转换器的特性及其典型接法图5-61VFC32的引脚功能图5-62VFC32的典型接法02December20242.LMX31系列U/F转换器及其典型接法图5-63LMX31系列U/F转换器02December20243.AD650U/F转换器的特性及其典型接法图5-64AD650的典型接法02December20245.8.3.3U/F转换器与单片机的接口U/F转换器与单片机之间直接连接和利用光耦合器隔离连接方法，见图5-65。图a为直接连接，比较简单。图b为采用光电隔离方法连接，适用电源干扰大、模拟部分容易产生电气干扰的场合。图5-65U/F转换器与单处机常用接口方法02December2024图5-66VFC32与8031接口电器02December20245