A/D轉(zhuǎn)換器工作原理

A/D轉(zhuǎn)換就是要將模擬量V（如V=5V）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D（如D=255）。模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的型式較多，如計(jì)數(shù)比較型、逐次逼近型、雙積分型等等。在集成電路器件中普遍采用逐次逼近型，現(xiàn)簡要介紹逐次逼近型A/D的基本工作原理。

圖為逐次逼近型的結(jié)構(gòu)圖。這種A/D轉(zhuǎn)換器是以D/A轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)，加上比較器、逐次逼近寄存器、置數(shù)選擇邏輯電路及時(shí)鐘等組成。其轉(zhuǎn)換原理如下。

在啟動(dòng)信號控制下，首先置數(shù)選擇邏輯電路，給逐次逼近寄存器最高位置“1”，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量后與輸入模擬量進(jìn)行比較，電壓比較器給出比較結(jié)果。如果輸入量大于或等于經(jīng)D/A變換后輸出的量，則比較器為1，否則為0，置數(shù)選擇邏輯電路根據(jù)比較器輸出的結(jié)果，修改逐次逼近寄存器中的內(nèi)容，使其經(jīng)D/A變換后的模擬量逐次逼近輸入模擬量。這樣經(jīng)過若干次修改后的數(shù)字量，便是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的量。

現(xiàn)逼近型A/D大多采用二分搜索法，即首先取允許電壓最大范圍的1/2值與輸入電壓值進(jìn)行比較，也就是首先最高為“1”，其余位為“0”。如果搜索值在此范圍內(nèi)，則再取范圍的1/2值，即次高位置“1”。如果搜索值不在此范圍內(nèi)，則應(yīng)以搜索值的最大允許輸入電壓值的另外1/2范圍，即最高位為“0”，依次進(jìn)行下去，每次比較將搜索范圍縮小1/2，具有n位的A/D變換，經(jīng)n次比較，即可得到結(jié)果。逐次逼近法變換速度較快，所以集成化的A/D芯片多采用上述方法。

由圖可知，A/D轉(zhuǎn)換需外部啟動(dòng)控制信號才能進(jìn)行，分為脈沖啟動(dòng)和電平啟動(dòng)兩種，使用脈沖啟動(dòng)的芯片有ADC0804、ADC0809、ADC1210等。使用電平啟動(dòng)的芯片有ADC570、ADC571、ADC572等。這一啟動(dòng)信號由CPU提供，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器被啟動(dòng)后，通過二分搜索法經(jīng)n次比較后，逐次逼近寄存器的內(nèi)容才是轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量。因此，必須在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后才能從逐次逼近寄存器中取出數(shù)字量。為此D/A芯片專門設(shè)置了轉(zhuǎn)換結(jié)束信號引腳，向CPU發(fā)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，通知CPU讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，CPU可以通過中斷或查詢方式檢測A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，并從A/D芯片的數(shù)據(jù)寄存器（即圖10-9中逐次逼近寄存器）中取出數(shù)字量。

A/D轉(zhuǎn)換電路圖設(shè)計(jì)（一）

ICL7109的接口電路較強(qiáng)，輸出為12位二進(jìn)制數(shù)。其特點(diǎn)是：可與TTL電路兼容；具有三態(tài)控制輸出；有通用信號控制端，可方便監(jiān)視轉(zhuǎn)換；有極性和溢出位；片內(nèi)有振蕩器，UART異步收發(fā)數(shù)據(jù)交換；可串行、并行接口；差分輸入，差分基準(zhǔn)電壓使其具有較低噪聲和較小誤差；帶有防靜電保護(hù)功能；類似型號有TSC7109，ADC7109。模擬部分接線圖：

A/D轉(zhuǎn)換電路圖設(shè)計(jì)（二）

通常A/D轉(zhuǎn)換都需使用A/D轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)，MC9S12XS128MAL是飛思卡爾公司HCS12系列16位單片機(jī)中的一種，它有8kB的RAM、128kB的片內(nèi)閃存（FlashEEPROM）、2kB的電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）及多種功能的接口，MC9S12XS128內(nèi)置的A/D模塊是16通道、12位精度、多路輸入復(fù)用、逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，故可省去使用A/D轉(zhuǎn)換芯片而設(shè)計(jì)的硬件電路，可降低成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。但單片機(jī)的模擬輸入端只能接受單極正向模擬信號，不能直接進(jìn)行雙極模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，為此必須把雙極模擬信號轉(zhuǎn)換成單極正向模擬信號。在一般的設(shè)計(jì)中，常常要把形如-ui-+ui的雙極型模擬信號通過電位平移電路轉(zhuǎn)換成0～5V單極信號，而這種平移電路會(huì)使得A/D轉(zhuǎn)換的精度降低一倍，而且穩(wěn)定性也降低。而文中采用對稱電路設(shè)計(jì)，使得單片機(jī)可接收的A/D信號由0～5V擴(kuò)大到-5～+5V，A/D轉(zhuǎn)換的量程擴(kuò)大了1倍，穩(wěn)定性也大幅提高。

電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原理

當(dāng)輸入的信號經(jīng)放大電路放大后，若信號為正，則二極管1截止，信號無損失地從AD0口輸入，同時(shí)正的信號經(jīng)反相器反相后變成負(fù)的信號，二極管2導(dǎo)通，所以AD1口接收到的信號為二極管2的正向?qū)▔航档呢?fù)值，只要這個(gè)負(fù)值電壓的幅度小于A/D口輸入的允許值，則由此口采集的A/D值就為0，因此在這種情況下的A/D值就是AD0口的值;

反之，當(dāng)輸入的信號為負(fù)值時(shí)，二極管1導(dǎo)通，AD0口接收的數(shù)據(jù)為0，而經(jīng)反相器反相后的信號為正，二極管2截止，AD1口接收數(shù)據(jù)。

若AD=AD0-AD1，當(dāng)信號為正時(shí)，AD=AD0-0，為正;當(dāng)信號為負(fù)時(shí)，AD=0-AD1，為負(fù)。此時(shí)，AD可接收的數(shù)據(jù)由原來的0～5V擴(kuò)展為-5～+5V。

二極管的選擇

若從線性度考慮，應(yīng)該選擇正向壓降高的二極管，例如1N4007。但1N4007的正向壓降約為0.7V，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，對應(yīng)的A/D口所接收到的信號為-0.7V，這會(huì)燒毀單片機(jī)，所以從安全性考慮應(yīng)該選擇壓降較低的二極管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。PMEG2010的壓降約為0.1V，1N60的壓降約為0.2～0.3V，均能保護(hù)好單片機(jī)不被燒壞。在安全性的前提下，分別測量數(shù)據(jù)分析二極管的線性度。

a/d轉(zhuǎn)換電路圖設(shè)計(jì)（三）

D/A轉(zhuǎn)換電路由‘DAC0832及運(yùn)算放大器LM358等組成，有兩個(gè)糟出通道，采用單極性電壓輸出。數(shù)字輸出范圍為：OOH—FFH，對應(yīng)電壓輸出范圍為；O—5v。對電阻爐的溫度進(jìn)行控制，其中5v對應(yīng)200℃．ov對應(yīng)0℃。DAC0832的地址為288H～28BH，參考電壓接穩(wěn)壓塊7805的輸出+5v，前一級運(yùn)算放大器輸出為0～-5v．第二級運(yùn)算放大器輸出為0—+5v。

A/D轉(zhuǎn)換電路圖設(shè)計(jì)（四）

給大家提供一種實(shí)用的用普通單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換電路，它只需要使用普通單片機(jī)的2個(gè)I/O腳與1個(gè)運(yùn)算放大器即可實(shí)現(xiàn)，而且它可以很容易地?cái)U(kuò)展成帶有4通道A/D轉(zhuǎn)換功能，由于它占用資源很少，成本很低，其A/D轉(zhuǎn)換精度可達(dá)到8位或更高，因此很具有實(shí)用價(jià)值。

電路如圖所示：

其工作原理說明如下：

1、硬件說明：

圖一中“RA0”和“RA1”為單片機(jī)的兩個(gè)I/O腳，分別將其設(shè)置為輸出與輸入狀態(tài)，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，在程序中通過軟件產(chǎn)生PWM，由RA0腳送出預(yù)設(shè)占空比的PWM波形。RA1腳用于檢測比較器輸出端的狀態(tài)。

R1、C1構(gòu)成濾波電路，對RA0腳送出的PWM波形進(jìn)行平滑濾波。RA0輸出的PWM波形經(jīng)過R1、C1濾波并延時(shí)后，在U1點(diǎn)產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓值，其電壓值U1=VDD*D1/（D1+D2），若單片機(jī)的工作電壓為穩(wěn)定的+5V，則U1=5V*D1/（D1+D2）。

圖一中的LM324作為比較器使用，其輸入負(fù)端的U1電壓與輸入正端的模擬量電壓值進(jìn)行比較，當(dāng)U1大于模擬量輸入電壓時(shí)，比較器的輸出端為低電平，反之為高電平。

2、A/D轉(zhuǎn)換過程：

如果使RA0輸出PWM波形，其占空比由小到大逐漸變化，則U1的電壓會(huì)由小到大逐漸變化，當(dāng)U1電壓超過被測電壓時(shí)，比較器的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑虼丝梢哉J(rèn)為在該變化的瞬間被測的模擬量與U1的電壓相等。

由于U1的電壓值=VDD*D1/（D1+D2），當(dāng)VDD固定時(shí)，其電壓值取決于PWM波形的占空比，而PWM的占空比由單片機(jī)軟件內(nèi)部用于控制PWM輸出的寄存器值決定，若軟件中用1個(gè)8位寄存器A來存放RA0輸出的PWM的占空比值D1，因此在RA1檢測到由“1”變?yōu)椤?”的瞬間，A寄存器的值D1即為被測電壓的A/D轉(zhuǎn)換值，其A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為8位。如果用16位寄存器來作輸出PWM的占空比，則A/D轉(zhuǎn)換值可達(dá)到16位。

A/D轉(zhuǎn)換電路圖設(shè)計(jì)（五）

本次設(shè)計(jì)選用高性能7/2位A/D轉(zhuǎn)換器件MC14433，其片內(nèi)含有振蕩器，只要外接兩只電容和兩只電阻即可，在此選其輸出量程為199.9mV。MC14433的輸出信號端中Q0～Q3為BCD碼數(shù)據(jù)輸出端，DS1～DS4分別是千位、百位、十位和個(gè)位數(shù)的輸出選通信號。通過調(diào)節(jié)電阻R的阻值可以使得MC14433的輸出BCD碼與輸入電壓相同。其中MC1403是精密電源為MC14433提供可靠的參考電壓。