8.2　A/D转换器

8.2　A/D转换器

8.2.1　采样定理

在A/D转换中，因为输入的模拟量在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散量，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间（亦即瞬间坐标轴上的一些规定点）对输入的模拟信号进行采样，然后再把这些采样值转换为输出的数字量。为了保证能从采样信号将原来的被采样信号恢复，必须满足fs＞2fimax，其中，fs为采样频率；fimax为ui的最高频分量的频率。

A/D转换过程应包括：采样、保持、量化、编码这四个步骤。

1.保持

在采样过程中，采用硬件电路，保持在断开瞬间的值不变。

2.量化和编码

数字信号不仅在时间上是离散的，而且，数值大小的变化也是不连续的。这就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。因此，在进行A/D转换时也必须把采样电压化为这个最小单位的整数倍。这个转化过程叫量化，所取的最少数量单位叫作量化单位。

把量化的结果用二进制代码表示出来，称为编码。

8.2.2　A/D转换器的分类

简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次比较型（逐次逼近型）、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。

1.积分型（如TLC7135）

积分型A/D转换器的工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时/计数器获得数字值。

其优点是用简单电路就能获得高分辨率。

其缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片A/D转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。

2.逐次比较型（如TLC0831）

逐次比较型A/D转换器由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。

其优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（＜12位）时价格便宜，但高精度（＞12位）时价格很高。

3.并行比较型（如TLC5510）

并行比较型A/D转换器采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称Flash（快速）型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频A/D转换器等速度特别高的领域。

4.Σ-Δ调制型（如AD7705）

Σ-Δ型A/D转换器由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。Σ-Δ型A/D转换器主要用于音频和测量中。

5.电容阵列逐次比较型

电容阵列逐次比较型A/D转换器在内置D/A转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列D/A转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片A/D转换器。最近的逐次比较型A/D转换器大多为电容阵列式的。

6.压频变换型（如AD650）

压频变换型（Voltage-Frequency Converter）A/D转换器是通过间接转换方式实现模/数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种A/D转换器的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成A/D转换。

8.2.3　A/D转换器的主要技术指标

A/D转换器的主要技术指标见表8-1。

表8-1　A/D转换器技术指标

8.2.4　ADC0809

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路模拟开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次比较型A/D转换器，是目前应用比较广泛的A/D转换芯片之一，主要适用于对精度和采样速率要求不高的场合或一般的工业控制领域，可以和单片机直接相连。它具有8个通道的模拟量输入线，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换得到8位二进制数字量。

1.主要技术指标和特性

（1）分辨率：8位。

（2）总的不可调误差：为±1LSB。

（3）转换时间：取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。

（4）单一电源：+5 V。

（5）模拟输入电压范围：单极性0～5 V；双极性±5 V、±10 V（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。

（9）外接时钟频率：10kHz～1.2MHz。一般为640kHz。

（10）转换时间：100μs。

（11）功耗：15mW。(https://www.daowen.com)

2.ADC0809外部引脚

ADC0809引脚图如图8-3所示。

图8-3　ADC0809引脚图

ADC0809对输入模拟量的要求：信号单极性，电压范围为0～5 V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路，即采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值，并在A/D转换期间保持输出电压不变，以供模/数转换。

各引脚功能如下：

（1）模拟信号输入IN0～IN7（26～28、1～5脚）：IN0～IN7为八路模拟电压输入线，加在模拟开关上，通过A、B、C三个地址译码来选通。

（2）地址输入和控制线。

①　A、B和C为地址输入线（23～25脚），用于选择IN0～IN7上哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。

②　ALE（22脚）为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，A、B和C三条地址线上地址信号得以锁存，经译码器控制八路模拟开关通路工作，上升沿有效。通道选择见表8-2。

表8-2　八路模拟开关通路

（3）数字量输出及控制线共11条。

①　START（或ST）（6脚）为“启动脉冲”输入线，上升沿清零，下降沿启动ADC0809工作，最小脉冲宽度与ALE信号相同。

②　EOC（7脚）为转换结束输出线，该线高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”，常用来作为中断请求信号。

③　D0～D7（17、14、15、8、18～21脚）为数字量输出线，D7为最高位，D0为最低位。

④　OE（9脚）为“输出允许”线，高电平有效。ADC0809接到此信号时，其三态输出端与CPU数据总线接通，后者可将数据取走。

（4）电源线及其他。

①　CLK（10脚）为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需，一般为640kHz时钟脉冲。

②　VCC（11脚）为电源输入线，典型的输入电压为+5 V。

③　GND（13脚）为地线。

④　VREF（+）、VREF（-）为正、负参考电压输入端（12、16脚），用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VREF（+）=5 V，VREF（-）=0 V；双极性输入时，VREF（+）、VREF（-）分别接正、负极性的参考电压。

3.ADC0809的内部逻辑结构

ADC0809的内部逻辑结构如图8-4所示，它主要由三部分组成。第一部分：模拟输入选择部分，包括一个8路模拟开关、一个地址锁存译码电路。输入的3位通道地址信号由锁存器锁存，经译码电路后控制模拟开关选择相应的模拟输入。第二部分：转换器部分，主要包括比较器、8位A/D转换器、逐次逼近寄存器SAR、电阻网络以及控制逻辑电路等。第三部分：输出部分，包括一个8位三态输出锁存器，可直接与CPU数据总线接口。

由于芯片性能特点是一个逐次逼近型的A/D转换器，外部供给基准电压；分辨率为8位，带有三态输出锁存器，转换结束时，可由CPU打开三态门，读出8位的转换结果；有8个模拟量的输入端，可引入8路待转换的模拟量。ADC0809的数据输出结构是内部有可控的三态输出锁存器，所以它的数字量输出信号线可以与系统的数据总线直接相连。内部的三态输出锁存器由OE控制，当OE为高电平时，三态输出锁存器打开，将转换结果送出；当OE为低电平时，三态输出锁存器处于阻断状态，内部数据对外部的数据总线没有影响。因此，在实际应用中，如果转换结束，要读取转换结果则只要在OE引脚上加一个正脉冲，ADC0809就会将转换结果送到数据总线上。

图8-4　ADC0809内部逻辑结构图

4.ADC0809的时序

ADC0809的时序图如图8-5所示。从时序图可以看出ADC0809的启动信号START是脉冲信号，也即此芯片是靠脉冲启动的。当模拟量送至某一通道后，由三位地址信号译码选择，地址信号由地址锁存允许信号ALE锁存。启动脉冲START到来后，ADC0809就开始进行转换。启动正脉冲的宽度应大于200ns，其上升沿复位逐次逼近SAR，其下降沿才真正开始转换。START在上升沿后2μs再加上8个时钟周期的时间，EOC才变为低电平。当转换完成后，输出转换信号EOC由低电平变为高电平有效信号。输出允许信号OE打开三态输出锁存器的门，把转换结果送到数据总线上。

8.2.5　ADC0809与单片机的接口电路

ADC0809与MCS-51单片机的接口电路主要涉及两个问题：一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。在讨论此接口设计之前，应先了解单片机是如何控制ADC的问题。

由于MCS-51单片机受到引脚数目的限制，数据线和低8位地址线是复用的，由P0口线兼用。为了将它们分离出来，需要在单片机外部增加地址锁存器，从而构成与一般CPU相类似的片外三总线：地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB），如图8-6所示。目前常用的地址锁存器芯片有：74LS373、74LS8282、74LS573等。在实际应用中，先把低8位的地址送锁存器暂存，地址锁存器的输出给系统提供低8位的地址，而把P0口作为数据线使用。以P2口的口线作为高位地址线，如使用P2口的全部8位口线，再加上P0口提供的低8位地址，便形成了完整的16位地址总线，使单片机系统的寻址范围达到64KB。

图8-5　ADC0809的时序图

图8-6　MCS-51扩展的三总线

在扩展系统中还需要一些控制信号线，以构成扩展系统的控制总线。这些信号有的是引脚的第一功能，有的是P3口的第二功能信号，主要包括：使用ALE信号作为低8位地址的锁存控制信号；以信号作为内外程序存储器的选择控制信号，时，访问片内程序存储器，时，访问片外程序存储器；由和信号作为扩展数据存储器和I/O的读选通和写选通信号；以信号作为扩展程序存储器的读选通信号用来接外扩EPROM的引脚。

总的来说，单片机控制ADC0809的工作过程是：首先用指令选择ADC0809的一个模拟输入通道，单片机的信号有效，因此产生一个启动信号，给START引脚送入脉冲，开始对已选中的通道进行转换。

转换结束后，ADC0809发出转换结束EOC信号，即通过检查EOC引脚的电平即可，高电平时转换结束。此信号供单片机查询，也可以反向后作为向单片机发出的中断请求信号。单片机发出读控制信号，端为高电平，允许输出，把转换完的数字量读到累加器A中。A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

由上述可知，单片机控制ADC时，可采用查询和中断控制两种方式。

查询方式时，A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，即ADC0809的EOC端。启动A/D转换后，执行别的程序，同时对EOC引脚的状态进行查询，以检查转换是否完成，若查询到变换已经完成就接着进行数据传送。

中断方式是在启动信号送到ADC后，单片机执行别的程序。ADC0809转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据。此方式效率高，特别适合于变换时间较长的ADC。