高精度AD转换电路的设计

编号：C甲 1028
题目：高分辨率A/D转换电路的设计
（C题）
参赛队员：孟坤朱大鹏朱瑞
参赛学校：山东大学
学院：物理与微电子学院
专业：物理学
赛前辅导老师：陈言俊、秦峰、仪维、王延伟
2006年9月11日
目录
高分辨率A/D转换电路的设计 (4)
Design of the High-resolution A/D Convertor Circuit (4)
1 系统设计 (5)
1.1 设计要求 (5)
1.2 方案比较与论证 (5)
1.2.1 总体方案论证 (5)
1.2.2 系统电源模块方案论证 (8)
1.2.3 模拟信号采集与处理模块方案论证 (10)
1.2.4 AD转换模块方案论证 (11)
1.2.5 数字信号处理与输出模块方案论证 (14)
1.2.6 单片机控制接口部分设计方案论证 (14)
1.3 系统方案设计 (16)
1.3.1 总体设计思路 (16)
1.3.2 设计方案选择 (17)
2 硬件电路设计 (18)
2.1 系统电路供电稳压源 (18)
2.2 精密基准电压源 (18)
2.3 模拟可调电压源 (19)
2.4 信号调理与采样保持电路 (21)
2.5 积分与比较电路 (22)
2.6 时钟信号产生电路 (23)
2.7 计数器与输出接口电路 (23)
2.8 定时器模块 (24)
2.9 单片机最小系统及应用电路 (26)
2.10 键盘模块 (27)
2.11 显示模块 (28)
3 软件设计 (28)
3.1软件总体设计思路 (28)
3.2 中断服务程序 (29)
3.3 动态显示子程序 (30)
3.4 连续转换1s子程序 (31)
3.5 连续显示子程序 (32)
3.6 频率显示子程序 (33)
4 系统分析与理论计算 (34)
4.1 系统工作原理 (34)
4.1.1 系统初始化 (34)
4.1.2 AD转换过程 (34)
4.1.3 测量数据的显示与控制 (35)
4.2 系统误差分析 (36)
4.2.1 系统误差产生的原因 (36)
4.2.2 系统误差的计算 (37)
5 系统测试 (38)
5.1测设环境与条件 (38)
5.2 测试内容 (39)
5.3 测试结果 (40)
6 总结 (40)
高分辨率A/D转换电路的设计
摘要：该高分辨率A/D转换电路采用双积分型转换技术，经采样保持，积分与比较电路完成电压-时间转换，使用计数器，定时器控制转换过程，最终由计数器输出转换结果。

凌阳16位单片机对输出信号进行处理，存储与显示。

模拟电压输入信号由自制0~100mv连续可调电压源产生。

通过光电耦合器实现了测量显示部分与AD转换电路的电气隔离。

语音。

该A/D转换电路具有转换精度高，控制简单等特点。

关键词：A/D转换，双积分，电气隔离，LCD显示
Design of the High-resolution A/D
Convertor Circuit
Abstract：The high-resolution A/D convertor circuit applies the double integral transformation technology, maintaining the converting results after the sampling and holding, voltage integral and comparatoring process, from the voltage - time reversal results; and then outputs the transformation result by the counter. The single-chip microcomputer controller
SPCE061A can carry on processing to the output signal, the memory and the display. The analog input signal will be produced by the self-made 0~100mv continual variable voltage source. The survey demonstration part and the AD converting circuit electrical is isolated through the photoelectricity coupler. This A/D converting circuit has the characteristics of high transformation precision, simple control propertis and so on.
Key words：A/D convert, double integral, electic isolation, LCD display
1 系统设计
1.1 设计要求
设计一个具有高分辨率A/D转换器，实现对模拟电压的测量和显示。

系统组成框图如图1所示。

图 1 高分辨率A/D转换电路功能框图
基本要求如下：
1 采用普通元器件（不允许使用任何专用A/D芯片）设计一个具有15位分辨率的A/D转换电路，转换速度不低于10次/S，线性误差小于1%；
2 设计并制作一个具有测量和显示功能的仪器或装置，将该A/D转换电路的结果显示出来，有转换结束信号，显示器可采用LED或LCD；
3 要求有一个A/D转换结束后的输出信号；
4 自行设计一个可以从0—100mV连续调节的模拟电压信号作为该系统的被测信号源，以便对A/D转换电路的分辨率进行测试。

例如输入100mV电压时显示器显示值不低于32767。

发挥部分要求如下：
1 分辨率为16位，线性误差小于0.5%；
2 转换速度不低于20次/s；
3 将A/D转换电路与测量显示部分实现电气隔离；
4 实现其他功能。

1.2 方案比较与论证
1.2.1 总体方案论证
方案一：采用逐次渐进型模数转换方案。

该方案属于反馈比较型的模数转换，通过DA 转换器输出值与输入模拟信号有次序地进行比较，从而确定输出数字信号的各个位的值。

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原理框图如2所示。

启动转换后，控制逻辑电路首先把逐次比较寄存器（SAR）的最高位置1，其它位置0，SAR中的内容经DA转换器转换后得到的电压值送入比较器中与输入模拟信号Ui进行比较。

比较的结果输出到SAR，并在下一次比较前对最高位进行修正。

接着，在时钟信号驱动下，SAR中次高位置1，SAR中的内容经DA转换器转换后的电压值再次送入比较器中与Ui进行比较，并在下一次比较前对次高位进行修正。

这样SAR中的各位从高到低不断置1，不断的送入DA转换器进行转换，并把转换后值不断送入比较器中与Ui进行比较，通过比较器的输出实现对该位的修正。

当完成SAR中最低位的修正后，AD转换完成，这时SAR中的值即为转换后的数字量。

图 2 逐次渐进型模数转换原理
逐次渐进型模数转换的精度取决于D/A转换器和SAR的位数，位数越高，精度越好，但转换所需的时间也相应递增，N位转换需要N个时钟周期。

该方案转换速度较高，转换时间约为几十微秒，最大转换位数可达18位；同时，其功耗相当低并且功耗可随采样速率而改变。

但逐次渐进型的模数转换对比较器的要求非常高，该题目要求AD转换器达到16位的精度，从而比较器精度需达到0.01mV；考虑到高精度比较器芯片在短时间内难以购买，并且市场有限，该方案的实现有一定难度。

方案二：采用并行比较型模数转换方案。

该方案属于非反馈比较型的模数转换，即为一种直接的转换方式。

其将处理后的模拟电压信号予以量化，并将所得到的所有量化电平与各基准电压分量（由一个总的基准电压源经过电阻串的分压得到）进行并行比较，将比较结果再进行编码，从而给出了相应的数字信号输出。

其原理框图如3所示。

精密分压网络通过2N 只精密电阻将基准电压源按等差递增的方式分压，然后使分压信号同时通过2N个比较器与输入模拟电压信号进行比较，输出比较结果再按一定的逻辑进行编码，生成N位的数字转换信号。

该方案的主要优点在于转换速度快，它大大减少了转换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一时刻得到，因此，在所有的模数转换中，它的转换速度最快。

其缺点是分辨率不高，一般都在10位以下；同时精度较高时，功耗较大。

这主要是受到了电路实现的影响，因为一个N位的并行转换器，需要2N个比较器和分压电阻，当N=10时，比较器的数目就会超过1000个，转换的精度越高，其电路的复杂程度便成倍增加。

图 3 并行比较型模数转换原理
方案三：采用双积分型模数转换方案。

这种方法属于积分型模数转换，是一种经过中间变量间接转换的转换器，通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现模数转换。

其原理框图如4所示。

开始时，计数器与定时器清零，控制逻辑控制模拟开关，将处理后的模拟信号送入积分电路进行积分，同时计数器开始计数。

当计数器计满归零时，定时器置1，控制逻辑使模拟开关合向基准电压源，使积分电路进行反向积分，同时计数器重新计数；随着反向积分过程的进行，其输出值归零时，比较器输出一逻辑电平停止计数器计数，这时计数器的计数值便是所转换成的数字信号，可以送入寄存器或输出。

本方案性能比较稳定，精度较高，可以达到22位，同时转换电路输入端使用了积分器，由于积分电容的作用，所以能够大幅度抑止高频噪声，故抗干扰能力强，并且电路较为简单，易于实现。

但是，该方案转换速度较慢，转换精度随转换速率的增加而降低。

根据题目要求，AD转换的速度需达到20次/秒，考虑该方案，适当提高时钟信号的频率以及各级电路的响应速率便能达到要求。

图 4 双积分型模数转换原理
基于以上论证，选择方案三，既能保证题目要求的精度，又能保证转换的速度，同时电路设计简单，抗干扰能力强。

1.2.2 系统电源模块方案论证
系统电源模块主要分为三部分，第一部分是系统电路供电稳压源，用于电路中芯片等的供电；第二部分是精密基准电压源，用于提供AD转换中的参考电压；第三部分是模拟可调电压源，完成题目中的系统测试功能。

1.2.2.1 系统电路供电稳压源
该系统既包括数字电路部分，也包括模拟电路部分，因而在供电系统设计上须充分考虑两部分的供电要求。

方案一：采用串联反馈式稳压电路，利用输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路放大后去控制调整三极管的集电—发射极间的电压降，从而达到稳定输出电压的目的。

其电路原理图如图5。

此方案能达到一定的稳压精度，同时输出电流较高，但该稳压电路由纯模拟电路搭建而成，对单个器件的要求较为严格，而且在搭建中容易造成电路不稳定。

图 5 串联反馈式稳压电路
方案二：采用三端集成稳压器78XX系列作稳压器件组成稳压电路。

三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。

其内部基准电压不受输入电压波动的影响，并且内部设计了减流式保护电路和过热保护电路，能很好得保证稳压值的稳定。

稳压器应用电路如图6所示。

其正常工作时，稳压器的输入、输出电压差为2~3V，其输出端能够直接输出所需的电压值，并联电阻C1和C2用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入高频干扰，C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。

该方案电路连接简单，采用集成器件使电路稳定性增强，同时稳压精度很好，输出电流为0.1A，可以满足系统供电要求。

＋
－
图 6 三端集成稳压器应用电路
比较以上两种方案，采用方案二作为系统电路供电。

1.2.2.2 精密基准电压源
方案一：利用运算放大器构成可调直流基准电压源。

原理图如7图所示，恒流源D1为稳压管D2供电，稳压管输出电压经过运算放大器负反馈而输出一稳压值。

需要精确地选择R1和R2的值，以及低失调电压，低失调电流，低噪声，低漂移的集成运放以确保输出电压的精度和稳定性。

该方案由于电阻和运放的选取问题，可能造成输出误差，稳定性难以保证。

同时，根据题目要求，基准电压源不需连续可调。

图7 运放构成基准电压源
方案二：采用精密DA转换器构成数控可编程基准电压源，从数字键盘输入的十进制数（即所需输出电压Vo的数值）, 在控制电路的控制下经编码器编码, 变为对应的BCD码，按从高位到低位的次序依次存入存储器，存储器的输出又作为DA转换器的数据输入, 经过转换输出一电压值，再通过运算放大器的处理输出合适的基准电压。

该方法经过DA转换可以得到精度很高的基准电压，但其电路设计较为复杂，同时软件设计需占用一定的单片机资源，模块整体调试费时较多。

方案三：利用基准电压源模拟集成芯片，例如AD588、AD584、TL431。

其外围硬件电路连接简便，应用方便，同时基准电压输出稳定性好，输出电压误差非常低。

TL431精密可调基准电源有如下特点：稳压值从2.5~36V连续可调；参考电压源误差在±1.0%以内，低动态输出电阻，典型值为0.22，欧姆输出电流1.0~100毫安；在适应温度范围内温度特性平坦，典型值为50ppm；低输出电压噪声。

故其非常适合做基准电压源。

基于以上论证，选择方案三，以便于灵活方便得获得高精度高稳定性基准电压源。

1.2.2.3 模拟可调电压源
方案一：使用高精度恒流源串接入一稳定性好的可调电阻器分压输出连续可调的微小电压值。

该方案易于实现，所使用的元器件（精密电阻，电位器，NPN晶体三极管）能方便购买到，也有挑选合适元器件的余地；规模小，易于调试。

但其使用时对各个器件精度要求很高，否则容易产生漂移，造成输出不稳定。

方案二：采用稳压器件对一小电压值稳压，再输入运算放大器组成的比例运算电路实现可调电压值衰减，实现低伏电压值连续可调。

比例运算电路采用串联反馈，其降低了输入电阻，经实验，其会使运算放大器在衰减增益较大时所输出的微小电压值不稳定，易受外界噪声影响。

并且该方案的实现成本较高。

基于以上讨论，采用方案一制作模拟可调电压源。

1.2.3 模拟信号采集与处理模块方案论证
该模块分为信号调理模块和采样保持模块。

经过处理后的模拟信号便可以送入AD转换模块进行转换。

1.2.3.1信号调理模块
由于AD转换电路输入电压为0~100mV，故需要对信号进行前级放大和滤波等处理。

方案一：采用精密仪用放大器AD620对毫伏级的电压信号进行精确放大。

该集成运放不仅放大倍数精确，而且放大电路的接法简便，仅使用一个精密可调电阻接入两个R G端便可以实现1~1000倍的信号放大。

故该运放适合于为该转换器的输入信号进行放大，可以减小产生在信号放大及上的系统误差。

为防止上电噪声信号的干扰和转换器工作时外界的强信号干扰，保护后级电路，在放大器前后均连入合适的旁路电容。

方案二：使用专用的信号调理电路或集成芯片。

考虑到该电路的输入为较小的直流信号，AD转换器对信号也没有特殊的要求，使用集成运放和电容便足以达到题目要求；同时，专用的信号调理电路成本较高。

基于以上讨论，采用方案一经济而且高效地完成该模块功能。

1.2.3.2 采样保持模块
方案一：使用运算放大器和阻容元件搭建采样保持电路，电路原理如图8所示。

该方案电路易于实现，可以根据设计要求灵活地调节电路的参数，方便调试；但与此同时，由于自行焊接阻容元件，其工作时容易对相关电路造成干扰，使系统电路工作不稳定，并且该电路本身的稳定性也难以保证。

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图8 简易采样保持电路
方案二：采用专用的采样保持芯片，如LF298或LF398。

该方案由于使用集成芯片，一方面其自身的稳定性和采样精度可以保证，另一方面对其他电路及芯片的干扰也相对较低。

集成采样保持器LF398，采用了双结型场效应管技术，具有许多优良的特性，如工作电源范围宽，可在供电电压±5V~±18V下工作；电压跟随时间短（<10μs），下降率低；输出电压零点可调；高精度的直流误差(< 0.01%)；低功耗等。

并且其价格低廉，在国内应用非常广泛。

综上考虑，采用方案二，以更好得对输入电压信号进行采样保持。

1.2.4 AD转换模块方案论证
本模块是该电路系统的核心部分，其实现了系统设计的基本要求，包括精密比较器模块，时钟信号模块，积分电路模块，计数器模块和定时器模块等几个部分。

各部分的方案论证如下。

1.2.4.1 时钟信号模块
经估算，要达到题目要求的转换频率，大于20次/s，即每次转换时间不超过50ms，根据
双积分型模数转换原理，所需的时钟频率应在5MHz左右。

方案一：采用单稳态触发器SN74121级联组成高频方波振荡器。

可由三级单稳电路级联组成最高输出频率为7MHz的方波振荡器。

该方案电路组成庞大且较为复杂，振荡电路对外界干扰信号敏感。

方案二：由TTL非门组成简单振荡器。

可构成环形振荡器如图9所示。

经过RC值的调整，该振荡电路频率最高可达到5MHz以上。

但由于阻容元件在长时间工作时会产生一定的误差，故输出频率稳定性不佳。

图9 TTL非门构成环形振荡器
TTL门电路和阻容元件组成的多谐振荡器的优点是电路简单、易于调节。

但是，由于决定振荡频率的主要因素是电路达到转换电平的时间，所以振荡频率的精度和稳定度取决于门电路的阈值电压。

因为阈值电压的离散性，以及易受电源电压和环境温度变化的影响，使振荡频率稳定度通常只有10-2数量级。

方案三：采用TTL门电路组成晶体振荡器。

在对频率精度和稳定度要求高的场合，通常采用晶体振荡器。

石英晶体不但有较高的频率稳定性，而且由于品质因数高，还有极好的选频特性，使频率精度也很高。

在振荡器中采用的石英晶体工作在串联谐振频率上，此时晶体阻抗最小，该频率的信号最容易通过；而对于其他频率的信号，晶体呈现高阻抗。

从而实现了选频振荡，振荡频率稳定。

其组成的电路原理图如图10所示。

选择不同的石英晶体，可以获得1MHz~10MHz的方波输出。

该电路即使不采用其他稳频措施，其稳频度也可达到数量级。

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图10 TTL门电路组成晶体振荡器
基于以上讨论，选择方案三产生精确稳定的时钟信号，供计数器进行精确计数。

1.2.4.2 计数器模块
方案一：利用普通的门电路和触发器搭建一个16位的加法计数器。

该电路控制方便，但
其电路庞大，不能实现系统的集约性，同时容易造成系统的不稳定，不利于调试。

方案二：采用集成二进制同步加法计数器74LS161级联成16位计数器。

74LS161是4位计数器，具有异步清零，同步置数和保持数据等功能。

可以通过进位信号输出端直接级联到下一个4位计数器的计数脉冲输入端，再设置相应的控制端实现16位加法计数功能。

74LS161的输入响应频率的典型值为40MHz，完全可以满足本系统约5MHz的时钟信号输入；同时该方案级联使用方便，电路参数适应范围广。

综上考虑，选择方案二。

1.2.4.3 积分电路模块
方案一：采用普通运算放大器OP07构成积分器。

OP07是低输入失调电压的集成运放，具有低噪声，小温漂等特点。

它的主要技术指标如下：输入失调电压为10μV，输入失调电流为0.7nA，输入失调电压温度系数为0.2μV/℃。

但经实验验证，该运放的调整比较繁琐，而且稳定程度不高。

方案二：采用精密运放AD620构成积分电路。

AD620内部含三级运放，前两级作差动放大，后一级起隔离作用，共模抑制比高,低频响应特性良好，性能稳定；并且可调整输入失调电压，使用方便。

用于积分电路中，可以大大提高积分过程的稳定性，提高AD转换的精度。

由于积分电路是双积分型模数转换电路的核心部分，需要很高的精度和稳定性，故选择方案二。

1.2.4.4 精密比较器模块
方案一：采用集成比较器直接完成电压比较功能，如LM311及LM119、LM219、LM319。

该系列比较器的电源电压是2~36V或±18V，输出电流大，可直接驱动TTL和LED；同时，其速度较快，例如高速双比较器LM319的建立时间为80ns。

但其最大输入失调电压可达到
8mV，最大输入偏置电流为200nA。

LM311的建立时间为200ns，输入失调电压典型值为2 mV，最大输入偏置电流仅有50nA。

方案二：使用精密运算放大器AD620。

AD620是一种低功耗、高精度仪表放大器。

它体积小，为8管脚的SOIC或DIP封装；功耗低，最大供电电流仅为1.3mA。

AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为50μV，最大输入失调电压漂移为lμV /℃，最大输人偏置电流为2.0nA。

在0.1Hz～10Hz范围内输人电压噪声的峰一峰值为0.28μV。

放大倍数为1时其增益带宽为120kHz，建立时间为15μs。

总之，AD620能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标。

综合论证方案一和方案二，又考虑到比较器的建立时间对AD转换精度的影响比较大，可以看出采用专用电压比较器更能符合题目要求，以芯片购买的难易程度决定选择LM311比较器模块，采用方案一。

1.2.4.5 定时器模块
方案一：使用555定时器辅助控制。

555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。

该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、施密特触发器和多谐振荡器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。

在该AD转换电路中，可以使用555
定时器的单稳态工作方式。

当计数器计满时，触发定时器输出一个延时一定的高电平脉冲，使其定时时间长于计数器从0直至计满所需的时间；从而该信号便可作为AD转换结束标志信号和转换初始化控制信号。

该方案辅助了单片机对AD转换电路的控制，同时，由于该定时器应用技术较为成熟，其稳定性也有一定保证，广泛见于各电子市场上。

方案二：直接利用单片机完成定时与控制功能。

将计数器的进位信号接入单片机的一个外部中断端口，当对输入模拟电压信号第一阶段积分完成后，计数器输出一高电平脉冲，由单片机中断查询的该信号，在执行相应的延时；延时结束后对AD转换部分执行读取转换值和初始化控制功能。

该方案可以实现对AD转换过程较为流畅的控制，简化了外围电路，可以达到题目要求；但其不足之处在于，首先，其不利于将来AD转换器的封装使用，用户接口不友好，编程和控制不方便；其次，该方案需占用单片机的一个外部中断源，不利于单片机功能的扩展。

故选择方案一实现定时功能。

1.2.5 数字信号处理与输出模块方案论证
AD转换过程结束后，需要将转换后的结果输出到单片机中进行处理，需要保证数字信号处理与输出的准确性和稳定性；又考虑到题目要求将AD转换电路与测量显示部分实现电气隔离，从而消除单片机测量显示部分与AD转换电路共地而产生的相互影响，数字信号的输出可以首先通过光电耦合器件再接到数字信号接口。

方案一：将计数器的计数并行输出端通过光电耦合器直接同单片机相连。

74LS161具有数据保持功能，计数结束后，单片机接收到AD转换结束的信号，便直接从计数器端读取数据。

由于计数器在其计数的同时并行输出端的值也在不断变化，如果其直接将输出信号经过光电耦合器接入单片机的输入输出口，容易对单片机在不读入数据时的数据处理过程造成影响，也容易对电气隔离元件造成损坏。

方案二：将计数器的计数并行输出端通过光电耦合器接入一个锁存器，其输出端接入单片机的输入输出口，锁存器可由单片机控制信号直接控制。

计数结束后，单片机发出一控制信号使能锁存器锁存信号并由单片机读入进行显示等的处理。

基于以上论证，选择方案二。

1.2.6 单片机控制接口部分设计方案论证
该部分包括AD转换控制接口，人机对话界面接口两个部分。

其中AD转换控制接口可以通过相应的程序代码实现AD转换的连续进行和特殊功能选择；人机对话界面接口包括键盘，显示等部分，可以完成转换结果的显示，AD转换的功能设置等。

其方案论证如下。

1.2.6.1 单片机选型方案
方案一：采用MCS—51系列单片机。

51系列单片机价格便宜，使用简单，开发软件以及硬件调试器型号众多，应用广泛而普遍。

但51系列单片机RAM，ROM等资源少，中断系统功能不丰富，外围模块少；同时，指令周期也较长，运算速度较其他RISC指令系统单片机慢。

方案二：采用PIC18F4620单片机。

PIC18F4620采用哈佛结构，以及RISC指令系统，其具有丰富的I/O口资源，1K容量RAM，64K的FLASH，内置A/D和EEPROM，看门狗电路，。