微机原理实验逐次比较式ADC

实验三 逐次比较式A/D 转换器0809的原理及编程
一、实验目的
1. 熟悉逐次逼近式A/D 转换器芯片的工作原理。

2. 了解A/D 转换芯片0809的接口设计方法。

3. 掌握A/D 转换器0809简单的应用编程。

二、实验任务
1. 分析本实验模板的电路原理，它与EPP 接口数据传送的方法，所使用的端口地址。

2. 编写出逐次逼近式A/D 转换器芯片0809的转换与显示的控制程序。

三、实验原理
1．电路组成及转换原理
ADC0809是带有8位A/D 转换器、8路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS 组件。

8位A/D 转换器的转换方法为逐次逼近法。

在A/D 转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关数组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近的寄存器。

8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号。

其原理图如图3－1所示。

8通道多路模拟开关
5432
1282726
252423
22地址锁存器和译码器
W 1W 2
逐次逼近型寄存器
SAR
控制逻辑
开关树组
256R 电阻分压器
6
10
V x V c
7
输出缓冲锁存器
三态21
2019188151417
916
11
13
12
模拟量输入
A B C ALE 地址选择
地址锁存允许
V cc GND V REF(+)V REF(-)
ENABLE
数字量输出
转换结束（中断）EOC
START
CLOCK
D7D6D5D4D3D2D1D0
IN 7IN 6IN 5IN 4IN 3IN 2IN 1IN 0
图3－1 ADC0809内部原理图
从图中可以看出，ADC0809由两部分组成，第一部分为八通道多路模拟开关，控制C 、B 、A 和地址锁存允许端子，可使其中一个通道被选中。

第二部分为一个逐次逼近型A/D 转换器，它由比较器、控制逻辑、输出锁存缓冲器、逐次逼近寄存器以及开关数组和256R 梯型解码网络组成，由后两种电路（开关数组和256R 梯型电阻）组成D/A 转换器。

控制逻辑用来控制逐次逼近寄存器从高位到低位逐次取“1”，然后将此数字量送到开关数组（8位开关），以控制开关K7～K0是否与参考电压相连。

参考电压经256R 梯型电阻输出一个模拟电压Vc ，Vc 与输入模拟量Vx 在比较器中进行比较。

当Vc>Vx 时，该位Di ＝0；若Vc ≤Vx ，则Di=1。

因此，从D7～D0比较8次，逐次逼近寄存器中的数字量，即与模拟量Vx 所相当的数字量相等。

此数字量送入输出寄存器，并同时发出转换结束信号。

2．ADC0809的引脚功能
ADC0809的引脚，如图3－2所示。

ADC0809123
456
78910111213142827
262524
232221201918171615
IN2
IN1IN0ADDA ADDB ADDC ALE D7D6D5D4D0V REF(-)D2
IN3IN4IN5IN6IN7START EOC D3 ENEBLE CLOCK
V cc V REF(+)GND D1
图3－2 ADC0809引脚图
图5－2所示各引脚功能如下：
⑴ IN7～IN0：八个模拟量输入端。

⑵ START ：启动A/D 转换，当START 为高电平时，A/D 转换开始。

⑶ EOC ：转换结束信号。

当A/D 转换结束后，发出一个正脉冲，表示A/D 转换完毕。

此信号可用作A/D 转换是否完成的检测信号或向CPU 申请中断的信号（需加一级反相器）。

⑷ OUTPUT ENABLE ：输出允许信号。

当此信号被选中时，允许从A/D 转换器的锁存器中读取数字量。

此信号即为ADC0809的片选信号，高电平有效。

⑸ CLOCK ：实时时钟，可通过外接RC 电路改变时钟频率。

⑹ ALE ：地址锁存允许，高电平有效。

当ALE 为高电平时，允许C 、B 、A 所示的通道被选中，并把该通道的模拟量接入A/D 转换器。

⑺ ADDA 、ADDB 、ADDC ：通道号端子，C 为最高位，A 为最低位。

⑻ D7～D0：数字量输出端。

⑼ Vref(＋)，Vref(－)：参考电压端子，用来提供D/A 转换器权电阻的标准电平。

一般Vref(＋)=＋5V ，Vref(－)=0V 。

⑽ Vcc ：电源电压，接＋5V 。

⑾ GND ：接地端。

ADC0809的主要性能如下： ⑴ 分辨率为8位。

⑵ 总的不可调误差为±1LSB 。

⑶ 工作时钟典型值为640KHZ ，转换时间约为100µs 。

⑷ 采用单＋5V 电源。

⑸ 模拟量的输入电平范围为0～5V ，不需要零点和满度调节。

⑹ 具有8通道闩锁开关控制，可以直接接入8个单端模拟量。

⑺ 数字量输出采用三态逻辑，输出符合TTL 电平。

⑻ 低功耗为15mW 。

⑼ 温度范围为－40ºC ～＋85ºC 。

ADC0809的典型应用，如图3－3所示。

INT
INT
图3－3 ADC0809典型应用
图3－3是ADC0809的一种典型接法。

参考电压的Vref(＋)接＋5V ，Vref(－)接地，8个通道的模拟量输入电压Vi=0～5V 。

当Vi ＝0V 时，A/D 转换输出为00H,当Vi ＝Vref 时，A/D 转换器输出为FFH 。

EOC 作为中断请求信号，可根据系统总线的要求选用
INT 或/INT 信号。

START 和ALE 连接在一起，利用其上升沿锁存通道地址信号A 、B 、C
，在下降沿开始A/D 转换。

3．时序图
ADC0809的时序图，如图3－4所示。

ALE 地址总线稳定
模拟输入START EOC
DATA
OUTPUT ENEBLE 稳定
输出允许
图3－4 ADC0809时序图
从图可以看出，启动脉冲START 和地址锁存允许脉冲ALE 的上升沿将地址送上地址总线，模拟量经C 、B 、A 选择开关所指定的通道送到A/D 转换器。

在START 信号下降沿的作用下，逐次逼近过程开始，在时钟的控制下，一位一位地逼近。

此时，转换结束信号EOC 呈低电平状态。

由于逐次逼近需要一定的过程，所以，在此期间内，模拟输入值应维持不变，比较器要一次次进行比较，直到转换结束。

此时，如果计算机发出一个输出允许命令（EOC 呈高电平），则可读出数据。

4．编程原理
根据ADC0809的工作原理，对它的操作步骤如下： ⑴对EPP 接口进行初始化，选择模拟量输入通道。

⑵发出启动脉冲。

⑶查询转换结束信号EOC 的值，等待转换结束。

⑷转换结束后读取转换结果。

其流程图如图3－5所示。

启动ADC0809
读取EOC状态值
读取ADC0809输出值
初始化
（EPP初始化，送通道地址）
开始
结束
EOC=1？
N
Y
图3－5 ADC0809编程流程图
四、校准测量原理
由于采集系统长期工作，其零点将会产生漂移，同时，元器件参数的变化会使通道增益发生变化，它们均会引起检测误差。

在智能化的数据采集系统中，利用微机的数据存储与运算的功能，可对零点漂移进行补偿，对通道增益变化也可进行自动校准。

ADC0809的0通道经放大器LM324与模拟开关4052的通道接通转换内部标准电压4.096V 和外部直流信号，需要经过校准。

具体实现过程可参阅后面的演示实验。

校准原理如图3－6所示，图中Uos 为折算到放大器输入端的等效零漂，So 为0V 的选择开关，Sr 为基准电压Ur 的选择开关，Sx 为被测电压Ux 的选择开关，No 、Nr 、Nx 分别为A/D 转换器的相应输出的数字量。

0V
Ur
Ux
So
Sr
Sx
Uos
K
Uin
KUin
No Nr Nx
0809A/D 转换器
图3－6 校准测量原理图
校准过程如下： ⑴ 零点检测。

将输入端接地（图3－6中的So 接通），即模拟开关4052的三通道接通（通道选择码BA=11），此时Ui ＝0，0809的输出数字量为
KUos N =0 ⑴
⑵ 基准校准。

将基准电压Ur 接到输入端（图3－6中的Sr 接通），即模拟开关4052的一通道接通（通道选择码BA=01），此时Ui ＝Ur, 0809的输出数字量为
)(Uos Ur K Nr += ⑵
⑶ 输入检测。

将被测电压Ux 接到输入端（图3－6中的Sx 接通），即模拟开关4052的二通道接通（通道选择码BA=10），此时Ui=Ux ，0809的输出数字量为
)(Uos Ux K Nx += ⑶ 由式⑴ ⑵ ⑶可得
Ur
Ux
KUos Uos Ur K KUos Uos Ux K N Nr N Nx =
-+-+=--)()(00 ⑷
于是有
Ur N Nr N Nx Ux ⋅--=0
0 ⑸
由此可见式⑸中不出现Uos 和K ，即根据零点、基准和输入的三次检测值，经计算获得的Ux ，完全消除了通道Uos 和K 的变化引起的测量误差。

若测量值X 可能的取值数m 为有限个或无穷可数个离散值，当进行了足够多次的测量，由概率论中的贝努力（Bernoulli*）定理可知，事件发生的概率ni/n 依概率收敛于它的概率Pi ，即当测量次数n →∞时，可以用事件发生的概率ni/n 代替事件发生的概率Pi(i=1-m)。

这时，测量值X 的数学期望为
n n x P x X M i m
i i
i m
i i *
1
1)(∑∑==== (当n →∞) ⑹
式中n 为总测量次数，ni 为取值xi 的次数，并且用大写字母X 代表测量值这一随机变
量，用小写字母x 代表测量值可能的取值。

当测量次数n →∞时，用测量值出现代频率1/n 代替概率Pi ，则得到测量值得数学期望：
∑==
n
i i x n X M 1
1)( (当n →∞) ⑺ 测量值得数学期望就是当测量次数n →∞时，它的各次测量值的算术平均值。

测量值的
数学期望只反映了测量值平均的情况，但在实际测量中只知道平均的情况是不够的，还需要知道测量数据的离散程度，通常用测量值的方差 )(2
X σ来反映测量值的离散程度。

若离散值可能的取值数目为m 种，当测量次数n →∞时，第i 种取值的概率Pi 可用事件发生的概率ni/n 代替，其中i ＝1-m 。

这时，测量值得方差为
[][]
n
n X M x P X M x X i m
i i i m
i i 2
1
2
1
2
)()()(∑∑==-=-=σ (当n →∞) ⑻
若每个测量值只得到一次，或者对每次测量结果单独统计，认为n 次测量得到n 个测量值，而不考虑这些测量值中有无相同的情况，当测量次数n →∞时，用测量值出现的频率1/n 代替概率Pi,则可得测量值得方差
[]
2
1
2
)(1)(∑=-=n
i i X M x n X σ (当n →∞) ⑼
测量值的方差是用来描述测量值得离散程度或者说随机误差对测量值的影响的。

可在后面的相关参考程序中看到0809的0通道所采集的直流信号有无经过系统校验和有无经过随机误差处理的数据比较。

五、实验步骤
1. 分析ADC0809各通道地址。

2.确定如何判断转换结束信号EOC。

3.程序在访问EPP数据、地址寄存器之前，需先向EPP控制寄存器写入控制字对EPP 接口进行初始化（在前面的LED显示实验中已经讨论）。

4. 读懂ADC0809转换数据在LED上显示的数据处理参考程序，并试着编写自己的程序。

5. 通过对以上问题的思考，将答案进行整理，编制自己的程序，并写清注释。

六、实验器材及设备
1.实验电路板一块。

2.20MHZ双踪示波器一台。

3.直流稳压电源一台（＋5V,±12V）。

4.PC机一台。

七、预习要求
1.阅读ADC0809芯片的原理介绍。

2.对照原理图，认真阅读有关实验原理，理解并消化实验板硬件电路,读懂本书的参
考演示程序。

八、报告要求
1．编写出自己的程序，并加上注释。

2．整理好实验数据，并对实验结果进行讨论。

一、思考题
1．阅读AD0809的datasheet。

2．记录对4.096V采集20次的转换结果。

3．用AD0809采集交流正弦波形，调节信号频率从100Hz增加，观察显示波形的变化。

当多高频率时，显示波形异常，解释此现象。