第12章 ADDA转换

VF
Vi
转换过程如下：初始时，逐次逼近寄存器SAR内的数字被清为全0。转
换开始，先把SAR的最高位置1（其余位仍为0），SAR中的数字经D/A转换
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图12-2 逐次逼近式A/D转换器原理框 图12-3 逐次逼近式A/D转换过程示意
图
图
01
图12-3所示为4位A/D转换过程示意图。每一次的试探V量F （反馈量）
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2.转换时间 指A/D转换器完成一次A/D转换所需时间。转换时间越短，适应输入信
号快速变化能力越强。当A/D转换的模拟量变化较快时就需选择转换时间 短的A/D转换器，否则会引起较大误差。
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12.1.2 A/D转换原理
A/D转换电路是将大小随时间连续变化的模拟信号转换为数字信号的电
路，其核心通常是一个A/D转换器芯片。A/D转换器芯片的种类有很多，按
出，有自动量程控制信号输
出，国内相同产品为5G14433；
有5G7135；
位
位精度的ICL7135，国内相同产品
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3.逐次逼近式A/D转换器
图12-2所示为这种A/D转换器的原理框图。
这种转换器的工作原理和用天平称量重物一样。在A/D转换中，Vi 输入模
VF
拟电压 相当于重物，比较器相当于天平，D/A转换器给出的反馈电压
同样，单片机对输入信号进行处理后，发出的控制信号如阀门开度、
采用A/D、D/A转换电路的单片机控制系统的一般结构如图8-17所示。
图12-1 采用A/D、D/A转换电路的单片机控制系统的一般 结构
本章要点： • A/D转换器的工作原理 • ADC0809转换器与8051单片机的接口电路 • A/D转换器的选择
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12.1.1 A/D转换器的主要性能指标 1.转换精度 转换精度通常用分辨率和量化误差来描述。 （1）分辨率。分辨率UREF/2N，它表示输出数字量变化一个相邻数码所 需输入模拟电压的变化量，其中N为A/D转换的位数，N越大，分辨率越高， 习惯上分辨率常以A/D转换位数表示。例如，一个8位A/D转换器的分辨率 为满刻度电压的1/28，即满刻度电压的1/256，若满刻度电压（基准电压） 为5V，则该A/D转换器能分辨5V/256≈20 mV的电压变化。 （2）量化误差。量化误差是指零点和满度校准后，在整个转换范围内 的最大误差。通常以相对误差形式出现，并以LSB（Least Significant
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图12-6 ADC0809内部逻辑结构图
12-7 ADC0809引脚图
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1.ADC0809的特点 ADC0809是NS（National Semiconductor，美国国家半导体）公司生产 的逐次逼近型A/D转换器。ADC0809具有以下特点。
分辨率为8位。 误差±1LSB， 无漏码。 转换时间为100 s（当外部时钟输入频率fc=640kHz时）。 很容易与微处理器连接。 单一电源+5 V，采用单一电源+5 V供电时量程为0～5 V。 无需零位或满量程调整。 带有锁存控制逻辑的8通道多路转换开关，便于选择8路中的任一路
读P2.7口时（C，B，A低3位地址已无任何意义），OE信号有效，保存 A/D转换结果的输出三态锁存器的“门”打开，将数据送到数据总线。注 意，只有在EOC信号有效后，读P2.7口才有意义。
CLK时钟输入信号频率的典型值为640kHz。鉴于640kHz频率的获取比较 复杂， 在工程实际中多采用在8051的ALE信号的基础上分频的方法。例如， 当单片机的fosc=6MHz时，ALE上的频率大约为1MHz，经2分频之后为
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2. ADC0809引脚功能
ADC0809为DIP28封装，芯片引脚排列如图12-7所示，引脚的功能
及含义如下。
（1）IN0～IN7：8路模拟信号输入。
（2）ADDA、ADDB、ADDC：3位地址码输入。8路模拟信号转换选择
由A、B、C决定。A为低位，C为高位，与低8位地址中A0～A2连接。
CBA
相当于试探码的总重量，而逐次逼近寄存器SAR相当于称量过程中人的作
用。和在称量中从重到轻逐级加法码进行试探一样，A/D转换中是从高位
到低位依次进行试探比较。这里，逐次逼近寄存器（SAR）起着关键性的
VF
控制作用，它应保证试Vi探从高位开始依Vi 次VF进行，并根据比较的结果执行试
探位数码的留或舍。
VF
被选通的通道0
由A0～A2地址0000～0 1011选择IN0～IN7 8路A/D通道IN。0 见表12-1。
表12-1
001 01 0
IN1
AD00809通道选IN择2
011
IN3
100
IN4
1 01
IN5
110
IN6
111
IN7
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（3）CLK：外部时钟输入。时钟频率高，A/D转换速度快。允许范围为 10～1 280 kHz，典型值为640kHz，此 时A/D转换时间为100 s。通常由 8051 ALE直接或分频后与0809CLK相连接。当8051无读写外RAM操作时，
双积分式A/D转换器精度高，抗干扰性好，价格低，但速度慢，转换结 果大多以BCD码形式输出。转换时间一般大于40～50ms。主要有： 位精度的ICL7106/7107/7126系列，
单参考电压，静态七段码输出，可以直接驱动LED显示器，国内相同产
品有CH7106、DG7126；
位精度的MCl4433，动态扫描BCD码输
如图中粗线段所示，每次试探结果和数字输出如图中表所示。为了保证V量i
化误差为±q/2，比较器预先调整为当=1/2q（这里为l/32）时，数字输出
为0001。
逐次逼近式A/D转换器的特点：这种转换器转换时间固定，它决定于位
数和时钟周期，适用于变化过程较快的控制系统（每位转换时间为200～
500ns，12位需2.4～6 s）。
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（7）START：启动A/D转换信号输入。当START输入一个正脉冲时，立 即启动0809进行A/D转换。START与WARLE连在一起，由8051 与0809片选 端（例如P2.0）通过或非门相连，当DPTR为FEF8H时，执行MOVX @DPTR，A 指令后，将启动08W09R模拟通道0的A/D转换。FEF8H～FEFFH分别为8路模拟 输入通道的地址。执行MOVX写指令，并非真的将A中内容写进0809，而是 产生信号 和P2.0有效，从而使0809的START和ALE有效，且输出A/D通 道地址A0～A2。事实上也无法将A中内容写进0809，0809中没有一个寄存 器能容纳A中内容，0809的输入通道是IN0～IN7，输出通道是D0～IDN7T，0 因 I此NT，1 执行MOVX @DPTR，A指令与A中内容无关，但DPTR地址应指向片选地址 和当前A/D的通道地址。
Vi
＝－
这里，
VOUT
பைடு நூலகம்T1 RC
Vi
VA
＝－
是在 ＝
时间间隔内的平均值
Vi
，所以
01
01
01
tx 到数字量的转换是通过时间/数字转换tx实现的。在 期间对脉冲 源来的脉冲进行计V数i ，计得的数字量即是代表 的数字值。
在转换过程中因进行了两次积分故称为双积分式A/D转换器。这种转换
Vi
器测量的是Vi在固定时间T1内的平均值 ，因此，它对周期为T1或几分之 一T1的对称干扰具有非常大的抑制能力。这种转换器的精度和稳定性都比 较高，但转换速度较慢（为20 ms的整倍数），因此多用于要求抗扰能力 强、精度高，但对速度要求不高的场合。
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（9）VREF（+）、VREF（-）：正、负基准电压输入端。基准电压的典型 值为+5V，可与电源电压（+5V）相连，但电源电压往往有一定波动，将影 响A/D精度。因此，精度要求较高时，可用高稳定度基准电源输入。当模 拟信号电压较低时，基准电压也可取低于5V的数值。
（10）VCC：正电源电压（+5V）。GND：接地端。
12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6
A/D转换电路接口技术 D/A转换接口电路 单片机开关量驱动输出接口电路 实践训练—简易波形发生器 实践训练—简易数字电压表 思考与练习
在实际应用中，单片机控制系统经常要对各种现场信号，如温度、流 量、压力、浓度、位置、速度、角度、力矩等进行检测与控制。这些非电 量信号通常要先经过各种相应的传感器检测后变成电压或电流等电信号。 这些电信号都是大小随时间连续变化的模拟信号。而单片机是一种纯数字 部件，它只能接收和处理“0”和“1”这样的数字信号。因此，必须要先 把这些模拟信号转换成单片机能直接接收和处理的数字信号，然后才能将 其送入单片机进行处理。在计算机控制技术中，这种用来将模拟信号转换 成数字信号的电路称为模/数转换电路，即A/D转换电路或ADC（Analog to Digital Converter）。
ALE信号固定为CPU时钟频率的1/6，若晶振为6MHz，则1/6为1MHz时，A/D 转换时间为64 s。
（4）D0～D7：RD数字量输出。
RD
（5）OE：A/D转换结果输出允许控制。当OE为高电平时，允许将A/D转 换结果从D0～D7输出。通常由8051 的与0809片选端（例如P2.0）通 过或非门与0809 OE相连接。当DPTR为FEFFH，且执行MOVX A，@DPTR指令 后， 和P2.0均有效，或非后产生高电平，使0809 OE有效，0809将A/D
性能分有普通、高精度、低功耗、高分辨率、高速以及与母线兼容等多种；
按输出代码的有效位数可分为4位、6位、8位、l0位、12位、14位、16位
和BCD码输出的
等多种。根据
其转换原理，常用
的A/D器件有逐次逼近式A/D、双积分A/D等。
逐次逼近式A/D转 换器速度较快，使用方便，但价格相对较高，抗干扰
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01 3.接口电路 ADC0809典型应用如图12-8所示。由于ADC0809输出含三态锁存，所以
其数据输出可以直接连接8051的数据总线P0口（无三态锁存的芯片是不允 许直接连数据总线的）。可通过外部中断或查询方式读取A/D转换结果。
图12-8 ADC0809典型应用
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写P2.7口有两个作用：其一，写P2.7口脉冲的上升沿使ALE信号有效， 将送入C，B，A的低3位地址A2，A1，A0锁存，并由此选通IN0～IN7中的一 路进行转换，其二，写P2.7口脉冲的下降沿，清除逐次逼近寄存器，启动 A/D转换。
转换精度主要取决于D/A转换器和比较器的精度，可达0.01%。转换结
果也可以串行输出。这种转换器的性能适应大部分的应用场合，是应用最
广泛的一种A/D转换器（占90%左右）。
01 4.双积分式A/D转换器 双积分式A/D转换器属于间接电压/数字转换器，它把输入电压转换为 与其平均值成正比的时间间隔，同时把此时间间隔转变为数字。原理框图 如图12-4所示，积分器输出波形如图12-5所示。
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12.1.3 A/D转换器ADC0809的接口 8位逐次逼近式A/D转换器ADC0809由结果寄存器、比较器和控制逻辑等 部件组成。采用对分搜索逐位比较的方法逐步逼近，利用数字量试探地进 行D/A转换，再比较判断，从而实现A/D转换。N位逐次逼近型A/D转换器最 多只需N次D/A转换、比较判断，就可以完成A/D转换。因此，逐次逼近型 A/D转换速度很快。ADC0809内部逻辑结构如图12-6所示。
CONTNTS
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A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与其成正比的数字量， 即能把被控对象的各种模拟信息编程计算机可以识别的数字信息。A/D转 换器种类很多，但从原理上通常可以分为以下4种：计数器式A/D转换器、 双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行A/D转换器。
计数器式A/D转换器结构很简单，但转换速度也很慢，所以很少采用。 双积分式A/D转换器抗干扰能力强，转换精度也很高，但速度不够理想， 常用于数字式测量仪表中。计算机中广泛采用逐次逼近式A/D转换器作为 接口电路，它的结构不太复杂，转换速度也高。并行A/D转换器的转换速 度最快，但因结构复杂而造价较高，故只用于那些转换速度极高的场合。
图12-4 双积分式A/D转换器原理框图
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转换过程分采样和比较两个阶段。 在采样阶段S中1 ， 闭合，积分器从原VO始UT 状态（
＝0）对进行固定
时间（T1）的积分。当积分到T1结束时，打开，这时
VOUT
1
T1
R＝C－0 Vidt
VA
1
T1
T1
Vidt
0
Vi
T1
1 T1
RC T1
T1
Vidt
0＝