2.2 AD转换器

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AD574A的转换程序段如下:
AD574A:MOV DPTR,#0FFF8H ;送端口地址入DPTR MOVX ﹫DPTR,A ;启动AD574A SETB P1.0 ;置P1.0为输入方式 LOOP:JB P1.0,LOOP ;检测P1.0口 INC DPTR ;使R/C为1 MOVX A,﹫DPTR ;读取高8位数据 MOV 41H,A ;高8位内容存入41H单元 INC DPTR ;使R/C 、A0均为1 INC DPTR ; MOVX A,﹫DPTR ;读取低4位 MOV 40H ,A ;将低4位内容存入40H单元 ... ... 上述程序是按查询方式设计,也可按中断方式设计编制相应的中断服务程 序。
6)内部具有三态输出缓冲器,可直接与8位、 12位或16位微处理器直接相连。 7)具有+10.000V的高精度内部基准电压源, 只需外接一只适当阻值的电阻,便可向DAC 部分的解码网络提供参考输入。内部具有 时钟产生电路,不须外部接线。 8 ) 需 三 组 电 源 : + 5 V、VCC(+12V~+ 15V)、VEE(-12V~-15V)。 由 于 转 换 精 度高,所提供电源必须有良好的稳定性,并 进行充分滤波,以防止高频噪声的干扰。
§2.2 A/D变Hale Waihona Puke Baidu器
一、A/D转换的一般步骤及基本原理 二.A/D转换器的类型和主要性能指标 三、典型A/D转换器芯片
ADC0801 、AD574
四、A/D转换器接口技术
1、接口设计时要考虑的问题 2、8位并行输出A/D转换器接口 3、高于8位的并行输出A/D转换器接口
一、A/D转换的一般步骤及基本原理
(4)、偏移误差 偏移误差是指输入信号为零时,输出信号不为 零的值,所以有时又称为零值误差。 或者:使最低有效位成“1”状态时的实际输入 电压与理论电压之差
(5)、满刻度误差(增益误差) ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码所对 应的实际输入电压与理想输入电压之差。 它使传输特性曲线绕坐标原点偏离理想特性曲 线一定的角度
2、主要性能指标
(1)、分辨率 指ADC对输入模拟信号的分辨能力。
从理论上讲,一个n位二进制数输出ADC应能
区分输入模拟电压的2n个不同量级,能区分输
入模拟电压的最小值为满量程输入的
1/2n。
例如,ADC输出为八位二进制数, 输入信号最
大值为 5V,其分辨率为
Um 19.53mV 8 2
(2)、转换时间 转换时间是A/D转换完成一次所需的时间。 (3)、转换误差 它表示A/D转换器实际输出的数字量和理 论上的输出数字量之间的差别。 常用最低有效位的倍数表示。 例如,相对误差≤±LSB/2,就表明实际输出 的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的 误差小于最低位的半个字。
逐次逼近式转换过程如下: 初始时寄存器各位清为0,D7~D0=00000000B; 第一个时钟上升沿到来后,先将最高位置D7=1,预测 值为10000000B,送入DAC, 经D/A转换后生成的模拟量Vs,送入比较器中与输入 模拟量Vi进行比较。 若Vs<Vi,该位的1被保留; 若Vs>Vi,说明数字过大,应将这个1清除; 第一个时钟上升沿到来后,再置次高位为D6=1,将寄 存器中新的数字量11000000B 送DAC;输出的Vs再与 Vi比较,若Vs<Vi,保留该位的1,否则清除; 同样方法逐位比较下去,直到最低位为止; 最后寄存器中的内容即为输入模拟值转换成的数字量。
3、高于8位的并行输出A/D转换器接口
接口的一般形式
数据分两次输入,需增加一个并行接口。除此之外,其接口 形式和工作原理与8位ADC相同。
图2-32
高于8位ADC接口的一般形式
【例2】 ADC574与8031/8051 PC机接口设计
(1).硬件连线 接口可以采用查询和中断二种控制方式。
(2).软件设计
A0=1,8位转换; A0=0,12位转换。
VLOG:逻辑电路供电输入端; VEE:负电源端-12V~-15V; VCC:正电源端,+12V~+15V ; REFOUT:+10 V基准电压输出; REFIN:参考电压输入; BIPOFFSET:双极性补偿。该引脚适当连接可实现单极性或 双极性输入 10 Vin: 10 V范围输入端,单极性输入0~+10 V, 双极性输入-5 V~+5 V。 20 Vin: 20 V范围输入端,单极性输入0~+20 V, 双极性输入-10 V~+10 V。 DB11~DB0:12位数字输出。 STS:转换结束信号。转换过程中为高电平,转换结束后变为 低电平。
举例:有四位A/D转换器,满刻度值5V,现若输入3.5 模拟电压,试分析其逐次逼近的转换过程。
量化单位 = q 5V 5V 0.3125V 4
2 16
二.A/D转换器的类型和主要性能指标
1.A /D转换器的类型
按被转换的模拟量类型可分为时间/数字、 电压/数字、机械变量/数字等。应用最多的 是电压/数字转换器。
(2).外部特性(引脚功能)
VCC:主电源输入端。 VREF/2:基准电源输入端,当输入电压范围不是0~5V时, VREF/2应加入1/2输入范围的电压值。如输入电压是4V, 则VREF/2应接2V。 AGND:模拟信号地 GND:数字信号地 CLKIN:外电路提供时钟脉冲输入端。可外接时钟,也可 用内部时钟。外部时钟直接接到CLKIN,使用内部时钟,则 如图2-24所示外接电阻和电容,此时工作时钟频率 FCLK=1/1.1RC。为保证转换精度,此时钟频率不应高于 640KHz。 CLKR:内部时钟发生器外接电阻端,与CLKIN端配合,由 芯片自身产生时钟脉冲。 Vin(+),Vin(-):ADC0801的两模拟信号输入端,用以接收 单极性、双极性和差模输入信号;
例2:为了测量某材料的性质,要求以5000 点/s的速度采样,若要采样1min,试问, 至少要选用转换时间为多少的8位ADC芯片? 要多少字节的RAM存储采样数据? 解:每个点的采样时间1/5000=0.0002s 1min的采样点数=5000*60=30 0000 需要300000字节的RAM存储器
例1:某信号采集系统要求用一片A/D转换芯片 在1s(秒)内对16个热电偶的输出电压分时进 行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为00.025V(对应0-450℃温度范围),需要分辨 的温度为0.1 ℃,试问应选择多少位A/D转换 器,其转换时间为多少?
解:对于从0-450℃温度范围,信号电压范 围为0-0.025V,分辨的温度为0.1 ℃, 这相当于0.1/450=1/4500的分辨率, 12位A/D转换器的分辨率为1/212=1/4096 所以必须选用12位以上的A/D转换器。 系统的取样速率为每秒16次,采样时间为 62.5ms,对于这样慢的取样,任何一个A/D 转换器都可以达到,可选用带采样保持器 的逐次逼近式A/D转换器
行完以后,A/D转换过程也已结束,便可读入数据。
在这种方式中,为了保险起见,通常延时时间应略大 于A/D转换所需时间。 缺点:占用较多时间,适合于微处理器任务 较少的场合。
优点:可靠性高,不占用查询端口。
(2)程序查询等待法
在微处理器发出A/D转换启动命令后,就不断反复测 试转换结束信号STS的状态,一旦发现STS有效,就 执行输入转换结果数据的指令。接口简单,CPU同样 效率低,且从A/D转换完成到微处理器查询到转换结 束并读取数据,可能会有相当大的时延。
(3)中断法
当转换完成后,转换结束状态信号STS有效,利用 STS作为中断请求信号,向CPU提出中断申请,当 微处理器响应中断,在中断服务程序中执行转换结 果数据的读入。这种方法CPU可与A/D转换器并行 工作,效率高,硬件接口简单。
2)系统数据总线宽度与A/D转换器位数 相匹配问题
数据总线位数大于或等于A/D转换器位数 时 ,接口简单,数据读入一次完成。 当微处理器数据总线位数小于D/A转换器 位数时,接口要稍复杂一些,全部数据要分 两次读入。
按转换方式可分为:直接转换、间接转换。 直接转换:将模拟量转换成数字量, 间接转换:将模拟量转换成中间量,再将中 间量转换成数字量。
按输出方式分可分为:并行、串行、串并行。 按转换原理可分为:计数式、双积分式、逐次 逼近式。 按转换速度可分为:低速(转换时间≥1s)、 中速(转换时间≤lms)、高速(转换时间 ≥1μ s)和超高速(转换时间≤1ns) 按转换精度和分辨率可分为:3位、4位、8位、 10位、12位、14位、16位
单极性输入电路和双极性输入电路
(3)AD574控制状态表
四、A/D转换器接口技术
1、接口设计时要考虑的问题
1)时间配合问题 读取A/D转换结果数据的几种方法: (1)固定延时等待法 (2)程序查询等待法 (3)中断法 2)系统数据总线宽度与A/D转换器位数相匹配问题
(1)固定延时等待法 在向A/D发出启动信号后,先根据所采用的A/D转 换器所需的转换时间进行软件延时等待,延时程序执
只舍不入方法的最小量化单位△=Um/2n;
有舍有入方法的最小量化单位△=2Um/(2n+1-1)
只舍不入方法
有舍有入方法的最小量化单位△=2Um/(2n+1-1)
有舍有入方法
2、A/D转换器的工作原理
实际中应用较多的是逐次逼近式,逐次逼近A/D转换器 是由一个比较器、D/A转换器、寄存器及控制逻辑电路组成。
三、典型A/D转换器芯片
1.ADC0801
它具有包括三态输出缓冲器的完整接口电路,可以直接与8 位微处理器连接。
⑴.主要特性
1)8位逐次逼近式A/D转换器,即分辨率8位。 2)转换时间为100μ s 3)单电源供电,+5V 4)差动模拟输入信号范围0~+5V 5)工作温度范围为-40~+85℃ 6)有输出数据锁存器,当与计算机连接时,转换电路的输出 可以直接连接到CPU的数据总线上,无需加逻辑接口。
1、A/D转换的一般步骤
A/D转换过程为:采样、保持、量化和编码。 采样:对模拟信号进行周期性的抽取采样值的过程, 就是把时间连续变化的信号转换成在时间上连续、 在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。
1、A/D转换的一般步骤
采样定理:为了不失真地恢复原模拟信号,采样频 率应不小于输入模拟信号频谱中最高频率的2倍。 即 fs≥2fimax 保持:由于A/D转换需要一定的时间,所以每次采 样结束后,应保持采样电压值在一段时间内不变, 直到下一次采样开始。这就要在采样后加上保持电 路,实际采样——保持是做成一个电路。
2、 AD574(MX574)
⑴.主要特性
1)12位逐次逼近式A/D转换器。 2)转换时间为25μs,工作温度为0℃~70℃, 功耗390 mW。 3)输入电压可为单极性(0~+10V,0~+20V) 或双极性(-5V~+5V,-10V~+10V )。 4)可由外部控制进行12位转换或8位转换。 5)12位数据输出分为三段,A段为高4位,B段为中4 位,C段为低4位,三段分别经三态门控制输出。 所以数据输出可以一次完成,也可分为两次,先 输出高8位,后输出低4位。
量化:用基本的量化电平的整数倍来表示 采样保持的模拟电压值。 编码:把已经量化的模拟数值用二进制编 码表示出来。
CP S
v(t) I
S
vI t) (
ADC的 量化编码电路
. . .
Dn-1 D1 D0
数字量输出(n位) ADC 输入模拟电压 取样保持电路 取样展宽信号
图1
ADC的组成部分
量化方法:只舍不入 、有舍有入
2、8位并行输出A/D转换器接口
接口的一般形式
接口包括三态缓冲器、状态应答和地址选择等几个并行输入接 口所必备的部分,这些部分可以集成在A/D转换器之内,也可 以包含在由CPU、I/O端口及内存等组成的单片机内。
【例1】 :ADC0801与8031/8051单片机接口设计
(1).硬件连线 接口可以采用查询和中断二种控制方式。 (2).软件设计 见课本P32、P33。
AD574管脚图
⑵.外部特性(引脚功能)
CS:片选信号,低电平有效
CE:芯片允许信号,高电平有效。
R/ C :读出或转换信号。R/C =0,启动A/D转 换,R/C =1,读出转换结果。 12/ 8 :数据输出方式控制信号
12/8 1,输出12位数据; 12/8 0,数据分两次输出。
A0:转换位数控制信号
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