数据采集电路的设计

数据采集电路的设计

A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。它是一个模拟系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。常用的A/D转换方式有主次逼近式和双斜积分是式，前者积分时间短，但是抗干扰能力较差；后者转换时间长，抗干扰能力抢。在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜采用后者。

A/D转换的主要指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等。

在本章节主要介绍8位A/D转换器ADS831、12位A/D转换器AD574以及高速A/D转换电路。

第一节：8位AD电路的一般设计

ADS831是TI公司推出的8位80MHz高速采样模数转换芯片。本节主要介绍ADS831的性能特点、内部结构,给出处理器MSP430x16x和ADS831构成的数据采集系统的硬件设计电路。

ADS831是TI公司推出的一种高速8位CMOS工艺的模数转换器(ADC)。该芯片采用单一+5V供电,内部带有取样保持电路。与早期的ADC芯片相比,ADS831采用流水线结构,因而具有极高的采样速率和转换速度、采样速率可高达80MHz。内部包含时钟电路、8位线性A/D核、校正逻辑单元、三态输出单元以及其内部参考源。内部结构如图2-1所示：

图2-1 ADS831的逻辑框图

ADS831硬件电路设计

输入调理电路设计

该模块由衰减网络和三级不同增益的运放电路组成，通过继电器切换，实现衰减、直通和小信号放大的功能。三级电路均采用OPA690精密仪表放大器构

成，该运放具有输入阻抗高、低噪声、速度快等优点，增益带宽积达500MHz。第一级运放构成射级跟随器，输入阻抗3.5MΩ，第二级运放放大系数约为5倍，第三级运放当放大系数约为10倍，级联实现约50倍放大增益，最终将输出电压峰-峰值保持在1.6V左右。单元电路如图2-2所示。

图2-2输入调理电路设计

采样保持电路设计

将A/D转换器设计成单极性输入，采用ADS831内部基准源REFT(+3V)和运放OPA2652构成2.5V恒压源，从而使采样电压有效值保持在+2.5 V。ADS831最高采样速率可达80MHz，系统采用外部晶体振荡器50.0 MHz。单元电路如图2-3

所示。

图2-3数据采集电路

第二节：12位AD电路的一般设计

AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。各参数如下：

分辨率：12 位

非线性误差：小于±1/2LBS 或±1LBS

转换速率：25us

模拟电压输入范围：0—10V 和0—20V，0—±5V 和0—±10V 两档四种

电源电压：±15V 和5V

数据输出格式：12 位/8 位

芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式

AD574由三组电源供电，即 15V和+5V，由于它对从电源线引入的噪声十分敏感，几毫伏的电源噪声就会引起A/D转换几位的误差，所以在应用过程中应特别注意电源的滤波和稳压，可以采用的抗干扰措施有：①在芯片的7脚和9脚、9脚和11脚以及1脚和15脚之间接入由一个47 F钽电容和一个0.01 F瓷片电容并联而成的去耦网络。②在印制板设计时让模拟量输入电路与数字电路尽量分开。③芯片的数字地（15脚）和模拟地（9脚）就近接在一起。在发热量较大的应用场合，还应采取一定的散热措施。

(1)AD574A 的接口电路

图2-4是AT89C51单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由(CS、R/C 和A0)有8051 的数据口P0 发出，并由三态锁存器74LS373 锁存到输出端Q0、Q1 和Q2 上，用于控制AD574A 的工作过程。AD 转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于只使用了8 位数据口，12 位数据分两次读进8051，所以R/C接地。当8051 的p3.0 查询到STS 端转换结束信号后，先将转换后的12 位A/D 数据的高8 位读进8051，然后再将低4 位读进8051。这里不管AD574A 是处在启动、转换和输出结果，使能端CE 都必须为1，因此将8051 的写控制线WR和读控制线RD通过与非门74LS00 与AD574A 的使能端CE 相连。

图2-4 AT89C51单片机与AD574A 的接口电路

(2)AD574A 的工作模式

以上所述的是AD574A 的全控状态，如果需AD574A 工作于单一模式，只需将CE、12/8端接至+5V 电源端,CS和A0接至0V，仅用R/C端来控制A/D 转换的启动和数据输出。当=0 时，启动A/D 转换器，经25us 后STS=1，表明A/D 转换结束，

此时将R/C置1，即可从数据端读取数据。

(3)中断服务程序

由图2-4所示的硬件接法，得到AD574各操作对应的口地址为：

启动变换：47FFH

读转换结果高8位：4FFFH

读转换结果低4位：5FFFH

据此用单片机高级语言C51编写的AD574中断服务程序为：

void ad574(void) interrupt 0

{

char r1,r2;

char xdata *p;

int caiyang1=0x2100;

int caiyang2=0x2200;

p=0x4fff;

ACC=*p;

r1=ACC; //读转换结果高8位

p=0x5fff; r2=ACC; //读转换结果低4位

XBYTE[caiyang1]=r1;

XBYTE[caiyang2]=r2; /*将结果存入外部RAM绝对地址单元*/

caiyang1++;

caiyang2++;

wancheng=1; /*读数完毕，置转换完成标志位为1*/

PX0=0; //关中断优先级

}

第三节：高速A/D转换器AD7654与单片机接口电路设计

AD7654是ADI公司推出的一种低功耗、四通道、电荷再分布式高速A/D转换器，该A/D 转换器的主要特点是：16位分辨率且无漏失码；O V～5 V模拟输入范围；SPI/QSPI/Microwire/DSP兼容；两个允许同步采样的低噪音、高带宽跟踪/保持放大器；功耗典型值为120 mW；可提供串行和并行两种输出接口，给予用户灵活的选择。串行A/D转换的速率很高，并且具有体积小、功耗低、占用单片机口线少的优点，文中采用串行模式设计电路，有关引脚说明如下：

A0：转换通道选择；

A/B：高电平时，先输出A通道转换数据再输出B通道转换数据，低电平反之；

SER/PAR：串行/并行模式选择。低电平为并行模式，高电平为串行模式；

EXT/INT：高电平时选择外部时钟，低电平时选择内部时钟；

SDOUT：转换数据输出位；

SCLK：串行数据时钟输入或输出(取决于EXT/INT的逻辑状态)；

CNVST：开始转换。CNVST的下降沿使内部采样保持进入保持状态并开始转换；

BUSY：正在转换标志；

EOC：转换结束标志。

AD7654的转换过程由CNVST下降沿启动，转换启动与CS和RD信号状态无关，A0引脚控制转换通道的选择。在转换结束之前，即使掉电转换也不会重新开始或终止。转换进行过程中，BUSY变为高电平，EOC也为高电平，EOC在每一个通道转换结束后变为低电平，