计算机接口技术及应用第12讲(ADC接口)(2009春)
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开始对Vi积分，如图示。因为这个阶段Vo<0，那么过零比较器的输出一直为高电平，定 时、计数电路一直工作；当经过2n个时钟脉冲(T1)后，控制电路使S1与B通，第1次积分
结束，开始第2次积分
第1次积分的电压VP的大小取决于Vi的大小和R、C以及2nTC（TC是定时时钟周期）
VP=
2nTc Vi = K 2n Vi
AD1674接口设计示例 字方式接口
S5A: 1-3, 双极性输入; 5-3, 单极性输入 S5B: 2-4, 10V输入; 6-4, 20V输入
Fix setting for control: ‘12/8’=CE=1, A0=CS=0.
用2个触发器(74HC574)作为单字(12bits)缓冲 触发信号ADLATCH非常重要!
也可以用FIFO设计多字缓冲
8位ADC器件AD0809
总结
ADC关键工作参数 ADC器件及其工作原理 ADC器件与PC总线之间的接口
思考题
参考讲义中的几种ADC内部结构原理图, 分别描 述双斜积分型和逐次逼近型ADC从启动到正确完 转换成一次的过程. ADC器件的参考电压与模拟输入电压的量程有什 么关系？参考电压对转换结果影响？ 参考讲义的AD1674接口电路, 为ADC0809设计一 个接口电路 (注意, 一般来说, ADC器件的数据线 不适合于直接与数据总线连接)
当转换结果为8位数字量时, 需比较8次. 所以n位数字量时, 比较n次
逐次逼近型ADC工作原理
电路由启动信号（start）信号启动后，在第1个时钟脉冲作用下，控制电路使 移位寄存器的最高位置1，其它位都为0，其输出的数据(100..0B)经数据寄存 器送到DAC中，DAC输出电压VDAC(=Vref/2)，即电压比较器的反向输入端加 Vref/2的电压，如果Vi ≥ Vref/2，那么比较器输出高电平，否则其输出为低电平， 并将比较器输出结果保存在数据寄存器的Dn-1位；然后在第2个时钟脉冲作用 下，控制电路使移位寄存器的次高位置1，其它位都为0（除Dn-1位外），其 输出的数据(x10..0B)经数据寄存器送到DAC中，DAC输出电压VDAC(当Dn-1 =1时， VDAC =3Vref/4；否则VDAC =Vref/4)，即电压比较器的反向输入端加 (3Vref/4)或(Vref/4)的电压，如果Vi≥ 3Vref/4（或者当Dn-1 =0时Vi≥ Vref/4），比较 器输出为高电平，否则为低电平，将比较器输出结果保存在数据寄存器的Dn2位；如此重复Dn-3位，再Dn-4位，一直到D0位，ADC完成一次转换。（这个 过程实际上是“二分法”逼近过程，n位分辨率的ADC需要n个时钟脉冲后才 完成一次转换） （对8位ADC来讲，上述过程只要8次就可以完成了）
2nTc Vi = K 2n Vi τ
第2次 积分
VP (t2) =VP
1
t2 (-Vref)dt = 0
τ t1
T2= t2 – t1
VrefT2
=
τ
2nTc τ Vi
T2=λTc
2n λ= Vref Vi
T1时间内计数值=2n
T2时间内计数值=λ
双斜积分型ADC的两次积分
第1次积分：在t=0时刻，S1与A通，正的输入电压Vi加在积分器输入端，积分器从0V
其他类型请见下面公司的网站
ADI公司 BB公司(现在为TI的子公司)
12位ADC器件 AD1674
AD1674的引脚及功能
While R/C=0: 0:12bits, 1:8bits; While reading and 12/8=0: 0:high 8-bits;1:low 4-bits
VEE
AD1674的操作时序 启动转换时序
AD1674的操作时序 读操作时序
AD1674的控制逻辑
两种接口控制模式
全控模式(Full-control mode) 独立模式(Stand-alone mode)
AD1674的模拟输入模式
两种模拟输入模式
单极性(Unipolar input), 下左图 双极性(Bipolar input), 下右图
当 Vin = 2.5V时, Data = 128
ADC器件的主要参数
分辨率
ADC输出的数字量变化一个最小二进制位时需要输入的最小模拟电压的变 化量。通常用ADC输出的二进制数字的位表示, 如8位、10位、12位分辨率 等
转换时间
在保证转换精度的情况下, ADC完成一次转换需要的时间
量化误差
由于ADC的有限分辨率引起的误差, ADC量化后的输出值仅是一个相对接 近的真实值
计算机接口技术及应用 第十二讲
计算机基本接口应用
——ADC器件原理及接口
ADC器件原理及接口
主要内容
ADC器件原理 ADC接口实例
目的
了解测控系统中ADC原理和接口基本设计方法
要求
掌握ADC基本结构及相关的概念, 重点是ADC的工作原 理和基本使用方法以及接口设计方法
模拟信号量化和ADC器件
比 较 型 ADC 的 电 路 结 构
13 15
Vref
11 15
Vref
195 Vref
Vi Vref
R
VC0
+
G
-
R
VC1
+
F
-
VC2
+
E
-
R 7 15 Vref D
VC3 +
-
R
5 15 Vref
C
R
3 15
Vref
B
VC4 + -
VC5 + -
R
1 15
Vref
A
R/2
VC6 +
-
CLK
D cp
S2
积分器
A
+Vi
R
B
-Vref
S1
C +
过零比较器
+
定时、计数和控制电路，输出寄存器
Clock
…
数字输出
双斜积分型ADC的积分/转换过程
定时 信号
0 vs1
0
VO 0
VC 0
t1
t2
+vi
-vref
T1
T2
第1次积分 VP
T1=2nTc T1
-vref 第2次积分
T2
VO=
1
τ
t Vidt
0
第1次 积分 VP=
(a) 单极性模拟输入 采用单极性模拟输入时, 可调电位器R1和R2的作用分别是调节Pin13 (0 ~ 10V输入端) / Pin14(0~20V输入端)与Pin9 (模 拟地)之间的零偏差(000H)和满刻度偏差(FFFH)
(b) 双极性模拟输入 采用双极性模拟输入时, 可 调电位器R1和R2的作用分别是调节Pin13 (+5 ~ 5V输入端) / Pin14(+10~+10V输入端)与Pin9 (模拟 地)之间的零偏差(7FFH)和满刻度偏差(FFFH)
ADC的关键技术参数 ADC的分类 ADC的工作原理
ADC使用数字量表达模拟输入电压和标准电压(参 考/基准电压)的比值, 类似于DAC器件, 可以知道 其输出的数字量和输入的模拟量(电压)满足
Data = (Vin / Vref )×2n 如, n=8, Vref =5V, 当Vin = 19.5mV时, Data = 0.9984 ≈ 1
为计算机系统扩展ADC器件, 将输入的模拟信号转 换为数字信号, 以量化模拟信号的大小
将模拟/连续信号变为计算机系统能够识别的数字/离散信号
ADC是模拟输入通道重要(不可缺)的功能器件
Vcc Vref+
模拟信号输入
ADC
数字信号输出
Vss
Vref-
模拟-数字转换器(ADC)
为正确使用ADC设计合适的模拟输入通道, 需掌握
常用的ADC器件
8位精度的ADC器件
ADC0800系列: ADC0809
12位精度的ADC器件
AD574及其替代产品 AD574(内部无S/H单元) AD674(在AD574基础上增加S/H单元) AD1674(AD674的功能扩展) ADS774(BB扩展的AD674) (注: 所有这些器件的引脚到引脚相互兼容)
逼近过程描述
(1)最大数字量的一半为初值开始比较。如果VDAC > Vi, 则转换结果中最高位 =0, 否则为1
(2)再将次高位置位(如x1000000B), 保留最高位的结果, 并将其余各位清零, 进行第2次比较, 如果VDAC > Vi, 则转换结果中次高位=0, 否则为1;
(3)对次高位后各位逐位重复该过程, 直到最低位被确定
Q
D cp
Q
D cp
Q
D cp
Q
D cp
Q
D cp
Q
D cp
Q
百度文库
I0
I1
D0
D1
I2
D2
I3
优
先
I4
编 码
器
I5
I6
D0
D1
D2
3位 二进制 数据 输出
比较型ADC工作原理
积分型ADC工作原理 双斜积分型ADC
双斜积分型ADC器件的参考模型如下图 顾名思义, 转换过程需要两次积分, 由图中S1和S2控制
τ
第2次积分：在t=t1时刻，控制电路使S1与B通，负电压的Vref加在积分器输入端，
积分器从Vp开始反向积分。当t=t2时刻，积分器输出电压Vo(t2)≥0，过零比较器输出低 电平，控制电路立即终止定时和计数。转换结束。
2次积分的关系如下
VP (t2) =VP
1 t2 (-Vref)dt = 0
τ t1 因为 T2=λTc
• 零点误差和满度误差 • 线性度
ADC的实际转移曲线与理想直线的最大偏移
ADC器件的分类
☺ 根据ADC的工作原理可以分为下面三类 比较型ADC
特点是转换时间短(高速), 但其电路复杂, 成本高 多用在高速数据采集、音频信号采集
积分型ADC
也是一种间接ADC, 转换速度低, 但是精度较高 多用在高精度测量系统、标定仪表等领域
输出 控制
OE
输出 … 寄存器
Vref+ Vref-
D0 D1 D2 Dn
EOC Start
逐次逼近型ADC的逼近过程
逼近过程采用对分法(或二分法), 比较DAC输出电压与模拟输入电压 Vi的大小, 快速搜索到VDAC = Vi对应的数字量 以8位数字量为例(0-255)
首次用最大数字量(256)的一半(为128), 即10000000B去比较 如果VDAC > Vi, 则数字量取64(即01000000B),否则，取192(即11000000B), 再进入下次比较, 如此重复
逐次逼近型ADC
电路简单, 转换速度中等(界于前两种之间), 成本低 多用于工业控制系统, 稳定性好
比较型ADC工作原理
以3位并行比较型ADC为例, 来说明比较型ADC的 工作原理 假定Vi输入范围为0-Vref, 根据下页电路图的ADC, 可以得到相应的3位二进制数据输出 因其电路结构特点而得名
因为 T2= t2 – t1
2n
所以 λ=
Vi
Vref
VrefT2
=
τ
2nTc τ Vi
逐次逼近型ADC工作原理
逐次逼近ADC的参考模型如下图 此类ADC内部一般都包含一个DAC或权电阻网络
转换时钟
电压比较器
Vi
采样 保持
Vix + -
控制 逻辑 电路
VDAC
移位 寄存器
…
数据 寄存器
…
D/A 转换器
ADC器件与PC总线的接口
☺ 接口电路需要考虑下面的问题 为ADC器件提供转换时钟(其周期决定转换时间的长短) 产生ADC器件的控制信号
启动转换 读转换结果的控制信号 转换结果的传输(数据总线)
获取ADC器件的状态
转换中 (忙状态或正在转换, 结果不稳定) 转换完成 (空闲状态, 已经产生正确的转换结果)
结束，开始第2次积分
第1次积分的电压VP的大小取决于Vi的大小和R、C以及2nTC（TC是定时时钟周期）
VP=
2nTc Vi = K 2n Vi
AD1674接口设计示例 字方式接口
S5A: 1-3, 双极性输入; 5-3, 单极性输入 S5B: 2-4, 10V输入; 6-4, 20V输入
Fix setting for control: ‘12/8’=CE=1, A0=CS=0.
用2个触发器(74HC574)作为单字(12bits)缓冲 触发信号ADLATCH非常重要!
也可以用FIFO设计多字缓冲
8位ADC器件AD0809
总结
ADC关键工作参数 ADC器件及其工作原理 ADC器件与PC总线之间的接口
思考题
参考讲义中的几种ADC内部结构原理图, 分别描 述双斜积分型和逐次逼近型ADC从启动到正确完 转换成一次的过程. ADC器件的参考电压与模拟输入电压的量程有什 么关系？参考电压对转换结果影响？ 参考讲义的AD1674接口电路, 为ADC0809设计一 个接口电路 (注意, 一般来说, ADC器件的数据线 不适合于直接与数据总线连接)
当转换结果为8位数字量时, 需比较8次. 所以n位数字量时, 比较n次
逐次逼近型ADC工作原理
电路由启动信号（start）信号启动后，在第1个时钟脉冲作用下，控制电路使 移位寄存器的最高位置1，其它位都为0，其输出的数据(100..0B)经数据寄存 器送到DAC中，DAC输出电压VDAC(=Vref/2)，即电压比较器的反向输入端加 Vref/2的电压，如果Vi ≥ Vref/2，那么比较器输出高电平，否则其输出为低电平， 并将比较器输出结果保存在数据寄存器的Dn-1位；然后在第2个时钟脉冲作用 下，控制电路使移位寄存器的次高位置1，其它位都为0（除Dn-1位外），其 输出的数据(x10..0B)经数据寄存器送到DAC中，DAC输出电压VDAC(当Dn-1 =1时， VDAC =3Vref/4；否则VDAC =Vref/4)，即电压比较器的反向输入端加 (3Vref/4)或(Vref/4)的电压，如果Vi≥ 3Vref/4（或者当Dn-1 =0时Vi≥ Vref/4），比较 器输出为高电平，否则为低电平，将比较器输出结果保存在数据寄存器的Dn2位；如此重复Dn-3位，再Dn-4位，一直到D0位，ADC完成一次转换。（这个 过程实际上是“二分法”逼近过程，n位分辨率的ADC需要n个时钟脉冲后才 完成一次转换） （对8位ADC来讲，上述过程只要8次就可以完成了）
2nTc Vi = K 2n Vi τ
第2次 积分
VP (t2) =VP
1
t2 (-Vref)dt = 0
τ t1
T2= t2 – t1
VrefT2
=
τ
2nTc τ Vi
T2=λTc
2n λ= Vref Vi
T1时间内计数值=2n
T2时间内计数值=λ
双斜积分型ADC的两次积分
第1次积分：在t=0时刻，S1与A通，正的输入电压Vi加在积分器输入端，积分器从0V
其他类型请见下面公司的网站
ADI公司 BB公司(现在为TI的子公司)
12位ADC器件 AD1674
AD1674的引脚及功能
While R/C=0: 0:12bits, 1:8bits; While reading and 12/8=0: 0:high 8-bits;1:low 4-bits
VEE
AD1674的操作时序 启动转换时序
AD1674的操作时序 读操作时序
AD1674的控制逻辑
两种接口控制模式
全控模式(Full-control mode) 独立模式(Stand-alone mode)
AD1674的模拟输入模式
两种模拟输入模式
单极性(Unipolar input), 下左图 双极性(Bipolar input), 下右图
当 Vin = 2.5V时, Data = 128
ADC器件的主要参数
分辨率
ADC输出的数字量变化一个最小二进制位时需要输入的最小模拟电压的变 化量。通常用ADC输出的二进制数字的位表示, 如8位、10位、12位分辨率 等
转换时间
在保证转换精度的情况下, ADC完成一次转换需要的时间
量化误差
由于ADC的有限分辨率引起的误差, ADC量化后的输出值仅是一个相对接 近的真实值
计算机接口技术及应用 第十二讲
计算机基本接口应用
——ADC器件原理及接口
ADC器件原理及接口
主要内容
ADC器件原理 ADC接口实例
目的
了解测控系统中ADC原理和接口基本设计方法
要求
掌握ADC基本结构及相关的概念, 重点是ADC的工作原 理和基本使用方法以及接口设计方法
模拟信号量化和ADC器件
比 较 型 ADC 的 电 路 结 构
13 15
Vref
11 15
Vref
195 Vref
Vi Vref
R
VC0
+
G
-
R
VC1
+
F
-
VC2
+
E
-
R 7 15 Vref D
VC3 +
-
R
5 15 Vref
C
R
3 15
Vref
B
VC4 + -
VC5 + -
R
1 15
Vref
A
R/2
VC6 +
-
CLK
D cp
S2
积分器
A
+Vi
R
B
-Vref
S1
C +
过零比较器
+
定时、计数和控制电路，输出寄存器
Clock
…
数字输出
双斜积分型ADC的积分/转换过程
定时 信号
0 vs1
0
VO 0
VC 0
t1
t2
+vi
-vref
T1
T2
第1次积分 VP
T1=2nTc T1
-vref 第2次积分
T2
VO=
1
τ
t Vidt
0
第1次 积分 VP=
(a) 单极性模拟输入 采用单极性模拟输入时, 可调电位器R1和R2的作用分别是调节Pin13 (0 ~ 10V输入端) / Pin14(0~20V输入端)与Pin9 (模 拟地)之间的零偏差(000H)和满刻度偏差(FFFH)
(b) 双极性模拟输入 采用双极性模拟输入时, 可 调电位器R1和R2的作用分别是调节Pin13 (+5 ~ 5V输入端) / Pin14(+10~+10V输入端)与Pin9 (模拟 地)之间的零偏差(7FFH)和满刻度偏差(FFFH)
ADC的关键技术参数 ADC的分类 ADC的工作原理
ADC使用数字量表达模拟输入电压和标准电压(参 考/基准电压)的比值, 类似于DAC器件, 可以知道 其输出的数字量和输入的模拟量(电压)满足
Data = (Vin / Vref )×2n 如, n=8, Vref =5V, 当Vin = 19.5mV时, Data = 0.9984 ≈ 1
为计算机系统扩展ADC器件, 将输入的模拟信号转 换为数字信号, 以量化模拟信号的大小
将模拟/连续信号变为计算机系统能够识别的数字/离散信号
ADC是模拟输入通道重要(不可缺)的功能器件
Vcc Vref+
模拟信号输入
ADC
数字信号输出
Vss
Vref-
模拟-数字转换器(ADC)
为正确使用ADC设计合适的模拟输入通道, 需掌握
常用的ADC器件
8位精度的ADC器件
ADC0800系列: ADC0809
12位精度的ADC器件
AD574及其替代产品 AD574(内部无S/H单元) AD674(在AD574基础上增加S/H单元) AD1674(AD674的功能扩展) ADS774(BB扩展的AD674) (注: 所有这些器件的引脚到引脚相互兼容)
逼近过程描述
(1)最大数字量的一半为初值开始比较。如果VDAC > Vi, 则转换结果中最高位 =0, 否则为1
(2)再将次高位置位(如x1000000B), 保留最高位的结果, 并将其余各位清零, 进行第2次比较, 如果VDAC > Vi, 则转换结果中次高位=0, 否则为1;
(3)对次高位后各位逐位重复该过程, 直到最低位被确定
Q
D cp
Q
D cp
Q
D cp
Q
D cp
Q
D cp
Q
D cp
Q
百度文库
I0
I1
D0
D1
I2
D2
I3
优
先
I4
编 码
器
I5
I6
D0
D1
D2
3位 二进制 数据 输出
比较型ADC工作原理
积分型ADC工作原理 双斜积分型ADC
双斜积分型ADC器件的参考模型如下图 顾名思义, 转换过程需要两次积分, 由图中S1和S2控制
τ
第2次积分：在t=t1时刻，控制电路使S1与B通，负电压的Vref加在积分器输入端，
积分器从Vp开始反向积分。当t=t2时刻，积分器输出电压Vo(t2)≥0，过零比较器输出低 电平，控制电路立即终止定时和计数。转换结束。
2次积分的关系如下
VP (t2) =VP
1 t2 (-Vref)dt = 0
τ t1 因为 T2=λTc
• 零点误差和满度误差 • 线性度
ADC的实际转移曲线与理想直线的最大偏移
ADC器件的分类
☺ 根据ADC的工作原理可以分为下面三类 比较型ADC
特点是转换时间短(高速), 但其电路复杂, 成本高 多用在高速数据采集、音频信号采集
积分型ADC
也是一种间接ADC, 转换速度低, 但是精度较高 多用在高精度测量系统、标定仪表等领域
输出 控制
OE
输出 … 寄存器
Vref+ Vref-
D0 D1 D2 Dn
EOC Start
逐次逼近型ADC的逼近过程
逼近过程采用对分法(或二分法), 比较DAC输出电压与模拟输入电压 Vi的大小, 快速搜索到VDAC = Vi对应的数字量 以8位数字量为例(0-255)
首次用最大数字量(256)的一半(为128), 即10000000B去比较 如果VDAC > Vi, 则数字量取64(即01000000B),否则，取192(即11000000B), 再进入下次比较, 如此重复
逐次逼近型ADC
电路简单, 转换速度中等(界于前两种之间), 成本低 多用于工业控制系统, 稳定性好
比较型ADC工作原理
以3位并行比较型ADC为例, 来说明比较型ADC的 工作原理 假定Vi输入范围为0-Vref, 根据下页电路图的ADC, 可以得到相应的3位二进制数据输出 因其电路结构特点而得名
因为 T2= t2 – t1
2n
所以 λ=
Vi
Vref
VrefT2
=
τ
2nTc τ Vi
逐次逼近型ADC工作原理
逐次逼近ADC的参考模型如下图 此类ADC内部一般都包含一个DAC或权电阻网络
转换时钟
电压比较器
Vi
采样 保持
Vix + -
控制 逻辑 电路
VDAC
移位 寄存器
…
数据 寄存器
…
D/A 转换器
ADC器件与PC总线的接口
☺ 接口电路需要考虑下面的问题 为ADC器件提供转换时钟(其周期决定转换时间的长短) 产生ADC器件的控制信号
启动转换 读转换结果的控制信号 转换结果的传输(数据总线)
获取ADC器件的状态
转换中 (忙状态或正在转换, 结果不稳定) 转换完成 (空闲状态, 已经产生正确的转换结果)