1、典型的集成 ADC 芯片为了满足多种需要，目前国内外各半导体器件生产厂家设计并生产出了多种多样的ADC 芯片。仅美国 AD 公司的 ADC 产品就有几十个系列、近百种型号之多。从性能上讲，它们有的精度高、速度快，有的则价格低廉。从功能上讲，有的不仅具有 A/D 转换的基本功能，还包括内部放大器和三态输出锁存器；有的甚至还包括多路开关、采样保持器等，已发展为一个单片的小型数据采集系统。尽管 ADC 芯片的品种、型号很多，其内部功能强弱、转换速度快慢、转换精度高低有很大差别，但从用户最关心的外特性看，无论哪种芯片，都必不可少地要包括以下四种基本信号引脚端：模拟信号输入端(单极性或双极性) ；数字量
2、输出端 (并行或串行)；转换启动信号输入端；转换结束信号输出端。除此之外，各种不同型号的芯片可能还会有一些其他各不相同的控制信号端。选用 ADC 芯片时，除了必须考虑各种技术要求外，通常还需了解芯片以下两方面的特性。（1）数字输出的方式是否有可控三态输出。有可控三态输出的 ADC 芯片允许输出线与微机系统的数据总线直接相连，并在转换结束后利用读数信号 RD选通三态门，将转换结果送上总线。没有可控三态输出(包括内部根本没有输出三态门和虽有三态门、但外部不可控两种情况)的 ADC 芯片则不允许数据输出线与系统的数据总线直接相连，而必须通过I/O 接口与 MPU 交换信息。（2）启动转换的控制方式是
3、脉冲控制式还是电平控制式。对脉冲启动转换的 ADC 芯片，只要在其启动转换引脚上施加一个宽度符合芯片要求的脉冲信号，就能启动转换并自动完成。一般能和 MPU 配套使用的芯片，MPU 的 I/O 写脉冲都能满足 ADC 芯片对启动脉冲的要求。对电平启动转换的 ADC 芯片，在转换过程中启动信号必须保持规定的电平不变，否则，如中途撤消规定的电平，就会停止转换而可能得到错误的结果。为此，必须用D 触发器或可编程并行 I/O 接口芯片的某一位来锁存这个电平，或用单稳等电路来对启动信号进行定时变换。具有上述两种数字输出方式和两种启动转换控制方式的 ADC 芯片都不少，在实际使用芯片时要特别注意看清芯片说
4、明。下面介绍两种常用芯片的性能和使用方法。1. ADC 0808/0809ADC 0808 和 ADC 0809 除精度略有差别外( 前者精度为 8 位、后者精度为 7 位)，其余各方面完全相同。它们都是 CMOS 器件，不仅包括一个 8 位的逐次逼近型的 ADC 部分，而且还提供一个 8 通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统” 。利用它可直接输入 8 个单端的模拟信号分时进行 A/D 转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。1) 主要技术指标和特性（1）分辨率： 8 位。（2）总的不可调误差： ADC0808 为 21LSB,ADC 080
5、9 为1LSB。（3）转换时间： 取决于芯片时钟频率，如 CLK=500kHz 时，T CONV=128s。（4）单一电源： +5V。（5）模拟输入电压范围： 单极性 05V ；双极性5V,10V(需外加一定电路)。（6）具有可控三态输出缓存器。（7）启动转换控制为脉冲式(正脉冲) ，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使 A/D转换开始。（8）使用时不需进行零点和满刻度调节。2) 内部结构和外部引脚ADC0808/0809 的内部结构和外部引脚分别如图 11.19 和图 11.20 所示。内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下： 图 11
6、.19 ADC0808/0809 内部结构框图（1）IN 0IN 78 路模拟输入，通过 3 根地址译码线 ADDA、ADD B、ADD C 来选通一路。（2）D 7D 0A/D 转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8 位排列顺序是 D7 为最高位，D 0 为最低位。（3）ADD A、ADD B、ADD C模拟通道选择地址信号，ADD A 为低位，ADD C 为高位。地址信号与选中通道对应关系如表 11.3 所示。（4）V R(+)、V R(-)正、负参考电压输入端，用于提供片内 DAC 电阻网络的基准电压。在单极性输入时，V R(+)=5V，V R(-)=0V；
7、双极性输入时，V R(+)、V R(-)分别接正、负极性的参考电压。图 11.20 ADC0808/0809 外部引脚图表 11.3 地址信号与选中通道的关系地 址ADDC ADDB ADDA 选中通道000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7（5）ALE地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C 三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和 START 信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动 A/D 转换。（6）STARTA/D 转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿
8、开始 A/D 转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。（7）EOC转换结束信号，高电平有效。该信号在 A/D 转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被 CPU 查询的状态信号，也可作为对 CPU 的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC 也可作为启动信号反馈接到START 端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。（8）OE输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0808/0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断工作方式下，该信号往往是 CPU 发出的中断请求响应信号。3) 工作
9、时序与使用说明ADC 0808/0809 的工作时序如图 11.21 所示。当通道选择地址有效时，ALE 信号一出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随 ALE 之后( 或与 ALE 同时)出现。START的上升沿将逐次逼近寄存器 SAR 复位，在该上升沿之后的 2s 加 8 个时钟周期内(不定)，EOC 信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到转换完成后 EOC 再变高电平。微处理器收到变为高电平的 EOC 信号后，便立即送出 OE 信号，打开三态门，读取转换结果。图 11.21 ADC 0808/0809 工作时序模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行(当然，不能在转
10、换过程中进行)，然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成( 因为 ADC0808/0809 的时间特性允许这样做) 。这样可以用一条写指令既选择模拟通道又启动转换。在与微机接口时，输入通道的选择可有两种方法，一种是通过地址总线选择，一种是通过数据总线选择。如用 EOC 信号去产生中断请求，要特别注意 EOC 的变低相对于启动信号有 2s+8 个时钟周期的延迟，要设法使它不致产生虚假的中断请求。为此，最好利用 EOC 上升沿产生中断请求，而不是靠高电平产生中断请求。2. AD574AAD574A 是美国 AD 公司的产品，是目前国际市场上较先进的、价格低廉、应用较广的混合集成 12 位逐次逼近
11、式 ADC 芯片。它分 6 个等级，即AD574AJ、AK、AL、AS、AT、AU，前三种使用温度范围为 0+70，后三种为-55+125。它们除线性度及其他某些特性因等级不同而异外，主要性能指标和工作特点是相同的。1) 主要技术指标和特性（1）非线性误差： 1LSB 或 21LSB(因等级不同而异) 。（2）电压输入范围： 单极性 0+10V，0+20V，双极性5V,10V。（3）转换时间： 35s。（4）供电电源： +5V，15V。（5）启动转换方式： 由多个信号联合控制，属脉冲式。（6）输出方式： 具有多路方式的可控三态输出缓存器。（7）无需外加时钟。（8）片内有基准电压源。可外加 VR
12、，也可通过将 VO(R)与 Vi(R)相连而自己提供VR。内部提供的 VR 为(10.00 0.1)V(max)，可供外部使用，其最大输出电流为 1.5mA；（9）可进行 12 位或 8 位转换。12 位输出可一次完成，也可两次完成(先高 8 位，后低 4 位) 。2) 内部结构与引脚功能AD574A 的内部结构与外部引脚如图 11.22 所示。从图可见，它由两片大规模集成电路混合而成： 一片为以 D/A 转换器 AD565 和 10V 基准源为主的模拟片，一片为集成了逐次逼近寄存器 SAR 和转换控制电路、时钟电路、三态输出缓冲器电路和高分辨率比较器的数字片，其中 12 位三态输出缓冲器分成
13、独立的 A、B、C 三段，每段 4 位，目的是便于与各种字长微处理器的数据总线直接相连。AD574A 为 28 引脚双列直插式封装，各引脚信号的功能定义分述如下： 图 11.22 AD574A 的结构框图与引脚（1）12/ 8输出数据方式选择。当接高电平时，输出数据是 12 位字长；当接低电平时，是将转换输出的数变成两个 8 位字输出。（2）A 0转换数据长度选择。当 A0 为低电平时，进行 12 位转换；A 0 为高电平时，则为 8 位长度的转换。（3） CS片选信号。（4）R/ 读或转换选择。当为高电平时，可将转换后数据读出；当为低电平时，启动转换。（5）CE芯片允许信号，用来控制转换与读
14、操作。只有当它为高电平时，并且S=0 时，R/信号的控制才起作用。 CE 和 CS、R/ 、 12/8、A 0 信号配合进行转换和读操作的控制真值表如表 11.4 所示。（6）V CC正电源，电压范围为 0+16.5V。（7）V o(R)+10V 参考电压输出端，具有 1.5mA 的带负载能力。表 11.4 AD574A 的转换和读操作控制真值表CE CSR/12 /8A0 操作内容01111110000000111+5VDGNDDGND0101无操作无操作启动一次 12 位转换启动一次 8 位转换并行读出 12 位读出高 8 位(A 段和 B 段)读出 C 段低 4 位，并自动后跟 4 个0
15、（8）AGND模拟地。（9）GND数字地。（10）Vi(R)参考电压输入端。（11）V EE负电源，可选加 -11.4V-16.5V 之间的电压。（12）BIP OFF双极性偏移端，用于极性控制。单极性输入时接模拟地(AGND) ，双极性输入时接 Vo(R)端。（13）V i(10)单极性 010V 范围输入端，双极性5V 范围输入端。（14）V i(20)单极性 020V 范围输入端，双极性10V 范围输入端。（15）STS 转换状态输出端，只在转换进行过程中呈现高电平，转换一结束立即返回到低电平。可用查询方式检测此端电平变化，来判断转换是否结束，也可利用它的负跳变沿来触发一个触发器产生 I
16、RQ 信号，在中断服务程序中读取转换后的有效数据。从转换被启动并使 STS 变高电平一直到转换周期完成这一段时间内， AD574A 对再来的启动信号不予理睬，转换进行期间也不能从输出数据缓冲器读取数据。3) 工作时序AD574A 的工作时序如图 11.23 所示。对其启动转换和转换结束后读数据两个过程分别说明如下： 图 11.23 AD574A 的工作时序（1）启动转换在 CS=0 和 CE=1 时，才能启动转换。由于是 CS=0 和 CE=1 相与后，才能启动 A/D转换，因此实际上这两者中哪一个信号后出现，就认为是该信号启动了转换。无论用哪一个启动转换，都应使 R/C 信号超前其 200n
17、s 时间变低电平。从图 11.23 可看出，是由 CE 启动转换的，当 R/为低电平时，启动后才是转换，否则将成为读数据操作。在转换期间 STS为高电平，转换完成时变低电平。（2）读转换数据在 CS=0 和 CE=1 且 CR/为高电平时，才能读数据，由 12/8决定是 12 位并行读出，还是两次读出。如图 11.23 所示， S或 CE 信号均可用作允许输出信号，看哪一个后出现，图中为 CE 信号后出现。规定 A0 要超前于读信号至少 150ns， CR/信号超前于 CE 信号最小可到零。从表 11.4 和图 11.23 可看出，AD574A 还能以一种单独控制(stand-alone) 方
18、式工作： CE 和 12/8固定接高电平， CS和 A0 固定接地，只用 CR/来控制转换和读数， CR/=0时启动 12 位转换， R/=1 时并行读出 12 位数。具体实现办法可有两种： 正脉冲控制和负脉冲控制。当使用 350ns 以上的 /正脉冲控制时，有脉冲期间开启三态缓冲器读数，脉冲后沿( 下降沿)启动转换。当使用 400ns 以上的 /负脉冲控制时，则前沿启动转换，脉冲结束后读数。4) 使用方法AD574A 有单极性和双极性两种模拟输入方式。（1）单极性输入的接线和校准单极性输入的接线如图 11.24(a)所示。AD574A 在单极性方式下，有两种额定的模拟输入范围： 0+10V
19、的输入接在 Vi(10)和 AGND 间，0+20V 输入接在 Vi(20)和 AGND 间。R1 用于偏移调整(如不需进行调整可把 BIP OFF 直接接 AGND，省去外加的调整电路)，R 2用于满量程调整(如不需调整， R2 可用一个 501%的金属膜固定电阻代替) 。为使量化误差为 2LSB,AD574A 的额定偏移规定为1LSB。因此在作偏移调整时，使输入电压为LSB(满量程电压为+10V 时是 1.22mV)，调 R1，使数字输出为 000000000000 到000000000001 的跳变。在做满量程调整时，是通过施加一个低于满量程值 1 2LSB 的模拟信号进行的，这时调 R
20、2 以得到从 111111111110 到 111111111111 的跳变点。（2）双极性输入的接线和校准双极性输入的接线如图 11.24(b)所示。和单极性输入时一样，双极性时也有两种额定的模拟输入范围： 5V 和10V 。5V 输入接在 Vi(10)和 AGND 之间；10V 接在Vi(20)和 AGND 之间。图 11.24 AD574A 的输入接线图双极性校准也类似于单极性校准。调整方法是，先施加一个高于负满量程 21LSB(对于5V 范围为-4.9988V)的输入电压，调 R1，使输出出现从 000000000000 到 000000000001的跳变；再施加一个低于正满量程 1
21、2LSB(对于5V 范围为+4.9963V)的输入信号，调 R2使输出现从 111111111110 到 111111111111 的跳变。如偏移和增益无需调整，则相应的调整电阻也和在单极性中一样，R 2 可用 501% 的固定电阻代替。ADC 0808 与 ADC 0809 区别7.3 A/D 转换器 ADC0809 与 MCS-51 单片机的接口设计 ADC0808/0809 八位逐次逼近式 A/D 转换器是一种单片 CMOS 器件,包括 8 位的模/数转换器,8 通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑.8 通道多路转换器能直接连通 8 个单端模拟信号中一任何一个. 一,ADC0808/
22、0809 的内部结构及引脚功能 1,ADC0809 转换器内部结构 2,ADC0809 引脚功能分辨率为 8 位.最大不可调误差 ADC0808 小于1/2LSB,ADC0809小于1LSB 单一 +5V 供电,模拟输入范围为 05V.具有锁存三态输出,输出与 TTL 兼容.功耗为 15mw.不必进行零点和满度调整.转换速度取决于芯片的时钟频率.时钟频率范围:101280KHZ 当 CLK=500KHZ 时,转换速度为 128s.IN0IN7:8路输入通道的模拟量输入端口. 2-12-8:8 位数字量输出端口. START,ALE:START 为启动控制输入端口,ALE 为地址锁存控制信号端口
23、.这两个信号端可连接在一起,当通过软件输入一个正脉冲,便立即启动模/数转换.EOC,OE:EOC 为转换结束信号脉冲输出端口,OE 为输出允许控制端口,这两个信号亦可连结在一起表示模/数转换结束 .OE 端的电平由低变高,打开三态输出锁存器,将转换结果的数字量输出到数据总线上.REF(+),REF(-),VCC,GND,REF(+) 和 REF(-)为参考电压输入端,VCC 为主电源输入端,GND 为接地端.一般 REF(+)与 VCC 连接在一起,REF(-) 与 GND 连接在一起.CLK:时钟输入端.3,8 路模拟开关的三位地址选通编码表 ADDA,B,C8 路模拟开关的三位地址选通输入
24、端,以选择对应的输入通道. 地 址 码对应的输入通道CBA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7 二,ADC0808/0809 与 8031 单片机的接口设计 ADC0808/0809 与 8031 单片机的硬件接口有三种方式,查询方式,中断方式和等待延时方式.究竟采用何种方式,应视具体情况,按总体要求而选择.1.延时方式 ADC0809编程模式在软件编写时,应令 p2.7=A15=0;A0,A1,A2 给出被选择的模拟通道的地址 ;执行一条输出指令,启动 A/D 转换;执行一条输入指令,读取 A/D 转换结果.通道地址:7FF8H7F
25、FFH下面的程序是采用延时的方法,分别对 8 路模拟信号轮流采样一次,并依次把结果转存到数据存储区的采样转换程序.START: MOV R1, #50H ;置数据区首地址 MOV DPTR, #7FF8H ;P2.7=0 且指向通道 0 MOV R7, #08H ;置通道数 NEXT: MOVX DPTR,A ;启动 A/D 转换MOV R6, #0AH ;软件延时 DLAY: NOPNOPNOPDJNZ R6, DLAYMOVX A, DPTR ;读取转换结果 MOV R1, A ;存储数据 INC DPTR ;指向下一个通道 INC R1 ;修改数据区指针 DJNZ R7, NEXT ;8
26、 个通道全采样完了吗 . 2.中断方式 将 ADC0808/0809 作为一个外部扩展的并行 I/O 口,直接由 8031 的 P2.0 和脉冲进行启动.通道地址为 FEF8HFEFFH 用中断方式读取转换结果的数字量,模拟量输入通路选择端 A,B,C 分别与 8031 的P0.0,P0.1,P0.2(经 74LS373)相连,CLK 由 8031 的 ALE 提供. INTADC:SETB IT1 ;选择为边沿触发方式 SETB EA ;开中断 SETB EX1 ;MOV DPTR, #0FEF8H ;通道地址送 DPTRMOVX DPTR,A ;启动 A/D 转换PINT1: MOV DP
27、TR, #0FEF8H ; 通道地址送DPTRMOVX A, DPTR;读取从 IN0 输入的转换结果存入 MOV 50H, A ;50H 单元 MOVX DPTR,A ;启动 A/D 转换 RETI ;中断返回三,接口电路设计中的几点注意事项 1.关于ADC0808/0809 最高工作时钟频率的说明由于 ADC0808/0809 芯片内无时钟,所以必须靠外部提供时钟;外部时钟的频率范围为 10KHZ1280KHZ.在前面的 ADC0808/0809 通过中断方式与 8031 单片机接口的电路中,8031 单片机的主频接为 6MHZ,ALE 提供 ADC0808/0809 的时钟频率为 1MH
28、Z(1000KHZ);实际应用系统使用证明,ADC0808/0809 能够正常可靠地工作.但在用户进行 ADC0808/0809 应用设计时,推荐选用 640KHZ 左右的时钟频率. 2,ADC0816/17 与 ADC0809 的主要区别 ADC0816/0817 与 ADC0808/0809 相比,除模拟量输入通道数增至 16 路,封装为 40 引脚外,其原理,性能结构基本相同.ADC0816 和 ADC0817 的主要区别是:ADC0816 的最大不可调误差为1/2LSB,精度高,价格也高;ADC0817 的最大不可调误差为士 1LSB,价格低. 习题七 试设计一数据采集系统 2002.
29、10 使用单位: 山东省气象局在东营市孤岛气象观察站设计单位: 山东大学物理与微电子学院 2000 级设计方案: 自行确定提 示: 对于非模拟物理量 ,可以用下图示意即可非电物理量传感器 A/D 转换器7.3 A/D 转换器 ADC0809 与 MCS-51 单片机的接口设计 ADC0808/0809 八位逐次逼近式 A/D 转换器是一种单片 CMOS 器件,包括 8 位的模/数转换器,8 通道多路转换器和与微处理器兼容的控制逻辑.8 通道多路转换器能直接连通 8 个单端模拟信号中一任何一个. 一,ADC0808/0809 的内部结构及引脚功能 1,ADC0809 转换器内部结构2,ADC08
30、09 引脚功能分辨率为 8 位.最大不可调误差 ADC0808 小于1/2LSB,ADC0809 小于1LSB单一+5V 供电,模拟输入范围为 05V.具有锁存三态输出,输出与 TTL 兼容.功耗为 15mw.不必进行零点和满度调整.转换速度取决于芯片的时钟频率.时钟频率范围:101280KHZ当 CLK=500KHZ 时,转换速度为 128s.IN0IN7:8 路输入通道的模拟量输入端口. 2-12-8:8 位数字量输出端口. START,ALE:START 为启动控制输入端口,ALE 为地址锁存控制信号端口.这两个信号端可连接在一起,当通过软件输入一个正脉冲,便立即启动模/数转换.EOC,
31、OE:EOC 为转换结束信号脉冲输出端口,OE 为输出允许控制端口,这两个信号亦可连结在一起表示模/数转换结束.OE 端的电平由低变高 ,打开三态输出锁存器,将转换结果的数字量输出到数据总线上.REF(+),REF(-),VCC,GND,REF(+)和 REF(-)为参考电压输入端,VCC 为主电源输入端,GND 为接地端.一般REF(+)与 VCC 连接在一起,REF(-)与 GND 连接在一起.CLK:时钟输入端.3,8 路模拟开关的三位地址选通编码表ADDA,B,C8 路模拟开关的三位地址选通输入端,以选择对应的输入通道. 地 址 码对应的输入通道CBA00001111001100110
32、1010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7二,ADC0808/0809 与 8031 单片机的接口设计 ADC0808/0809 与 8031 单片机的硬件接口有三种方式,查询方式,中断方式和等待延时方式.究竟采用何种方式,应视具体情况,按总体要求而选择.1.延时方式 ADC0809 编程模式在软件编写时,应令 p2.7=A15=0;A0,A1,A2 给出被选择的模拟通道的地址;执行一条输出指令,启动 A/D 转换;执行一条输入指令,读取 A/D 转换结果.通道地址:7FF8H7FFFH下面的程序是采用延时的方法,分别对 8 路模拟信号轮流采样一次,并依次把结果转存到数据存储区的采样转换程序.START: MOV R1, #50H ;置数据区首地址MOV DPTR, #7FF8H ;P2.7=0 且指向通道 0 MOV R7, #08H ;置通道数 NEXT: MOVX DPTR,A ;启动 A/D 转换MOV R6, #0AH ;软件延时DLAY: NOPNOP
