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A/D轉換器工作原理及轉換電路圖設計

技術中心

Technology

A/D轉換器工作原理及轉換電路圖設計

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2021/06/24
瀏覽量

A/D轉換器工作原理A/D轉換就是要將模擬量V(如V=5V)轉換成數字量D(如D=255)。模/數(A/D)轉換的型式較多,如計數比較型、逐次逼近型、雙積分型等等。在集成電路器件中普遍采用逐次逼近型,現簡要介紹逐次逼近型A/D的基本工作原理。

圖為逐次逼近型的結構圖。這種A/D轉換器是以D/A轉換器為基礎,加上比較器、逐次逼近寄存器、置數選擇邏輯電路及時鐘等組成。其轉換原理如下。

在啟動信號控制下,首先置數選擇邏輯電路,給逐次逼近寄存器最高位置“1”,經D/A轉換成模擬量后與輸入模擬量進行比較,電壓比較器給出比較結果。如果輸入量大于或等于經D/A變換后輸出的量,則比較器為1,否則為0,置數選擇邏輯電路根據比較器輸出的結果,修改逐次逼近寄存器中的內容,使其經D/A變換后的模擬量逐次逼近輸入模擬量。這樣經過若干次修改后的數字量,便是A/D轉換結果的量。

現逼近型A/D大多采用二分搜索法,即首先取允許電壓最大范圍的1/2值與輸入電壓值進行比較,也就是首先最高為“1”,其余位為“0”。如果搜索值在此范圍內,則再取范圍的1/2值,即次高位置“1”。如果搜索值不在此范圍內,則應以搜索值的最大允許輸入電壓值的另外1/2范圍,即最高位為“0”,依次進行下去,每次比較將搜索范圍縮小1/2,具有n位的A/D變換,經n次比較,即可得到結果。逐次逼近法變換速度較快,所以集成化的A/D芯片多采用上述方法。

由圖可知,A/D轉換需外部啟動控制信號才能進行,分為脈沖啟動和電平啟動兩種,使用脈沖啟動的芯片有ADC0804、ADC0809、ADC1210等。使用電平啟動的芯片有ADC570、ADC571、ADC572等。這一啟動信號由CPU提供,當A/D轉換器被啟動后,通過二分搜索法經n次比較后,逐次逼近寄存器的內容才是轉換好的數字量。因此,必須在A/D轉換結束后才能從逐次逼近寄存器中取出數字量。為此D/A芯片專門設置了轉換結束信號引腳,向CPU發轉換結束信號,通知CPU讀取轉換后的數字量,CPU可以通過中斷或查詢方式檢測A/D轉換結束信號,并從A/D芯片的數據寄存器(即圖10-9中逐次逼近寄存器)中取出數字量。

A/D轉換電路圖設計(一)

ICL7109的接口電路較強,輸出為12位二進制數。其特點是:可與TTL電路兼容;具有三態控制輸出;有通用信號控制端,可方便監視轉換;有極性和溢出位;片內有振蕩器,UART異步收發數據交換;可串行、并行接口;差分輸入,差分基準電壓使其具有較低噪聲和較小誤差;帶有防靜電保護功能;類似型號有TSC7109,ADC7109。模擬部分接線圖:

 

A/D轉換電路圖設計(二)

通常A/D轉換都需使用A/D轉換芯片來實現,MC9S12XS128MAL是飛思卡爾公司HCS12系列16位單片機中的一種,它有8kB的RAM、128kB的片內閃存(FlashEEPROM)、2kB的電可擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)及多種功能的接口,MC9S12XS128內置的A/D模塊是16通道、12位精度、多路輸入復用、逐次逼近型的模數轉換器,故可省去使用A/D轉換芯片而設計的硬件電路,可降低成本,提高了系統的穩定性及可靠性。但單片機的模擬輸入端只能接受單極正向模擬信號,不能直接進行雙極模擬信號的模數轉換,為此必須把雙極模擬信號轉換成單極正向模擬信號。在一般的設計中,常常要把形如-ui-+ui的雙極型模擬信號通過電位平移電路轉換成0~5V單極信號,而這種平移電路會使得A/D轉換的精度降低一倍,而且穩定性也降低。而文中采用對稱電路設計,使得單片機可接收的A/D信號由0~5V擴大到-5~+5V,A/D轉換的量程擴大了1倍,穩定性也大幅提高。

電路設計

設計原理

當輸入的信號經放大電路放大后,若信號為正,則二極管1截止,信號無損失地從AD0口輸入,同時正的信號經反相器反相后變成負的信號,二極管2導通,所以AD1口接收到的信號為二極管2的正向導通壓降的負值,只要這個負值電壓的幅度小于A/D口輸入的允許值,則由此口采集的A/D值就為0,因此在這種情況下的A/D值就是AD0口的值;

反之,當輸入的信號為負值時,二極管1導通,AD0口接收的數據為0,而經反相器反相后的信號為正,二極管2截止,AD1口接收數據。

若AD=AD0-AD1,當信號為正時,AD=AD0-0,為正;當信號為負時,AD=0-AD1,為負。此時,AD可接收的數據由原來的0~5V擴展為-5~+5V。

二極管的選擇

若從線性度考慮,應該選擇正向壓降高的二極管,例如1N4007。但1N4007的正向壓降約為0.7V,當二極管導通時,對應的A/D口所接收到的信號為-0.7V,這會燒毀單片機,所以從安全性考慮應該選擇壓降較低的二極管進行實驗。PMEG2010的壓降約為0.1V,1N60的壓降約為0.2~0.3V,均能保護好單片機不被燒壞。在安全性的前提下,分別測量數據分析二極管的線性度。

a/d轉換電路圖設計(三)

D/A轉換電路由‘DAC0832及運算放大器LM358等組成,有兩個糟出通道,采用單極性電壓輸出。數字輸出范圍為:OOH—FFH,對應電壓輸出范圍為;O—5v。對電阻爐的溫度進行控制,其中5v對應200℃.ov對應0℃。DAC0832的地址為288H~28BH,參考電壓接穩壓塊7805的輸出+5v,前一級運算放大器輸出為0~-5v.第二級運算放大器輸出為0—+5v。

A/D轉換電路圖設計(四)

給大家提供一種實用的用普通單片機實現的A/D轉換電路,它只需要使用普通單片機的2個I/O腳與1個運算放大器即可實現,而且它可以很容易地擴展成帶有4通道A/D轉換功能,由于它占用資源很少,成本很低,其A/D轉換精度可達到8位或更高,因此很具有實用價值。

電路如圖所示:

其工作原理說明如下:

1、硬件說明:

圖一中“RA0”和“RA1”為單片機的兩個I/O腳,分別將其設置為輸出與輸入狀態,在進行A/D轉換時,在程序中通過軟件產生PWM,由RA0腳送出預設占空比的PWM波形。RA1腳用于檢測比較器輸出端的狀態。

R1、C1構成濾波電路,對RA0腳送出的PWM波形進行平滑濾波。RA0輸出的PWM波形經過R1、C1濾波并延時后,在U1點產生穩定的電壓值,其電壓值U1=VDD*D1/(D1+D2),若單片機的工作電壓為穩定的+5V,則U1=5V*D1/(D1+D2)。

圖一中的LM324作為比較器使用,其輸入負端的U1電壓與輸入正端的模擬量電壓值進行比較,當U1大于模擬量輸入電壓時,比較器的輸出端為低電平,反之為高電平。

2、A/D轉換過程:

如果使RA0輸出PWM波形,其占空比由小到大逐漸變化,則U1的電壓會由小到大逐漸變化,當U1電壓超過被測電壓時,比較器的輸出端由高電平變為低電平,因此可以認為在該變化的瞬間被測的模擬量與U1的電壓相等。

由于U1的電壓值=VDD*D1/(D1+D2),當VDD固定時,其電壓值取決于PWM波形的占空比,而PWM的占空比由單片機軟件內部用于控制PWM輸出的寄存器值決定,若軟件中用1個8位寄存器A來存放RA0輸出的PWM的占空比值D1,因此在RA1檢測到由“1”變為“0”的瞬間,A寄存器的值D1即為被測電壓的A/D轉換值,其A/D轉換結果為8位。如果用16位寄存器來作輸出PWM的占空比,則A/D轉換值可達到16位。

A/D轉換電路圖設計(五)

本次設計選用高性能7/2位A/D轉換器件MC14433,其片內含有振蕩器,只要外接兩只電容和兩只電阻即可,在此選其輸出量程為199.9mV。MC14433的輸出信號端中Q0~Q3為BCD碼數據輸出端,DS1~DS4分別是千位、百位、十位和個位數的輸出選通信號。通過調節電阻R的阻值可以使得MC14433的輸出BCD碼與輸入電壓相同。其中MC1403是精密電源為MC14433提供可靠的參考電壓。

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