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。

審核編輯 ：李倩