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11.2.4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
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明。
下面介绍两种常用芯片的性能和使用方法。
1.ADC0808/0809
ADC0808和ADC0809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±
LSB,ADC0809为±1LSB。
(3)转换时间:
取决于芯片时钟频率,如CLK=500kHz时,TCONV=128μs。
(4)单一电源:
+5V。
(5)模拟输入电压范围:
单极性0~5V;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11.19ADC0808/0809内部结构框图
(1)IN0~IN7——8路模拟输入,通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。
(2)D7~D0——A/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,D0为最低位。
(3)ADDA、ADDB、ADDC——模拟通道选择地址信号,ADDA为低位,ADDC为高位。
地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。
(4)VR(+)、VR(-)——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,VR(+)=5V,VR(-)=0V;双极性输入时,VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。
图11.20ADC0808/0809外部引脚图
表11.3地址信号与选中通道的关系
地址
选中通道
ADDC
ADDB
ADDA
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
(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)START——A/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)工作时序与使用说明
ADC0808/0809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2μs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11.21ADC0808/0809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2μs+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.AD574A
AD574A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±
LSB(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:
35μs。
(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,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11.22AD574A的结构框图与引脚
(1)12/
——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)A0——转换数据长度选择。
当A0为低电平时,进行12位转换;A0为高电平时,则为8位长度的转换。
(3)
——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,用来控制转换与读操作。
只有当它为高电平时,并且
=0时,R/信号的控制才起作用。
CE和
、R/
、12/
、A0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)VCC——正电源,电压范围为0~+16.5V。
(7)Vo(R)——+10V参考电压输出端,具有1.5mA的带负载能力。
表11.4AD574A的转换和读操作控制真值表
CE
12/
A0
操作内容
0
×
1
1
1
1
1
×
1
0
0
0
0
0
×
×
0
0
1
1
1
×
×
×
×
+5V
DGND
DGND
×
×
0
1
×
0
1
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
(8)AGND——模拟地。
(9)GND——数字地。
(10)Vi(R)——参考电压输入端。
(11)VEE——负电源,可选加-11.4V~-16.5V之间的电压。
(12)BIPOFF——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)Vi(10)——单极性0~+10V范围输入端,双极性±5V范围输入端。
(14)Vi(20)——单极性0~+20V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IRQ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11.23AD574A的工作时序
(1)启动转换
在
=0和CE=1时,才能启动转换。
由于是
=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200ns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
=0和CE=1且
为高电平时,才能读数据,由12/
决定是12位并行读出,还是两次读出。
如图11.23所示,
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,
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)方式工作:
CE和12/
固定接高电平,
和A0固定接地,只用
来控制转换和读数,
=0时启动12位转换,
=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BIPOFF直接接AGND,省去外加的调整电路),R2用于满量程调整(如不需调整,R2可用一个50Ω±1%的金属膜固定电阻代替)。
为使量化误差为±
LSB,AD574A的额定偏移规定为
LSB。
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
LSB的模拟信号进行的,这时调R2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11.24AD574A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
LSB(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
LSB(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,R2可用50±1%Ω的固定电阻代替
串行AD转换芯片与51单片机的接口电路及程序设计
AT89C51单片机系统经常使用A/D转换器。
虽然并行A/D转换器速度高、转换通道多,但其价格高,占用单片机接口资源比串行A/D转换器多。
工业检测控制及智能化仪器仪表中经常采用串行A/D转换器。
ADS1110是一种精密、可连续自校准的串行A/D转换器,带有差分输入和高达16位的分辨率,其串行接口为I2C总线。
AT89C51单片机通过软件模拟I2C总线实现与ADS1110的连接。
ADS1110的特点与内部结构
ADS1110的特点
完整的数据采集系统和小型SOT23-6封装;片内基准电压:
精度2.048V+0.05%;片内可编程增益放大器PGA;片内振荡器;16位分辨率;可编程的转换速率15次/秒~240次/秒;I2C总线接口(8个有效地址);电源电压2.7V~5.5V;低电流消耗240μA。
ADS1110的引脚功能
ADS1110串行A/D转换器采用6引脚贴片封装,其引脚排列如图1所示。
VDD:
电源端,通常接+5V;GND:
模拟地和数字地;VIN+、VIN-:
采样模拟信号输入端,其范围为2.048V~2.048V;SCL:
I2C总线时钟线;SDA:
I2C总线数据线。
ADS1110的内部结构
ADS1110是由带有可调增益的△-∑型转换器内核、2.048V的电压基准、时钟振荡器和I2C总线接口组成。
其内部结构如图2所示。
ADS1110的寄存器读写配置请参考:
ADS110引脚功能,寄存器配置及应用电路介绍
ADS1110的A/D转换器内核是由差分开关电容△-∑调节器和数字滤波器组成。
调节器测量正模拟输入和负模拟输入的压差,并将其与基准电压相比较。
数字滤波器接收高速数据流并输出代码,该代码是一个与输入电压成比例的数字,即A/D转换后的数据。
ADS1110片内电压基准是2.048V。
ADS1110只能采用内部电压基准该基准,不能测量,也不用于外部电路。
ADS1110片内集成时钟振荡器用于驱动△-∑调节器和数字滤波器。
ADS1110的信号输入端设有可编程增益放大器PGA,其输入阻抗在差分输入时的典型值为2.8MΩ。
硬件设计
由于AT89C51单片机没有I2C总线接口,可通过软件模拟实现与I2C总线器件的连接。
具体方法是将单片机的I/O接口连接至I2C的数据线SDA和时钟线SCL。
通过软件控制时钟和数据传输,系统灵活性强。
图5所示是数据采集显示系统,采集工业现场的4路模拟信号并轮询显示。
采用4个ADS1110作为A/D转换器,地址为ED0~ED3。
具有I2C总线接口的EEPROMAT24C16作为存储器。
本系统有4位LED数码显示管和4个参数设定按键。
采集数据经数字滤波、16进制→工程值转换后,送至数码管轮询显示。
ADS1110和AT24C16的I2C接口连ADSl110数据线SDA至单片机的P1.0,时钟线SCL连接单片机的P1.1,上拉电阻阻值选10kΩ。
软件设计
按照硬件电路,编写A/D转换子程序为ADS0,其中嵌套调用了START,为起始命令子程序,FSDZ1为向ADS1110发送单个字节命令的子程序,ADREAD是读取输出寄存器和配置寄存器的子程序,STOP是停止命令子程序。
ADS0只对地址为ED0的ADS1110读数,如果要读取其他ADS1110,只需更改地址即可。
系统中ADS1110的工作方式选用默认设置,即配置寄存器内容为#8CH,所以程序未向配置寄存器写入数据。
程序代码如下:
5结束语
ADS1110是一款高性价比具有I2C总线接口的串行A/D转换器。
ADS1110已在单片机系统中应用,并用于现场。
实践证明,ADS1110和单片机组成的数据采集系统,占用I/O端口少、功耗低,适用无电源场合。
但需注意的是,因I2C总线为串行扩展总线,数据采集时不能用于实时速度要求较高的场合。
TLC2543是11个输入端的12位模数转换器,具有转换快、稳定性好、与微处理器接口简单、价格低等优点,应用前景好。
由于它带有串行外设接口(SPI,Seri-alPeripheralInterface),而51系列单片机没有SPI,因此研究它与51单片机的接口就非常有意义。
1 TLC2543的引脚及功能
TLC2543是12位开关电容逐次逼近模数转换器,有多种封装形式,其中DB、DW或N封装的管脚图见图1。
引脚的功能简要分类说明如下。
I/OCLOCK:
控制输入输出的时钟,由外部输入。
DATAINPUT:
控制字输入端,用于选择转换及输出数据格式。
DATAOUT:
A/D转换结果的输出端。
2 TLC2543的使用方法
2.1 控制字的格式
控制字为从DATAINPUT端串行输入的8位数据,它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。
其中高4位(D7~D4)决定通道号,对于0通道至10通道,该4位分别为0000~1010H,当为1011~1101时,用于对TLC2543的自检,分别测试(VREF++VREF-)/2、VREF-、VREF+的值,当为1110时,TLC2543进入休眠状态。
低4位决定输出数据长度及格式,其中D3、D2决定输出数据长度,01表示输出数据长度为8位,11表示输出数据长度为16位,其他为12位。
D1决定输出数据是高位先送出,还是低位先送出,为0表示高位先送出。
D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码),若为单极性,该位为0,反之为1。
2.2 转换过程
上电后,片选CS必须从高到低,才能开始一次工作周期,此时EOC为高,输入数据寄存器被置为0,输出数据寄存器的内容是随机的。
开始时,CS片选为高,I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止,DATAOUT呈高阻状,EOC为高。
使CS变低,I/OCLOCK、DATAINPUT使能,DATAOUT脱离高阻状态。
12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入),同时上一周期转换的A/D数据,即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出。
TLC2543收到第4个时钟信号后,通道号也已收到,此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样,并保持到第12个时钟的下降沿。
在第12个时钟下降沿,EOC变低,开始对本次采样的模拟量进行A/D转换,转换时间约需10μs,转换完成后EOC变高,转换的数据在输出数据寄存器中,待下一个工作周期输出。
此后,可以进行新的工作周期。
3 TLC2543与单片机的接口和采集程序
目前使用的51系列单片机没有SPI接口,为了与TLC2543接口,可以用软件功能来实现SPI的功能,其硬件接口如图2所示。
本示例采用延时进行采集,故省去了EOC引脚的接口。
下面是采用C51编写的A/D转换程序。
其中port是待采集的模拟量通道号,ad_data是采样值。
delay()是延时函数,大约为20微秒。
模拟滤波器可以分为无源和有源滤波器。
无源滤波器:
这种电路主要有无源元件R、L和C组成。
有源滤波器:
集成运放和R、C组成,具有不用电感、体积小、重量轻等优点。
集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。
但集成运放带宽有限,所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。
有源滤波自身就是谐波源。
其依靠电力电子装置,在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等,相位相反的谐波向量,这样可以抵消掉系统谐波,使其成为正弦波形。
有源滤波除了滤除谐波外,同时还可以动态补偿无功功率。
其优点是反映动作迅速,滤除谐波可达到95%以上,补偿无功细致。
缺点为价格高,容量小。
由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟,所以当前常见的有源滤波容量不超过600kvar。
其运行可靠性也不及无源。
一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻(调谐滤波)状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。
这样谐波电流就不会流入系统。
无源滤波的优点为成本低,运行稳定,技术相对成熟,容量大。
缺点为谐波滤除率一般只有80%,对基波的无功补偿也是一定的。
目前在容量大且要求补偿细致的地方一般使用有源加无源混合型,即无源进行大容量的滤波补偿,有源进行微调。
原理上讲,有源滤波器可以达到很高的Q值,但是过高的Q值对于有源滤波器来说是不够稳定的。
有源滤波器的特性曲线不够好,有可能是你使用的运放带宽不够。
从原理上,无论有源无源,实现出来的特性应该是一致的。
主要还是一个制作问题。
你的说法有基本概念问题。
不能说你的二阶低通滤波器的相应没有巴特沃思的相应好!
因为你的滤波器就是根据巴特沃思原形设计的!
你的楼下那位大虾说的很对。
无论是无源还是有源滤波器,都是基
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