為將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時實現(xiàn)。

一、A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

1.取樣與保持

取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為時間離散的模擬量。取樣過程示意圖如圖7.16所示。圖a中，傳輸門受取樣信號  控制，在  的脈寬t期間，傳輸門導(dǎo)通，輸出信號 為輸入信號  ，而在  期間,輸出信號  。電路中各信號波形如圖b所示。

圖7.16取樣過程

通過分析可以看出，取樣信號  的頻率愈高，所取得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實的復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的取樣頻率由取樣定理（詳見信號與系統(tǒng)教材）決定。

    將取樣電路每次得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定的時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定值，每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。

取樣與保持過程往往是通過取樣—保持電路同時完成的。取樣—保持電路的原理圖及其輸出波形如圖7.17所示。

 

                   (a)原理圖                                  (b)波形圖

圖7.17 取樣－保持電路

電路由輸入放大器A1、輸出放大器A2、保持電容CH和開關(guān)驅(qū)動電路組成。電路圖中要求A1具有很高的輸入阻抗，以減小對輸入信號源的影響。為使保持階段CH上所存電荷不易泄放，A2也應(yīng)具有較高輸入阻抗，A2還應(yīng)具有較低的輸出阻抗，這樣可以提高電路的帶負(fù)載能力。一般還要求電路中  。

   結(jié)合圖7.17來分析取樣—保持電路的工作原理。在t=t0時，開關(guān)S閉合，電容被迅速充電，由于  ，因此  ，在  時間間隔內(nèi)是取樣階段。當(dāng)t=t1時刻S斷開。若A2的輸入阻抗為無窮大、S為理想開關(guān)，這樣就可認(rèn)為電容CH沒有放電回路，其兩端電壓保持為  不變，圖7.17b中  的平坦段即為保持階段。

   取樣保持電路已有很多種型號的單片集成電路產(chǎn)品。如雙極型工藝的有AD585、AD684；混合工藝的有AD1154、SHC76等。

2. 量化與編碼

量化為數(shù)值量化的簡稱，就是將取樣—保持電路的輸出電壓，按某種近似方式規(guī)劃到與之相應(yīng)的離散電平上的轉(zhuǎn)化過程。量化后的數(shù)值最后還須通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。

    量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位，用D表示。它是數(shù)字信號最低位為1時所對應(yīng)的模擬量，即1LSB。

    在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被D整除，所以量化前后不可避免的存在誤差，此誤差稱之為量化誤差，用e表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

量化過程近似方式：

²        取整方式，即只舍不入量化方式

²        四舍五入量化方式

以3位A/D轉(zhuǎn)換器為例，設(shè)輸入信號  的變化范圍為0~8V，采用只舍不入量化方式時，取D=1V，量化中把不足量化單位部分舍棄，如數(shù)值在0~1V之間的模擬電壓都當(dāng)作0D，用二進(jìn)制數(shù)000表示，而數(shù)值在1~2V之間的模擬電壓都當(dāng)作1D，用二進(jìn)制數(shù)001表示…。這種量化方式的最大量化誤差為D；如采用四舍五入的量化方式，則取量化單位D=8V/15，量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。它將數(shù)值在0~8V/15之間的模擬電壓都當(dāng)作0D對待，用二進(jìn)制數(shù)000表示，而數(shù)值在8V/15~24V/15之間的模擬電壓當(dāng)作1D，用二進(jìn)制數(shù)001表示等。

不難看出，四舍五入量化方式的量化誤差比前者小。因為只舍不入量化方式最大量化誤差|  |=1LSB，而四舍五入量化方式|  |=LSB/2，故大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器采用四舍五入量化方式。

3.A/D轉(zhuǎn)換器分類

		直接A/D轉(zhuǎn)換器：	將模擬信號量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；具有較高的轉(zhuǎn)換速度；其典型電路有并行比較型和逐次比較型
按其工作原理
		間接A/D轉(zhuǎn)換器：	先將模擬信號轉(zhuǎn)換成某一中間電量（時間或頻率），然 后再將中間電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出；轉(zhuǎn)換速度較慢；其 典型電路是雙積分型和電壓頻率轉(zhuǎn)換型。

         單片集成并行比較器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012（TTL工藝，8位）、AD9002（ECL工藝，8位）、AD9020（TTL工藝，10位）等。常用集成逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器有ADC0808/0809系列（8位）、A/D575（10位）、A/D574（12位）等。單片集成雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器有ADC—EK8B（8位，二進(jìn)制碼）、ADC—EK10B（10位，二進(jìn)制碼）、MC14433等。下面將詳細(xì)介紹幾種A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理。

二、 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

1.電路結(jié)構(gòu)及原理

3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理電路如圖7.18所示。它由電阻分壓器、寄存器及編碼器組成。圖中的8個電阻將參考電壓  分成8個等級，其中7個等級的電壓分別作為7個比較器  的參考電壓，其數(shù)值分別為  /15、3  /15、¼13  /15。輸入電壓  ，它的大小決定各比較器的輸出狀態(tài)，例如，0£  <  /15時，  ~  的輸出狀態(tài)都為0；當(dāng)3  /15£  <5  /15時，比較器  ，其余各比較器的狀態(tài)均為0。根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器的輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。優(yōu)先編碼器優(yōu)先級別最高是  。

設(shè)  變化范圍是0~  ，輸出3位數(shù)字量為  ，3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系如表3所示。

在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓  同時加到所有比較器的輸入端，從  加入到3位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷的時間為比較器、D觸發(fā)器和編碼器延遲時間之和。如不考慮上述器件的延遲，可認(rèn)為3位數(shù)字量是與  輸入時刻同時獲得的。所以它具有最短的轉(zhuǎn)換時間。

圖7.18 3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

      表3. 3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸入與輸出關(guān)系對照表

2.并行A/D轉(zhuǎn)換器特點

   （1）轉(zhuǎn)換速度最快。因為轉(zhuǎn)換是并行的，其轉(zhuǎn)換時間只受比較器、觸發(fā)器和編碼器電路延遲時間的限制。

   （2）制成分辨率較高的集成并行A/D轉(zhuǎn)換器是比較困難的。因為隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級數(shù)增加。一個n位轉(zhuǎn)換器，所用比較器的個數(shù)為  ，位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。如8位的并行A/D轉(zhuǎn)換器就需要  =225個比較器。

   （3）為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以分級并行轉(zhuǎn)換的方法。10位分級并行A/D轉(zhuǎn)換器原理圖如7.19圖所示。圖中輸入模擬信號  ，經(jīng)取樣保持電路分為兩路，

圖7.19 分級并行轉(zhuǎn)換10位A/D轉(zhuǎn)換器

一路先經(jīng)第一級5位并行A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行粗轉(zhuǎn)換得到輸出數(shù)字量的高5位，另一路送至減法器，與高5位D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬電壓相減。由于相減所得到差值電壓小于1  ，為保證第二級A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，將差值放大  =32倍，送第二級5位并行比較A/D轉(zhuǎn)換器，得到低5位輸出。這種方式雖然在速度上做了犧牲，卻使元件數(shù)大為減少，在需要兼顧分辨率和速度的情況下常被采用。

三、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

1.轉(zhuǎn)換原理

    逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器是目前采用最多的一種直接A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似（天平稱重的過程是，從最重的砝碼開始試放，與被稱物體進(jìn)行比較，若物體重于砝碼，則該砝碼保留，否則移去。再加上第二個次重砝碼，由物體的重量是否大于砝碼的重量決定第二個砝碼是留下還是移去。照此一直加到最小一個砝碼為止。將所有留下的砝碼重量相加，就得物體重量）。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器仿照這一思路，將輸入模擬信號與不同的參考電壓做多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。

n位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器框圖如圖7.20所示。它由控制邏輯電路、數(shù)據(jù)寄存器、移

7.20 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器框圖

位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成。

工作原理：電路由啟動脈沖啟動后，在第一個時鐘脈沖作用下，控制電路是移位寄存器的最高位置1，其它位置0，其輸出經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器將1000¼0送入D/A轉(zhuǎn)換器。輸入電壓首先與D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓 （  /2）相比較，如  /2，則為0。比較結(jié)果存于數(shù)據(jù)寄存器的  位。然后在第二個CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其它位置0。如果高位已存1，則此時  。于是，  再與  相比較，如  則次高位  ；如最高位為0，則  ，  與  比較，如  ，則  位存1，否則存0……。依次類推，逐次比較得到輸出數(shù)字量。

    為進(jìn)一步理解逐次比較器A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理及轉(zhuǎn)換過程，下面用實例加以說明。

設(shè)圖7.21電路為8位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入模擬量  D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓  =10V。根據(jù)逐次比較D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理，可以畫出在轉(zhuǎn)換過程中CP、啟動脈沖、  ，及D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓  的波形，如圖7.21所示。

由圖7.21可見，當(dāng)啟動脈沖低電平到來后轉(zhuǎn)換開始。在第一個CP作用下，數(shù)據(jù)寄存器  =10000000送入D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓  第二個CP到來時，寄存器輸出  =11000000，  為7.5V，  再與7.5V比較，因為  存0；輸入第三個CP時，  =10100000，   再與  比較，……如此重復(fù)比較下去，經(jīng)8個時鐘周期，轉(zhuǎn)換結(jié)束。由圖中  的波形可見，在逐次比較過程中，與輸出數(shù)字量對應(yīng)的模擬電壓  逐漸逼近  值，最后得到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果  為10101111。該數(shù)字量所對應(yīng)的模擬電壓為6.8359375V，與實際輸入的模擬電壓6.84V的相對誤差為0.06%.

圖7.21 8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器波形圖

例題1、四位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路如圖7.22所示。圖中5位移位寄存器可進(jìn)行并入/并出或串入/串出操作，其F為并行置數(shù)端，高電平有效，S為高位串行輸入。數(shù)據(jù)寄存器由D邊沿觸發(fā)器組成，數(shù)字量從  輸出，試分析電路的工作原理。

圖7.22 4位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路

解：電路工作過程如下：當(dāng)啟動脈沖上升到來后，  被清零，  置1，  的高電平開啟  門，時鐘CP脈沖進(jìn)入移位寄存器。在第一個CP脈沖作用下，由于移位寄存器的置數(shù)使能端F已由0變成1，并行輸入數(shù)據(jù)ABCDE置入，  。  的低電平使數(shù)據(jù)寄存器的最高位置1，即  =1000。D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量1000轉(zhuǎn)換為模擬電壓  ，送入比較器C與輸入模擬電壓  比較，若輸入電壓  ，則比較器C輸出  為1，否則為0。比較結(jié)果送  。

第二個CP脈沖到來后，移位寄存器的串行輸入端S為高電平，  的0移至次高位  。于是數(shù)據(jù)寄存器的  由0變成1，這個正跳變作為有效觸發(fā)信號加到  的CP端使  的電平得以在  保存下來。此時，由于其他觸發(fā)器無跳變脈沖，  的信號對他們不起作用。  變1后建立了新的D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，輸入電壓再與其輸出電壓  相比較，比較結(jié)果在第三個時鐘脈沖作用下存于  。如此進(jìn)行，直到  封鎖，轉(zhuǎn)換完畢。于是電路的輸出端  得到與輸入電壓  成正比的數(shù)字量。

    由此以上分析可見，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換的時間與其位數(shù)和時鐘脈沖頻率有關(guān),位數(shù)愈少,時鐘頻率越高,轉(zhuǎn)換所需時間越短。這種A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換速度快，精度高的特點。

 四、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是，對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。由于該轉(zhuǎn)換電路是對輸入電壓的平均值進(jìn)行交換，所以它具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，在數(shù)字測量中得到廣泛應(yīng)用。

    圖7.23是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路，它由積分器（由集成運放A組成），過零比較器（C）、時鐘脈沖控制門（G）和定時/計數(shù)器（  ）等幾部分組成。

圖7.23 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器

    積分器 是轉(zhuǎn)換器的核心部分，它的輸入端所接開關(guān)  控制。當(dāng)  為不同電平時，極性相反的輸入電壓  將分別加到積分器的輸入端，進(jìn)行兩次方向相反的積分，積分時間常數(shù)t=RC。

    過零比較器 用來確定積分器輸出電壓  過零的時刻。當(dāng)  ³0時，比較器輸出  為低電平；當(dāng)  <0時，  為高電平。比較器的輸出信號接至?xí)r鐘控制門（G）作為關(guān)門和開門信號。

    計數(shù)器和定時器 由  個接成計數(shù)型的觸發(fā)器  串聯(lián)組成。觸發(fā)器  組成n級計數(shù)器，對輸入時鐘脈沖CP記數(shù)，以便把與輸入電壓平均值成正比的時間間隔轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號輸出。當(dāng)記數(shù)到  個時鐘脈沖時，  均回到0態(tài)，而  翻轉(zhuǎn)為1態(tài)，  后開關(guān)  從位置A轉(zhuǎn)接到B。

    時鐘脈沖控制門 時鐘脈沖源標(biāo)準(zhǔn)周期  作為測量時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時間。當(dāng)vc=1時門打，時鐘脈沖通過門加到觸發(fā)器FF0的輸入端。

   下面以輸入正極性的直流電壓  為例，說明電路將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的基本原理。電路工作過程分為以下幾個階段進(jìn)行，圖中各處的工作波形如圖7.24所示。

（1）準(zhǔn)備階段

首先控制電路提供CR信號使計數(shù)器清零，同時使開關(guān)  閉合，待積分電容放電完畢后，再使  斷開。

   （2）第一次積分階段

在轉(zhuǎn)換過程開始時（t=0），開關(guān)  與A端接通，正的輸入電壓  加到積分器的輸入端。積分器從0V開始對  積分，其波形如圖7.24斜線O-  段所示。根據(jù)積分器的原理可得                              

    由于  <0，過零比較器輸出為高電平，時鐘控制門G被打開。于是，計數(shù)器在CP作用下從0開始記數(shù)。經(jīng)  個時鐘脈沖后，觸發(fā)器  都翻轉(zhuǎn)到0態(tài)，而  =1，開關(guān)  由A點轉(zhuǎn)接到B點，第一次積分結(jié)束。第一次積分

                                                                  

令  為輸入電壓在  時間間隔內(nèi)的平均值，則由  可得第一次積分結(jié)束時積分器的輸出電壓為  ：             

（3）第二次積分階段

     時，  轉(zhuǎn)接到B點，具有與  相反極性的基準(zhǔn)電壓-  加到積分器的輸入端；積分器開始向相反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)  時，積分器輸出電壓  ，比較器輸出

vc=0，時鐘脈沖控制門G被關(guān)閉，記數(shù)停止。在此階段結(jié)束時  的表達(dá)式可寫為

                            

設(shè)  ，于是有

                              

在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為  ，則

                                                

可見，  就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程中的中間變量。

                                  

    上式表明，在計數(shù)器中所計得的數(shù)  ，與在取樣時間  內(nèi)輸入電壓的平均值  成正比的。只要  ，轉(zhuǎn)換器就能正常的將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并能從計數(shù)器讀取轉(zhuǎn)換的結(jié)果。如果取  ，計數(shù)器所計的數(shù)在數(shù)值上就等于被測電壓。

圖7.24 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器各處的工作波形

     由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在  時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。尤其對周期等于  或幾分之一  的對稱干擾（所謂對稱干擾是指整個周期內(nèi)平均值為零的干擾），從理論上來說，有無窮大的抑制能力。即使當(dāng)工頻干擾幅度大于被測直流信號，使得輸入信號正負(fù)變化時，仍有良好的抑制能力。由于在工業(yè)系統(tǒng)中經(jīng)常碰到的是工頻（50HZ）或工頻的倍頻干擾，故通常選定采樣時間  總是等于工頻電源周期的倍數(shù)，如20ms或40ms等。另一方面，由于在轉(zhuǎn)換過程中，前后兩次積分所采用的同一積分器。因此，在兩次積分期間（一般在幾十至數(shù)百毫秒之間），R、C和脈沖源等元器件參數(shù)的變化對轉(zhuǎn)換精度的影響均可以忽略。

     最后必須指出，在第二次積分階段結(jié)束后，控制電路又使開關(guān)  閉合，電容C放電，積分器回零。電路再次進(jìn)入準(zhǔn)備階段，等待下一次轉(zhuǎn)換開始。

五、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換速度等。選擇A/D轉(zhuǎn)換器時，除考慮這兩項技術(shù)指標(biāo)外，還應(yīng)注意滿足其輸入電壓的范圍、輸出數(shù)字的編碼、工作溫度范圍和電壓穩(wěn)定等方面的要求。

1. 轉(zhuǎn)換精度

    單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。

   （1）分辨率

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。它說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。從理論上講，n位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分  個不同等級的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/  。在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)越多，量化單位愈小，分辨率愈高。例如A/D轉(zhuǎn)換器輸出為8位二進(jìn)制數(shù)，輸出信號最大值為5V，那么這個轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分出輸入信號的最小電壓為19.53mV。

   （2）轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換誤差通常以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如，給出相對誤差≤LSB/2，這就說明實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差1。

2. 轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。其中并行比較A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高，8位二進(jìn)制輸出的單片集成A/D轉(zhuǎn)換時間可達(dá)50ns以內(nèi)，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之，他們多數(shù)轉(zhuǎn)換時間在10~50μs之間，也有達(dá)幾百納秒的。間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢，如雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實際應(yīng)用中應(yīng)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)總的位數(shù)、精度要求、輸入模擬信號的范圍及輸入信號極性等方面綜合考慮A/D轉(zhuǎn)換器的作用。

例題2  某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在1s內(nèi)對16個熱電偶輸出電壓分時進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0~0.025V（對應(yīng)于0~  溫度范圍），需要分辨的溫度為0.1  ,試問應(yīng)選擇多少位的A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為多少？

解：對于0~450  溫度范圍，信號電壓為0~0.025V,分辨溫度為0.1  ，這相當(dāng)于  的分辨率。12位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為  ，所以必須選用13位的A/D轉(zhuǎn)換器。

   系統(tǒng)的取樣速率為每秒16次，取樣時間為62.5ms。對于這樣慢速的取樣，任何一個A/D轉(zhuǎn)換器都可以達(dá)到?？蛇x用帶有取樣—保持（S/H）的逐次比較A/D轉(zhuǎn)換器或不帶S/H的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器均可。

六、集成A/D轉(zhuǎn)換起及其應(yīng)用

在單片集成A/D轉(zhuǎn)換器中，逐次比較型使用較多，下面我們以ADC0804介紹集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用。

1. ADC0804引腳及使用說明

    ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型摸數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率8位，轉(zhuǎn)換時間100μs，輸入電壓范圍為0~5V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為  5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計算機(jī)連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線

上，無須附加邏輯接口電路。ADC0804芯片外引腳圖如7.25所示。引腳名稱及意義如下：

 ：ADC0804的兩模擬信號輸出端，用以接受單極性、雙極性和差摸輸入信號。

 ：A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能與微機(jī)總線相接。

AGND：模擬信號地。

DGND：數(shù)字信號地。

CLKIN：外電路提供時鐘脈沖輸入端。

CLKR：內(nèi)部時鐘發(fā)生器外接電阻端，與CLKIN端配合可由芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖，其頻率為1/1.1RC。

圖7.25 ADC0804引腳圖

CS：片選信號輸入端，低電平有效，一旦CS有效，表明A/D轉(zhuǎn)換器被選中，可啟動工作。WR：寫信號輸入，接受微機(jī)系統(tǒng)或其它數(shù)字系統(tǒng)控制芯片的啟動輸入端，低電平有效，當(dāng)CS、WR同時為低電平時，啟動轉(zhuǎn)換。。

RD：讀信號輸入，低電平有效，當(dāng)CS、RD同時為低電平時，可讀取轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)。

INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號，低電平有效。輸出低電平表示本次轉(zhuǎn)換已完成。該信號常作為向微機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的中斷請求信號。

在使用時應(yīng)注意以下幾點：

    （1）轉(zhuǎn)換時序

 ADC0804控制信號的時序圖如7.26所示，由圖可見各控制信號時序關(guān)系為：當(dāng)CS

圖7.26  ADC0804控制信號的時序圖

與WR同時為低電平A/D轉(zhuǎn)換器被啟動切在WR上升沿后100  模數(shù)完成轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時，INTR自動變?yōu)榈碗娖?，表示本次轉(zhuǎn)換已結(jié)束。如CS、RD同時來低電平，則數(shù)據(jù)鎖存器三態(tài)門打開，數(shù)字信號送出，而在RD高電平到來后三態(tài)門處于高阻狀態(tài)。

（2）零點和滿刻度調(diào)節(jié)。

ADC0804的零點無須調(diào)整。滿刻度調(diào)整時，先給輸入端加入電壓  ，使?jié)M刻度所對應(yīng)的電壓值是  ，其中  是輸入電壓的最大值，  是輸入電壓的最小值。當(dāng)輸入電壓與  值相當(dāng)時，調(diào)整  端電壓值使輸出碼為FEH或FFH。

（3）參考電壓的調(diào)節(jié)

在使用A/D轉(zhuǎn)換器時，為保證其轉(zhuǎn)換精度，要求輸入電壓滿量程使用。如輸入電壓動態(tài)范圍較小，則可調(diào)節(jié)參考電壓  ，以保證小信號輸入時ADC0804芯片8位的轉(zhuǎn)換精度。

（4）接地

模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中要特別注意到地線的正確連接，否則干擾很嚴(yán)重，以至影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。A/D、D/A及取樣保持芯片上都提供了獨立的模擬地（AGND）和數(shù)字地（DGND）的引腳。在線路設(shè)計中，必須將所有的器件的模擬地和數(shù)字地分別連接，然后將模擬地與數(shù)字地僅在一點上相連。地線的正確連接方法如圖7.27所示。

圖7.27 正確的地線連接

2. ADC0804的典型應(yīng)用

下面以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例介紹ADX0804的典型應(yīng)用。

    在現(xiàn)代過程控制及各種智能儀器和儀表中，為采集被控（被測）對象數(shù)據(jù)以達(dá)到由計算機(jī)進(jìn)行實時控制、檢測的目的，常用微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單通道微機(jī)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的示意圖如圖7.28所示。

7.28 單通道微機(jī)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

    系統(tǒng)由微機(jī)處理器、存儲器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，它們之間通過數(shù)據(jù)總線（DBUS）和控制總線（CBUS）連接，系統(tǒng)信號采用總線傳送方式。

    現(xiàn)在以程序查詢?yōu)槔?，說明ADC0804在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。采集數(shù)據(jù)時，首先微處理器執(zhí)行一條傳送指令，在該指令執(zhí)行過程中，微處理器在控制總線的同時產(chǎn)生C 低電平信號，啟動A/D轉(zhuǎn)換器工作，ADC0804經(jīng)100  后將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存于輸出鎖存器，并INTR端產(chǎn)生低電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，并通知微處理器可來取數(shù)。當(dāng)微處理器通過總線查詢到INTR為低電平時。立即執(zhí)行輸入指令，以產(chǎn)生CS，  低電平信號到ADC0804相應(yīng)引腳，將數(shù)據(jù)取出并存入存儲器中。整個數(shù)據(jù)采集過程中，由微處理器有序的執(zhí)行若干指令完成。