ADC接口技术：集成电路VFC器件的应用实例

A/D转换器简称ADC。

1.ADC的主要技术指标

（1）分辨力

分辨力表示ADC对输入量微小变化的敏感度，它等于输出数字量最低位一个字（1 LSB）所代表的输入模拟电压值。例如，输入满量程模拟电压为Um的N位ADC，其分辨率为

ADC的位数越多，分辨力越高。因此，分辨力也可以用A/D转换的位数表示。

（2）精度

精度分为绝对精度和相对精度。

①绝对精度：指输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字信号的理论电压值之间的差值。它包括量化误差、线性误差和零位误差。绝对精度常用LSB的倍数来表示，常见的有±1/2LSB和±1LSB。一般A/D转换的量化噪声有1LSB和LSB/2两种。

②相对精度：指绝对误差与满刻度值的百分比。由于输入满刻度值可根据需要设定，因此相对误差也常用LSB为单位来表示。

可见，精度与分辨率相关，但却是两个不同的概念。相同位数的ADC，其精度可能不同。

（3）量程（满刻度范围）

量程是指输入模拟电压的变化范围。例如，某转换器具有10V的单极性范围或－5～5V的双极性范围，则它们的量程都为10V。

应当指出，满刻度只是个名义值，实际的A/D、D/A转换器的最大输出值总是比满刻度值小1/2N。例如，满刻度值为10V的12位ADC，其实际的最大输出值为。这是因为模拟量的0值是2N个转换状态中的一个，在0值以上只有2N－1个梯级。但习惯上转换器的模拟量范围总是用满刻度来表示。

（4）线性度误差

理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线的不同而出现的误差，通常也用LSB的倍数来表示。

（5）转换时间

转换时间是指从发出启动转换脉冲开始到输出稳定的二进制代码，即完成一次转换所需要的最长时间。转换时间与转换器的工作原理及其位数有关。同种工作原理的转换器，通常位数越多，其转换时间越长。对大多数ADC来说，转换时间就是转换频率（转换的时钟频率）的倒数。

2.ADC的分类及其特点

（1）按转换原理分类

按A/D转换的原理，ADC主要分为比较型和积分型两大类。其中，常用的是逐次逼近型、双积分型和V/F变换型（电荷平衡式）ADC。

①逐次逼近型ADC：它是以数模转换器DAC为核心，配上比较器和一个逐次逼近寄存器，在逻辑控制器操纵下逐位比较并寄存结果。它也可以由DAC、比较器和计算机软件构成。逐次逼近ADC的特点是：转换速度较高（1μs～1ms），8～14位中等精度，输出为瞬时值，抗干扰能力差。

②双积分型ADC：它的转换周期由两个单独的积分区间组成。未知电压在已知时间内进行定时积分，然后转换为对参考电压反向定压积分，直至积分输出返回到初始值。双积分型ADC的特点是：它测量的是信号平均值，对常态噪声有很强的抑制能力，精度很高，分辨率达12～20位，价格便宜，但转换速度较慢（4ms～1s）。

③V/F变换型ADC：它是由积分器、比较器和整形电路构成的VFC电路，把模拟电压变换成相应频率的脉冲信号，其频率正比于输入电压值，然后用频率计进行测量。V/F变换型ADC的特点是：VFC能快速响应，抗干扰性能好，能连续转换，适用于输入信号动态范围较宽和需要远距离传送的场合，但转换速度慢。

（2）按输入、输出方式分类

不同的芯片具有不同的连接方式，其中最主要的是输入、输出方式及控制信号的连接方式。

①输入方式。从输入端来看，有单端输入和差动输入两种方式。其中，差动输入有利于克服共模干扰。输入信号的极性有单极性和双极性，由极性控制端的接法决定。

②输出方式。从输出方式来看，主要有两种：一是数据输出寄存器具有可控的三态门。此时芯片输出线允许和CPU的数据总线直接相连，并在转换结束后利用读信号RD控制三态门将数据送上总线。二是不具备可控的三态门。输出寄存器直接与芯片引脚相连，此时芯片的输出线必须通过输入缓冲器连至CPU的数据总线。

（3）ADC芯片的启动转换信号

ADC芯片的启动转换信号有电平和脉冲两种形式。对要求用电平启动转换的芯片，若在转换过程中撤去电平信号，则将停止转换而得出错误的结果。

3.ADC的选择与使用

在实际使用中，应根据具体情况选用合适的ADC芯片。例如，某测温系统的输入范围为0℃～500℃，要求测温的分辨率为2.5℃，转换时间在1ms之内，可选用分辨率为8位的逐次逼近型芯片ADC0809；若要求测温的分辨率为0.5℃（即满量程的1/1000），转换时间为0.5s，则可选用双积分型芯片ADC14433。

ADC转换完成后，将发出结束信号，以示主机可以从转换器读取数据。结束信号可以用来向CPU发出中断申请，CPU响应中断后，中断服务子程序中读取数据；也可用延时等待和查询的方法来确定转换是否结束，以读取数据。

4.ADC的工作原理

（1）逐次逼近型ADC的工作原理

如图10-3所示为逐次逼近型ADC的原理框图。当启动脉冲送至START端时，逻辑控制电路首先将移位寄存器的最高位（MSB）置1，其余位清0，寄存器的数字为10000。D/A转换器将这个数字转换成模拟电压URD（＝UR/2），然后送到比较器与模拟输入电压Ui进行比较，若Ui＞URD，则该位保留1；若Ui＜URD，则该位清0。再将下一位（次高位）置1，与上一次结果一起经D/A转换后与Ui进行比较。重复该过程，直到确定最低位D0为止，转换结束。

图10-3　逐次逼近型ADC

（2）双积分型ADC的工作原理

如图10-4所示，双积分式ADC的工作过程分为以下3个阶段：

图10-4　双积分型ADC(www.xing528.com)

①准备期：开关S1断开，S2接通，积分电容C被短路，输出为0。

②采样期：开关S2断开，S1与接点1闭合，积分器对输入模拟电压＋Ui进行积分，积分时间固定为T1。当计数器溢出时，积分器的输出电压为

式中，T1为计数器满刻度计数时间；Uiav为被测模拟电压在T1时间内的平均值。

③比较期：从T1结束时刻开始，开关S2断开，S1与接点2闭合，对与被测模拟电压极性相反的标准电压－UR进行反向积分。当积分器的输出回到0时，则有

可得比较周期为

（3）V/F变换型ADC的工作原理

①VFCA/D转换原理：VFC是根据电荷平衡原理工作的，如图10-5所示。

图10-5　VFC

所谓电荷平衡原理，是指在一个周期中，积分电容得到的电荷量与放出的电荷量相等，即（Ui/Rf）T0＝IjTj。因此，输出频率可表示为

由式（10-5）可知，在确保定时器的脉宽Tj、恒流源Ij和积分电阻Rf具有足够高精度的条件下，K为常数，输出脉冲频率与输入电压有精确的线性关系。

利用VFC组成的A/D转换器的原理框图如图10-5（b）所示。图中，输入模拟电压Ui经VFC变成频率信号，通过与门送到计数器。与门由脉冲启动定时器产生定时脉冲T来控制，未测量时，与门关闭；测量时，定时脉冲T打开与门。计数器在时间T内对VFC产生的频率信号进行计数，计数值用N表示，其表达式为

可见计数值N与输入模拟电压Ui成正比例。只要改变定时器的时间T，就可改变输出的数值N（对同样的Ui），从而可改变测量的分辨率。例如，选用频率范围为0Hz～1MHz的VFC，取定时时间T＝1s，计数器用6位半的BCD计数器，则分辨率可高达106。

②集成电路VFC器件：目前市场上已有各种集成电路VFC器件芯片可供选择，例如，通用型VFC器件有LM131、LM231、LM331、RC4151等，高精度型VFC器件有AD650、AD651、VFC32等。这些器件在使用时只需要少量外接元件，接口简单且便于实现隔离，而且具有很好的变换精度和线性度，有的器件还设有短路保护等功能。

5.LM331与单片机8031的接口

鉴于逐次比较型ADC和双积分型ADC相关资料较为普及，限于篇幅，仅以VFC型ADC为例说明ADC接口技术。如图10-6所示为LM331与单片机8031组成ADC的接口电路。

图10-6　LM331与单片机8031的接口电路

（1）LM331的外围电路

LM331为8脚DIP封装。

①比较阈值电压输入引脚UX。UX通常与精密电流源输出端IOUT相连，并外接串联电阻RL和电容CL到地，利用其产生的滞后效应，改善线性度。

②定时比较器输入端RC。它通过一电阻Rt接到UCC，并接一电容Ct到地，构成定时电路。RS为输出调节端，外接一可变电阻，通过改变基准电流来调节增益偏差，以校正输出频率。

③频率输出端FOUT。它是集电极开路输出，必须外接一上拉电阻（10kΩ），所加电压应与后级电平一致。例如，若接8031的T0或T1，则电压应为5V。LM331的输出频率与输入电压的关系为

当RS＝36kΩ，Rt＝10kΩ，Ct＝470pF时，0～10V的输入电压对应的输出频率为0～100kHz。

④被测模拟电压输入端UIN。经RC滤波后接入。

（2）接口电路的工作原理

用8031内部定时器/计数器T0作定时器，T1作计数器，将LM331的频率输出端通过一个启动同步接口接到8031的T1端。单片机8031采用6MHz的晶振，当T0工作于方式1时，其最大的定时时间为65.536ms；若要求更长的定时时间，可利用T0产生溢出中断，再用片内RAM单元作软件计数器对溢出中断计数，从而扩展定时时间。

转换器的最大计数脉冲数和定时器的定时时间取决于系统所要求的分辨率。若要求分辨率为12位，则脉冲数为212＝4096个。因为LM331的最高工作频率为100kHz，脉冲周期为10μs，所以定时时间为10μs×4096＝40.96ms。依次类推，可算出当分辨率为13位时，定时时间为81.92ms；当分辨率为14位时，定时时间为163.84ms；当分辨率为15位时，定时时间为327.68ms；当分辨率为16位时，定时时间为655.36ms。分辨率越高，定时时间越长，转换的速度也就越慢。

（3）接口电路的工作程序

在下面的程序中，将8031内部定时器T0设置为5ms定时中断，中断10次后CPU读一次T1所计的脉冲数N，然后对计数值N进行处理，完成一次A/D转换。主程序流程如图10-7所示，中断服务程序流程如图10-8所示，其参考程序如下：

图10-7　中断服务程序流程图

图10-8　主程序流程图