A/D转换器的工作原理与应用

A/D转换器与D/A转换器的功能正好相反，它的任务是将模拟量输入信号（如电压或电流信号）转换成数字量输出。A/D转换器类型也较多，下面只介绍目前用得较多的逐次逼近型A/D转换器。

它的工作原理可用天平称量过程做比喻来说明。若有四个质量分别为8 g、4 g、2 g、1 g的砝码，去称质量为13 g的物体，可采用表10.10步骤称量。

表10.10　逐次逼近型称物举例

由表可见，上述称量过程遵循如下几条规则：

（1）按砝码质量逐次减半的顺序加入砝码。

（2）每次所加砝码是否保留，取决于加入新的砝码后天平上的砝码总质量是否超过待测物质量。若超过，新加入的砝码应撤除；若未超过，新加砝码应保留。

（3）直到质量最轻的一个砝码也试过后，则天平上所有砝码的质量总和就是待测物质量。

逐次逼近型A/D转换器的工作原理与上述称物过程十分相似。逐次逼近型A/D转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、D/A转换器和电压比较器等几部分组成，其原理框图如图10.25所示。

图10.25　逐次通近型A/D转换器原理框图

转换前先将寄存器清零。转换开始后顺序脉冲发生器输出的顺序脉冲首先将寄存器的最高位置1，经D/A转换器转换为相应的模拟电压uA送入比较器与待转换的输入电压进行比较。若uA＞ui，说明数字量过大，将最高位的1除去，而将次高位置1；若以uA＜ui，说明数字量还不够大，应将这一位的1保留，还需将次高位置1。这样逐次比较下去，一直到最低位比较完为止。最后，寄存器的逻辑状态（即其存数）就是输入电压ui转换成的输出数字量。

因为模拟电压在时间上一般是连续变化的量，而要输出的是数字量（二进制数），所以在进行转换时必须在一系列选定的时间间隔对模拟电压采样，经采样保持电路得出的每次采样结束时的电压就是上述待转换的输入电压ui。

目前，一般用的大多是单片集成A/D转换器，其种类很多、例如ADC0801、ADC0804、ADC0809等。ADC0801是8位逐次逼近型A/D转换器，在使用时可查阅产品手册，以了解其外引线排列及使用要求。

以ADC0809为例，它是用CMOS工艺的逐次逼近型A/D转换器，有8路模似量输入通道，输出为8位二进制数，最高转换速率的为100 μs。ADC0809的引排列如图10.26所示，各个引脚功能如下：

IN0～IN7：8个模拟量输入通道，可以对8路不同的模拟输入量进行A/D转换。

ADDC、ADDB、ADDA（C、B、A）：通道号选择端口，例如CBA=000，选通IN0通道；CBA=101，选通IN5通道；等等。(www.xing528.com)

D7～D0：数据（数字信号）输出端（D7为最高有效位，D0为最低有效位）。

START：启动A/D转换，当START=1时，开始A/D转换。

EOC：转换结束信号，当A/D转换结束后，EOC端发出一个正脉冲，作为判断A/D转换是否完成的检测信号，或作为向计算机申请中断（请求对转换结果进行处理）的信号。

OE：输出允许控制端，当OE=1时，将A/D转换结果送入数据总线（即读取数字量）。

CLK：实时时钟，可通过外接RC电路改变芯片的工作频率。

UCC：电源电压，+5V。

REF（+）、REF（-）：外接参考电压端口，为片内D/A转换器提供标准电压，一般REF（+）接+5V，REF（-）接地。

GND：接地端。

ALE：地址锁存信号，高电平有效，当ALE=1时，允许C、B、A（通道号选择端口）所示通道地址读入地址锁存器，并将所选择通道的模拟量接入A/D转换器。

图10.26　ADC0809的引脚图

图10.27是ADC0809的典型应用连线图，其中地址输入CBA=000是选中通道IN0为输入通道（C、B、A端可由计算机控制，以选择不同的模拟量输入通道）。由计算机发出的片选信号使本片A/D转换器被选中，写控制信号控制A/D转换开始，读控制信号允许输出数字量。EOC信号可作为A/D转换器的状态查询信号，也可用作向计算机申请中断处理的信号。

除了逐次逼近型之外，A/D转换器还有双积分型，其特点是抗干扰能力强，但转换速度不高。常用的双积分型A/D转换器如MC14433，精度为位（指4位十进制数，但最高位只能是0或1，通称“半位”。相当于11位二进制数），具有功耗低、功能完备、使用灵活等优点。但转换速度仅为3～10次/秒，主要用于各种数字仪表中。

图10.27　ADC0809的典型应用连线图