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摘要: A/D转换器是模拟系统与数字系统接口的关键部位,一直被广泛用于通信、测控系统、等很多领域。设计一种成本低,精度高,转换速度较快的A/D转换器。采用逐次比较法,通过电压比较器,利用D/A转换器输出的模拟量与测试电压进行比较,得到最终的A/D转换结果。
关键词: 逐次比较;A/D转换器;电压比较器;12位高精度
0 引言
随着数字电子技术的迅速发展,数字电子计算机的普遍应用,用数字电路处理模拟信号的情况越来越多了。A/D转换器是模拟系统与数字系统接口的关键部位,长期以来一直被广泛用于通信、测控系统、医疗、图像和音频等很多领域。计算机和通信的迅速发展,进一步推动了A/D转换器在便携式设备上的应用并有了很大的进步,A/D转换器正逐步向高速、精度和低功率的方向发展。
1 方案设计
本文应用逐次比较法进行A/D转换。逐次比较法AD转换器属于直接型A/D转换器,它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码,而不需要经过中间变量。转换过程相当于一架天平秤量物体的过程,不通过D/A转换器及寄存器加减标准电压,使标准电压值与被转换电压平衡。逐次逼近型AD转换既能照顾了转换速度,又具有一定的精度。故而选择逐次逼近式A/D转换方案。系统的总体设计如图1所示。
单片机发出数字量,首先发出最大值,经过D/A转换器讲数字量转换为模拟量,通过电压比较器与测试模拟信号进行比较,若转换值高于被测值,电压比较器输出高电平返回单片机,则单片机发出的数字量减1,再经过转换比较,逐次递减,直到出现测试信号大于转换结果,电压比较器输出低电压时,单片机输出前一次发出的数字量到显示器。每一次转换结束,转换提示亮灯。
2 系统硬件设计
2.1 显示单元电路设计
显示部分选择数码管。数码管低能耗、寿命长、耐老化,对外界环境要求低,易于维护,同时其精度比较高操作简单。LED数码管亮度高,醒目,价格低廉,可以用静态显示或动态显示,在该系统中通过CH451节省了LED对IO口的占用。在信号源输入端只要显示电压数值就可以,而且为了节省宝贵的IO口,本文采用传统的数码管显示。用户操作界面及A/D转换输出结果要求显示的信息量大,而且为了实现用户操作界面友好在显示方面选择了更加普通,更加方便的数码管显示。
2.2 D/A转换单元电路设计
12位分辨率;双通道A/D转换;输入输出电平与TTL/CMOS相兼容;5V电源供电时输入电压在0~5V之间;工作频率为250KHZ,转换时间为32μS;一般功耗仅为15mW;8P、14PDIP(双列直插)、PICC多种封装;商用级芯片温宽为0℃ to +70℃,工业级芯片温宽为-40℃ to+85℃;芯片接口说明:CS_片选使能,低电平芯片使能。CH0模拟输入通道0,或作为IN+/-使用。CH1模拟输入通道1,或作为IN+/-使用。GND芯片参考0电位(地)。DI数据信号输入,选择通道控制。DO数据信号输出,转换数据输出。CLK芯片时钟输入。Vcc/REF电源输入及参考电压输入(复用)。通过单片机P1口输出数字信号。
AC0832选择直通方式。CS与P2^5相连,WR1与P2^4相连。在单片机里写一点延时_NOP_(),让D/A有足够的时间将数字量转换为模拟量。并通过放大器和滑动变阻器将输出的模拟电压控制开0到5V。
2.3 比较单元电路设计
采用电压比较器LM393作为比较单元。电压比较器通过比较被测信号与D/A模块传出来的模拟量,所得结果的高低电压的跳变,来确定输出结果。D/A模块传出来的模拟量与被测信号比较,从最高值开始逐次递减,直到D/A模块传出来的模拟量小于被测信号的时候,输出D/A模块的数字量到显示屏上。
U-(2引脚)接0到5V被测信号源,U+(3引脚)借0到D/A转换输出部分。当U+U->0时输出为1;当U+U-<0时输出为0,并将输出连在单片机的P2^3口。当1/0跳变的一瞬间,由单片机储存此时的数字量。
2.4 测试信号源单元电路设计
测试信号源本系统采用自制的直流稳压电源,其工作原理为:交流220V电压经电源变压器T1降压、整流二极管VD1~VD4桥式整流、电容器滤波后,得到直流电压。直流稳压电源主要负责对61板提供5V电压,经7809后产生9V参考电压,再经TL431稳压后输出给D/A转换模块部分做参考电压。
通过测试,变压器经过初步变压后的交流电压为12V,经过整流滤波稳压分压后所得到的电压为5V可调信号源。
2.5 基准源电路
用AD586产生负基准电压。AD586可用来产生一个精密-5.000V电压输出。输入V的电压至少为+6V,输出脚接地,AD586的地端通过电阻Rs接至-15V电源,这样在AD586的地端(脚4)即产生一个-5v输出。注意输出负载和电源电阻Rs的选择原则是使流过AD586的电流在2.5-10mA内,这样器件的温度特性和长期稳定性将处于最佳状态。
2.6 键盘控制单元电路设计
设置KEY0接在单片机的P2^0按下时自动连续显示当前被测信号源的电压值。设置KEY1接在单片的P2^1按下时显示这一时刻被测信号源的电压值。且在KEY1按下的过程中无论被测信号源如何变化,显示的电压值稳定不变直到,再次抬起并按下KEY1才显示新的被测信号源的电压值。
3 系统的软件设计
本系统采用12位D/A转换器输出的模拟量与测试信号进行比较。单片机发出数字量,首先设置低八位到寄存器,然后通过设置D/A转换器的功能引脚,再置高四位到寄存器,通过D/A转换器的内部12位寄存器,经过转换,输出模拟量。将输出的模拟量与测试模拟信号通过电压比较器进行比较,若转换值低于被测值,电压比较器输出低电平给单片机,则输出此时的低八位与高四位数字信号。若转换值高于被测值,则单片机发出的数字量减1,先从低八位减起。若还是高于,则依次递减,直到出现电压比较器输出低电压时,单片机输出前一次发出的数字量到显示器。每一次转换结束,转换提示亮灯。经过测试与调试,本系统可以准确快速的实现A/D转换。
4 总结
本文设计一种成本低,精度高,转换速度较快的A/D转换器。采用逐次比较法,通过电压比较器,利用D/A转换器输出的模拟量与测试电压进行比较,得到A/D转换结果。进过测试与调试,可以很好的实现A/D转换,结果精度高,转换速度快。
参考文献:
[1]黄伟、严利人、周卫,高性能及新颖性A/D转换器综述[J].微电子学,2008,38(6).
[2]李汉,利用D/A转换器模拟A/D转换器[J].广州航海高等专科学校学报,2000,15.
[3]张诗娟,12位逐次逼近型A/D转换器的设计[D].20-34.
[4]阎石,数字电子技术基础[M]高等教育出版社,507-547.
[5]童诗、白华、成英,模拟电子技术基础[M]高等教育出版社,427-433.
关键词: 逐次比较;A/D转换器;电压比较器;12位高精度
0 引言
随着数字电子技术的迅速发展,数字电子计算机的普遍应用,用数字电路处理模拟信号的情况越来越多了。A/D转换器是模拟系统与数字系统接口的关键部位,长期以来一直被广泛用于通信、测控系统、医疗、图像和音频等很多领域。计算机和通信的迅速发展,进一步推动了A/D转换器在便携式设备上的应用并有了很大的进步,A/D转换器正逐步向高速、精度和低功率的方向发展。
1 方案设计
本文应用逐次比较法进行A/D转换。逐次比较法AD转换器属于直接型A/D转换器,它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码,而不需要经过中间变量。转换过程相当于一架天平秤量物体的过程,不通过D/A转换器及寄存器加减标准电压,使标准电压值与被转换电压平衡。逐次逼近型AD转换既能照顾了转换速度,又具有一定的精度。故而选择逐次逼近式A/D转换方案。系统的总体设计如图1所示。
单片机发出数字量,首先发出最大值,经过D/A转换器讲数字量转换为模拟量,通过电压比较器与测试模拟信号进行比较,若转换值高于被测值,电压比较器输出高电平返回单片机,则单片机发出的数字量减1,再经过转换比较,逐次递减,直到出现测试信号大于转换结果,电压比较器输出低电压时,单片机输出前一次发出的数字量到显示器。每一次转换结束,转换提示亮灯。
2 系统硬件设计
2.1 显示单元电路设计
显示部分选择数码管。数码管低能耗、寿命长、耐老化,对外界环境要求低,易于维护,同时其精度比较高操作简单。LED数码管亮度高,醒目,价格低廉,可以用静态显示或动态显示,在该系统中通过CH451节省了LED对IO口的占用。在信号源输入端只要显示电压数值就可以,而且为了节省宝贵的IO口,本文采用传统的数码管显示。用户操作界面及A/D转换输出结果要求显示的信息量大,而且为了实现用户操作界面友好在显示方面选择了更加普通,更加方便的数码管显示。
2.2 D/A转换单元电路设计
12位分辨率;双通道A/D转换;输入输出电平与TTL/CMOS相兼容;5V电源供电时输入电压在0~5V之间;工作频率为250KHZ,转换时间为32μS;一般功耗仅为15mW;8P、14PDIP(双列直插)、PICC多种封装;商用级芯片温宽为0℃ to +70℃,工业级芯片温宽为-40℃ to+85℃;芯片接口说明:CS_片选使能,低电平芯片使能。CH0模拟输入通道0,或作为IN+/-使用。CH1模拟输入通道1,或作为IN+/-使用。GND芯片参考0电位(地)。DI数据信号输入,选择通道控制。DO数据信号输出,转换数据输出。CLK芯片时钟输入。Vcc/REF电源输入及参考电压输入(复用)。通过单片机P1口输出数字信号。
AC0832选择直通方式。CS与P2^5相连,WR1与P2^4相连。在单片机里写一点延时_NOP_(),让D/A有足够的时间将数字量转换为模拟量。并通过放大器和滑动变阻器将输出的模拟电压控制开0到5V。
2.3 比较单元电路设计
采用电压比较器LM393作为比较单元。电压比较器通过比较被测信号与D/A模块传出来的模拟量,所得结果的高低电压的跳变,来确定输出结果。D/A模块传出来的模拟量与被测信号比较,从最高值开始逐次递减,直到D/A模块传出来的模拟量小于被测信号的时候,输出D/A模块的数字量到显示屏上。
U-(2引脚)接0到5V被测信号源,U+(3引脚)借0到D/A转换输出部分。当U+U->0时输出为1;当U+U-<0时输出为0,并将输出连在单片机的P2^3口。当1/0跳变的一瞬间,由单片机储存此时的数字量。
2.4 测试信号源单元电路设计
测试信号源本系统采用自制的直流稳压电源,其工作原理为:交流220V电压经电源变压器T1降压、整流二极管VD1~VD4桥式整流、电容器滤波后,得到直流电压。直流稳压电源主要负责对61板提供5V电压,经7809后产生9V参考电压,再经TL431稳压后输出给D/A转换模块部分做参考电压。
通过测试,变压器经过初步变压后的交流电压为12V,经过整流滤波稳压分压后所得到的电压为5V可调信号源。
2.5 基准源电路
用AD586产生负基准电压。AD586可用来产生一个精密-5.000V电压输出。输入V的电压至少为+6V,输出脚接地,AD586的地端通过电阻Rs接至-15V电源,这样在AD586的地端(脚4)即产生一个-5v输出。注意输出负载和电源电阻Rs的选择原则是使流过AD586的电流在2.5-10mA内,这样器件的温度特性和长期稳定性将处于最佳状态。
2.6 键盘控制单元电路设计
设置KEY0接在单片机的P2^0按下时自动连续显示当前被测信号源的电压值。设置KEY1接在单片的P2^1按下时显示这一时刻被测信号源的电压值。且在KEY1按下的过程中无论被测信号源如何变化,显示的电压值稳定不变直到,再次抬起并按下KEY1才显示新的被测信号源的电压值。
3 系统的软件设计
本系统采用12位D/A转换器输出的模拟量与测试信号进行比较。单片机发出数字量,首先设置低八位到寄存器,然后通过设置D/A转换器的功能引脚,再置高四位到寄存器,通过D/A转换器的内部12位寄存器,经过转换,输出模拟量。将输出的模拟量与测试模拟信号通过电压比较器进行比较,若转换值低于被测值,电压比较器输出低电平给单片机,则输出此时的低八位与高四位数字信号。若转换值高于被测值,则单片机发出的数字量减1,先从低八位减起。若还是高于,则依次递减,直到出现电压比较器输出低电压时,单片机输出前一次发出的数字量到显示器。每一次转换结束,转换提示亮灯。经过测试与调试,本系统可以准确快速的实现A/D转换。
4 总结
本文设计一种成本低,精度高,转换速度较快的A/D转换器。采用逐次比较法,通过电压比较器,利用D/A转换器输出的模拟量与测试电压进行比较,得到A/D转换结果。进过测试与调试,可以很好的实现A/D转换,结果精度高,转换速度快。
参考文献:
[1]黄伟、严利人、周卫,高性能及新颖性A/D转换器综述[J].微电子学,2008,38(6).
[2]李汉,利用D/A转换器模拟A/D转换器[J].广州航海高等专科学校学报,2000,15.
[3]张诗娟,12位逐次逼近型A/D转换器的设计[D].20-34.
[4]阎石,数字电子技术基础[M]高等教育出版社,507-547.
[5]童诗、白华、成英,模拟电子技术基础[M]高等教育出版社,427-433.