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第36章 A/D转换实例 在测控系统中，经常需要对温度、速度、压力、电流、电压等模拟量进行采集或者处理。由于单片机CPU只能对数字信号进行处理，因此，需要首先将这些模拟量信号转换成数字量信号，然后采集数据并进行分析。这便需要用到模/数转换器件，也称为A/D（Analogue/Digital）转换器。目前，市场上有很多种A/D转换器，其以体积小、功能强、误差小、功耗低、可靠性高等优点而得到广泛应用。 本章主要介绍了A/D转换的原理，A/D转换器的技术参数，并介绍了一个典型的8通道电压型A/D转换器。最后，本章通过一个具体的实例，介绍了如何使用51系列单片机来控制A/D转换器的读写。 36.1 A/D转换概述 数据采集分为数字量采集和模拟量采集。其中，数字量采集只需采集二进制的数字信号即可；而模拟量采集则需要首先将待采集的模拟信号转换成数字信号，然后再进行采集以及后续分析处理。在模拟量采集的过程中，A/D转换是一个重要的环节。一个完整的模拟量采集系统应该包括：信号调理电路、采样/保持放大器、模拟/数字（A/D）转换器、通道控制电路和采集电路等。这里主要介绍A/D转换器的原理及应用。 36.1.1 A/D转换原理 模拟/数字（A/D）转换器的功能是将输入的模拟信号转换成数字信号的形式输出。其中，输入的模拟信号一般为电压或者电流。对于需要采集其他模拟量的场合，例如速度、气压和温度等，需要首先使用相应的传感器将这些模拟信号转换成电压或者电流的模拟信号，然后再选择合适的A/D转换器。 目前市场上A/D转换器的种类很多，按照A/D转换的原理主要有两类：逐次渐近型A/D转换器和双积分型A/D转换器。下面以电压型A/D转换器为例，来介绍这两种A/D转换器的基本原理。 1．逐次渐进型A/D转换器原理 2．双积分型A/D转换器原理Z 36.1.2 A/D转换器的技术参数 不同的A/D转换器具有不同的性能，在选择使用A/D转换器时，需要了解A/D转换器的相关性能指标及技术参数。这里列出几个关键的技术参数，供读者参考。 1．分辨率 2．量程 3．转换精度 4．转换时间 5．温度系数 6．对电源电压变化的抑制比 36.1.3 A/D转换器的选择原则 采用A/D转换器的模拟信号采集是一个要求比较高的工作，需要考虑多方面的问题。这里介绍需要重点注意的几个问题。 采样速度。采样速度决定了数据采集系统的实时性。采样速度由模拟信号带宽、数据通道数和每个周期的采样数来决定。采集速度越高，对模拟信号复原的越好，也即实时性越好。根据奈奎斯特采样定理可知，数据采集系统对源信号无损再现的必要条件是，采样频率至少为被采样信号最高频率的两倍。 A/D转换精度。对于复杂系统，一般计算系统中各环节的方和根误差。信号源阻抗、信号带宽、A/D转换器分辨率和系统的通过率都会影响误差的计算。正常情况下，A/D转换前向通道的总误差应小于等于A/D转换器的量化误差，否则选取高分辨率A/D转换器也没有实际意义。 孔径误差。A/D转换是一个动态的过程，需要一定的转换时间。而输入的模拟量总是在连续不断变化的，这样便造成转换输出的不确定性误差，即孔径误差。为了确保较小的孔径误差，则要求A/D转换器具有与之相适应的转换速度。否则，就应该在A/D转换器前加入采样/保持电路以满足系统要求。 系统通过率。系统的通过率由模拟多路选择器、输入放大器的稳定时间、采样/保持电路的采集时间以及A/D转换器的转换时间确定。在模拟信号的数据采集系统中，有正常顺序和重叠两种采集方式，采用低分辨率A/D转换器、减少模/数转换环节及采用重叠方式采集时，可获得较大带宽的通过速度。 36.2 8通道A/D转换器MAX197 目前，各大半导体公司均推出了完善的A/D转换产品系统，其使用方法大致类似。这里介绍一款性能比较优越的多通道A/D转换器。 36.2.1 MAX197的特性及引脚功能 MAX197时美国MAXIM公司生产的8通道12位电压型A/D转换器。MAX197具有5MHz的带宽，100kSPS的高速数据吞吐量。MAX197的芯片工作电压仅为+5V，能够和典型的单片机系统很好地兼容。MAX197提供了多种测量量程，可以接收高于电源电压的模拟电压信号，也可以接收低于系统地电压的模拟电压信号，使用灵活方便。MAX197的主要特性如下： 单+5V供电； 12位A/D转换分辨率，1/2LSB线性度； 12位并行输出，引脚兼容TTL/CMOS电平； 8路模拟输入通道； 4种软件可编程输入量程：0~+5V、0~+10V、-5V~+5V、-10V~+10V； 6μs典型转换时间，高达100kSPS的采样速率； 内部集成4.096V参考电压，也可以采用外部参考电压； 可选择内部工作时钟或者外部工作时钟， 可选择使用内部采集控制