图8 峰值保持器电路
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实验5 A/D转换电路
一、实验目的
1. 了解MCA实验板的电路结构和工作原理； 2. 掌握A/D转换的过程及原理，学会计算转换结果； 3. 熟悉LED管的解法和保护电路的设计。
二、实验原理
幅度分析是指测量信号幅度的分布，即按信号幅度大小进行分类计数。用于幅度分析的模数变换器是核电子学的重要内容。A/D转换就是将脉冲幅度变换成数字量，即按脉冲幅度大小进行分类编码，然后分别记入存贮器相应的各个地址单元中，其工作原理如图1。
图1 幅度-数字变换示意图
实验用MCA电路板的A/D转换器为逐次比较型模数变换器，与线性放电型模数变换器比较，它有变换速度快，易于做成集成电路芯片、功耗低和价格便宜等优点。用逐次比较方法进行模数变换域叠加单道分析器方法类似。在叠加单道分析器组成的多道分析器中，输入信号Vi同时送到各个单道分析器中，Vi与各个单道分析器的阈电平进行比较，当幅度Vi处在某个单道阈电平范围内时就直接变换成相应的数字量。这种方法在比较过程中，只要进行一次比较久可以得到全部结果，又称为并行变换方法。显然，并行变换方法是速度最快的变换方法。但是在高道数时难于实现。如果用12个二进制标准电平组成4096个标准电平，每一次比较为一个标准电平，逐次进行比较，可构成4096道逐次比较型模数变换器。这种方法称为逐次比较法或串行变换方法。
逐次比较型模数变换器利用二进制的标准电平与输入信号做比较。第一次比较时，取标准电平为满量程的一半；若标准电平小于信号幅度，则标准电平保存下来，进行第二次比较。第二次比较的标准电平为上次标准加满量程的四分之一标准电平，若小于信号幅度，第二次标准电平通用保存下来（若标准电平大于信号幅度则不保存），进行第三次比较，依此类推，直到所有标准电平取出来比较完全才结束。图2给出了12位逐次比较型模数变换器的原理框图。
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图2 12位逐次比较型模数变换器原理框图
1、 A/D模数变换器
实验用A/D模数变换器有2种，分别是AD1674和AD574，它们的内部结构相差不大。AD1674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片。该芯片内部自带采样保持器(SHA)、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。与原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能（尤其是高低温稳定性）也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。
(1) AD1674/AD574的基本特点和参数
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带有内部采样保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/数转换器； 采样频率为100kHz； 转换时间为10μs；
具有±1/2LSB的积分非线性（INL）以及12位无漏码的差分非线性（DNL）； 满量程校准误差为0.125%；
内有+10V基准电源，也可使用外部基准源；
四种单极或双极电压输入范围分别为±5V，±10V，0V~10V和0V~20V； 数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口； 内部带有防静电保护装置(ESD)，放电耐压值可达4000V； 采用双电源供电：模拟部分为±12V/±15V,数字部分为+5V； 采用28脚密封陶瓷DIP或SOIC封装形式。 功耗低，仅为385mW。
(2) 内部结构及引脚说明
图3所示为AD1674的内部结构框图，图4所示为其引脚排列。
AD1674的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号输入端
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口和电源端口四种类型。
图3 AD1674的内部结构框图
①逻辑控制端口
12/8：数据输出位选择输入端。当该端输入为低时，数据输出为双8位字节；当该端输入为高时，数据输出为单12位字节。
CS：片选信号输入端，低电平有效。 R/C：读/转换状态输入端。在完全控制模式下，输入为高时为读状态；输入为低时为转换状态；在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。
CE：操作使能端；输入为高时，芯片开始进行读/转换操作。
A0：位寻址/短周期转换选择输入端。在转换开始时，若A0为低，则进行12位数据转换；若A0为高，则进行周期更短的8位数据转换；当R/C=1且12/8=0时，若A0为低，则在高8位（DB4～DB11）作数据输出；若
图4 AD1674引脚排列
A0为高，则在DB0～DB3和DB8～DB11作数据输出，而DB4～DB7置零。
STS：转换状态输出端。输出为高时表明转换正在进行；输出为低时表明转换结束。 ②并行数据输出端口
DB11～DB0：数字量输出。在12位输出格式下，DB11-DB8输出数据的高4位；在8位输出格式下，A0为低时也可输出数据的高4位。
③模拟信号输入端口
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10VIN：10V范围输入端，包括0V～10V单极输入或±5V双极输入； 20VIN：20V范围输入端，包括0V～20V单极输入或±10V双极输入；
应当注意的是：如果已选择了其中一种作为输入范围，则另一种不得再连接合作。 ④供电电源端口
REF IN：基准电压输入端，在10V基准电源上接50Ω电阻后连于此端。 REF OUT：+10V基准电压输出端。
BIP OFF：双极电压偏移量调整端，该端在双极输入时可通过50Ω电阻与REF OUT端相连；在单极输入时接模拟地。
VCC：+12V/+15V模拟供电输入。 VEE：-12V/-15V模拟供电输入。 VLOGIC：+5V逻辑供电输入。 AGND/DGND：模拟/数字接地端。
表1 AD1674控制逻辑真值表
CE 0 × 1 1 1 1 1
CS × 1 0 0 0 0 0 R/C × × 0 0 1 1 1 12/8 × × × × 1 1 0 A0 × × 0 1 × 0 1 执 行 操 作 无操作 无操作 启动12位数据转换 启动8位数据转换 允许12位并行输出 允许高8位并行输出 允许低4位并行输出 2、驱动器
虽然A/D转换器的数据输出端口都有一定的带负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。实验MCA电路板在AD1674数据输出端口后面加上了驱动器HC245。HC245又称总线驱动器，是典型的TTL型三态缓冲门电路。也可以使用74HC244等其他电路，74HC244比74HC245多了锁存器。
DIR：为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。
2~9脚：“A”信号输入输出端，A0=B0……A7=B7，A0与B0是一组，如果DIR=“1”，OE=“0”则A1输入B1输出，其它类同。如果DIR=“0”，OE=“0”则B1输入A1输出，其它类同。
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图5 HC245引脚排列