北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
第2.2节 A/D转换及量程选择电路
2.2.1 A/D转换的工作过程
A/D转换器需要将时间和幅值都连续的模拟量，转换为时间和幅值都离散的数字量，一般要经过取样、保持和量化、编码几个过程，下面分别予以讨论。
（1）取样与保持
取样电路可将输入模拟量转换为在时间模拟的离散量，由常识可以知道，取样信号的频率越高，取样后的信号经低通滤波器后就越能真实地复现输入信号。合理的取样信号必须符合取样定理。1取样定理如下。
取样定理：设取样信号的频率为fs，输率为fimax，则fs与fimax必须满足下面的关系
fs≥2fimax （2·1）
一般取fs＞2fimax。
将取样所得信号转换为数字信号往往需要一定的时间，为了给后续的量化编码电路提供一个稳定值，取样电路的输出还须保持一段时间。一般取样与保持过程都是同时完成的。
（2）量化与编码
数字量在数值上是离散的，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。要实现A/D转换，还必须将取样、保持电路的输出表示为最小数量单位的整数倍。将数值连续的模拟量转换为数字量的过程称为量化。最小数量单位△称为量化单位，量化单位△是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。由于被取样电压是连续的，它的值不一定都能被△整除，所以在量化过程中，不可避免地存在误差，称为量化误差。量化误差属于原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，1LSB所对应的△值越小，量化误差的绝对值也越小。
量化的方法，一般有舍尾取整法和四舍五入法两种。舍尾取整的处理方法是：如果输入电压Ui在两个相邻的量化值之间时，即（n-1）△＜Ui＜n△时，取Ui 1
摘自彭荣修《数字电子技术基础》．
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的量化值为（n-1）△。四舍五入的处理方法是：当Ui的尾数不足△/2时，舍去尾数取整数，当Ui的尾数大于或等于△/2时，则其量化单位在原数上加一个△。
将量化后的结果用二进制码或其他代码表示出来的过程称为编码。经编码输出的代码就是A/D转换器的转换结果。
2.2.2 A/D转换器的主要技术指标
A/D转换器的主要技术指标有转换精度、转换速度等。选择A/D转换器时除考虑这两项技术指标外，还应注意满足其输入电压的范围、输出数字的编码、工作温度范围和电压稳定度等方面的要求。
（1）分辨率
A/D转换器的分辨率用输出二进制（或十进制）数的位数表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分2n个输入模拟电压信号的不同等级，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。
（2）转换时间
转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关，不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器的转换速度最高，逐次比较型A/D转换器次之，间接A/D转换器的速度最慢。在实际应用中应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑A/D转换器的选用。
2.2.3逐次比较型A/D转换器
如图2.2所示，模数转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100?0。这个数码被数模转换器转换成相应的模拟电压V1，送到比较器中与V0进行比较。若V1＞
V0，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若V1＜V0，说明数字还不够
大，应将最高位的1保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，数据寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。
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时钟 模拟量输入V1 电压 比较器 移位寄存器 ???? 启动脉冲控制逻辑电路 数据寄存器 Dn?1 逐次比较型A/D转换器的模拟量输入与数字量输出的对应关系如表2.1所示。
表2.1 逐次比较型A/D转换器输入与输出关系对照表
十六进制 二进制码 与满刻度的比率 相对电压值VREF=2.560V ???? VREFDn?2数字 量输出 D1 D0 D/A转换器 V0
图2.2 逐次比较型A/D转换器框图
高四位字节 低四位字节 高四位电压 低四位电压 F E D C B A 9 8
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 15/16 14/16 13/16 12/16 11/16 10/16 9/16 8/16 8
15/256 14/256 13/256 12/256 11/256 10/256 9/256 8/256 4.800 4.480 4.160 3.840 3.520 3.200 2.880 2.560 0.300 0.280 0.260 0.240 0.220 0.200 0.180 0.160 北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
续表 7 6 5 4 3 2 1 0 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 7/16 6/16 5/16 4/16 3/16 2/16 1/16 7/256 6/256 5/256 4/256 3/256 2/256 1/256 2.240 1.920 1.600 1.280 0.960 0.640 0.320 0 0.140 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 0 2.2.4 ADC0804简介
A/D转换器的功能是将模拟量转换为与其大小成正比的数字量信号。能实现这种转换的原理和方法很多，本设计采用ADC0804转换器。ADC0804是属于并行比较型的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。
图2.3 ADC0804管脚图
（1）ADC0804的规格
8位COMS逐次比较型的A/D 转换器 三态锁定输出 存取时间：135μS 分辨率：8位 转换时间：100μS 总误差：正负1LSB
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工作温度：ADC0804LCN---0～70度 （2）ADC0804的管脚 /CS：芯片选择信号。
/RD：外部读取转换结果的控制输出信号。/RD 为高电平时，DB0～DB7 处理高阻抗；/RD 为低电平时，数字数据才会输出。
/WR：用来启动转换的控制输入，相当于ADC 的转换开始（/CS=0 时），当/WR 由高电平变为低电平时，转换器被清除；当/WR 回到低电平时，转换正式开始。
CLK IN，CLK R： 时钟输入或接振荡元件（R，C），频率约限制在100KHZ～1460KHZ，如果使用RC 电路则其振荡频率为1/（1.1RC）。
/INTR：中断请求信号输出,低电平动作。
VIN(+) VIN(-)：差动模拟电压输入.输入单端正电压时, VIN(-)接地:而差动输入时,直接加入VIN(+) VIN(-)。
AGND,DGND：模拟信号以及数字信号的接地。 VREF：辅助参考电压。 DB0～DB7：8位的数字输出。
VCC：电源供应以及作为电路的参考电压。
2.2.5量程选择电路
被检测到的电压信号由集成模数转换芯片ADC0804模拟输入端输入，完成A/D转换后由数据总线送入单片机，经相应处理后输出显示。针对量程选择的电路设计，将被测模拟电压值按不同的范围，分为200mV、2V、20V、200V四个档位。对于高于2V档位内的电压，例如20V、200V两个档位，采用高电阻分压电路，等比例转换为0～5V的电压值；对于200mV档位内的电压，通过差分放大器将所测电压等比例放大10倍左右，再将电压送入AD进行转换，然后将处理的信号送入单片机进行处理并显示；对于2V档位内的电压，直接将模拟电压输入到ADC0804。由于量程选择的范围不大，所以量程选择方式为手动。具体电路如图2.4所示。
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