《電氣測(cè)試技術(shù)第5版》 課件 5.8 AD轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用

02December20245.8A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用5.8.1雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用5.8.2逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用5.8.3U/F轉(zhuǎn)換原理及常用器件5.8.4A/D轉(zhuǎn)換器的一般選擇原則02December20245.8.1雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用微機(jī)或數(shù)字儀表輸出的數(shù)字量必須轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，才能送給模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)控制。完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，A/D轉(zhuǎn)換可分為兩大類：直接變換型和間接變換型。直接變換型將輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼；間接變換型將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成中間變量（如，時(shí)間、頻率、脈沖寬度等），然后，把中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。02December2024雙各分式A/D轉(zhuǎn)換采用間接轉(zhuǎn)換技術(shù)，其原理框圖見(jiàn)圖5-42。其轉(zhuǎn)換過(guò)程簡(jiǎn)述如下：首先，邏輯控制器發(fā)出t0脈沖，清零計(jì)數(shù)器和寄存器，同時(shí)斷開S1~S3和S4、S5閉合，積分電容放電至零電荷。邏輯控制器發(fā)出t1脈沖，S2~S5斷開，S1閉合，對(duì)被測(cè)電壓UX進(jìn)行積分。同時(shí)令計(jì)器開始對(duì)f0定時(shí)計(jì)算。積分器輸出電壓U0為：當(dāng)計(jì)算器溢出時(shí)，積分時(shí)間為T1，T1為定值。此稱為采樣階段，見(jiàn)圖5－42。圖5-42雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理框圖雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理：02December2024雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理：邏輯控制器發(fā)出t2脈沖令計(jì)數(shù)器和寄存器清零，S1和S3~S5斷開。積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓UN積分。同時(shí)令計(jì)數(shù)器又開始計(jì)數(shù)。積分器輸出電壓為：當(dāng)積分器輸出過(guò)零時(shí)，邏輯控制器令計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。此為測(cè)量階段。此階段時(shí)間T2為，見(jiàn)圖5-42。由于積分器由零開始積分又回到零，因此

，由式（5-32）和式（5-33）得：

02December2024雙積分式A/D轉(zhuǎn)換原理：設(shè)T1期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值為N1；T2期間計(jì)數(shù)值N2；時(shí)鐘脈沖頻率為f0，則N1=T1f0，N2=T2f0，代入式（5-34）得：由上式可見(jiàn)，N2正比于被測(cè)電壓Ux在一個(gè)周期內(nèi)的平值

。由上式可見(jiàn)，若采樣時(shí)間

是交流干擾信號(hào)周期的整數(shù)倍，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)干擾信號(hào)具有無(wú)窮大的抗干擾能力。這是雙積分式A/D的突出優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，一般大于40ms，不適用于被測(cè)信號(hào)頻率較高的場(chǎng)合，而對(duì)于直流或緩變信號(hào)，得到廣泛應(yīng)用。02December2024雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換芯片的品種很多。BCD碼輸出的常用芯片有：

位有MC14433（CC14433、5G14433）；

位有ICL7135（CH7135、TSC7135、5G7135）和CH295；

位有CC7555等。二進(jìn)制碼輸出的常用芯片有ICL7109（12位）和ICL7104（16位）等。以上芯片能方便地與單片機(jī)接口組成智能化儀表。此外，還有許多帶BCD-七段譯碼、驅(qū)動(dòng)功能的芯片，其輸出可直接驅(qū)動(dòng)LED或LCD顯示，簡(jiǎn)化了硬件電路，其中，

位有ICL7106/7107/7136；

位的有ICL7129等。這類芯片不便與微機(jī)接口，但是，與LED或LCD組成數(shù)字電壓表卻具有線路簡(jiǎn)單、工作可靠的突出優(yōu)點(diǎn)。02December20241.MC14433A/D轉(zhuǎn)換器

國(guó)產(chǎn)型號(hào)是5G14433，是廣泛使用的最典型雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。具有抗干擾能力強(qiáng)，精度高（相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù)），自動(dòng)校零，自動(dòng)極性輸出，自動(dòng)量程控制信號(hào)輸出，動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出，單基準(zhǔn)電壓，外接元件少，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。MC14433為24腳雙列直插式，其引腳功能，見(jiàn)圖5-43。圖5-43MC14433引腳功能02December2024圖5-44MC14433外部電路和典型連接圖5-45位數(shù)字電壓表原理圖5-46是MC14433與8031單片機(jī)的接口電路02December20242.MC7135A/D轉(zhuǎn)換器

國(guó)外產(chǎn)品有ICL7135、5G7135、AD7135、CH7136、TSC7135等，可以互換使用。是目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上廣泛流行的單片集成

位雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。具有精度高（相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)），自動(dòng)校零，自動(dòng)極性輸出，動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出，單基準(zhǔn)電壓，自動(dòng)量程控制信號(hào)輸出，輸入阻抗高，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。因此得到廣泛的應(yīng)用。圖5-47為5G7135的外引腳功能圖。圖5-475G7135引腳功能02December2024圖5-49MC7135外接時(shí)鐘電路圖5-48MC7135外部連接圖5-504.5位數(shù)字電壓表原理圖圖5-51MC7153單片機(jī)與8031的接口電路02December20243.ICL7106A/D轉(zhuǎn)換器ICL7106是美國(guó)哈里斯（Harris）公司生產(chǎn)的雙積分式

位A/D轉(zhuǎn)換器，其它公司生產(chǎn)的7106產(chǎn)品可以互換使用。7106內(nèi)含

位A/D轉(zhuǎn)換器、BCD-7段譯碼器、時(shí)鐘電路、參考電壓和LCD驅(qū)動(dòng)電路，因此可直接和液晶顯示器相連。7106的量程為2.000V或200mV，可根據(jù)需要選擇。7106是40腳雙列直插式封裝，其引腳功能見(jiàn)圖5-52a。圖5-52ICL7106引腳功能及與LCD接法02December20244.ICL7107A/D轉(zhuǎn)換器

ICL7107也是雙積分型

位A/D轉(zhuǎn)換器，它具有A/D轉(zhuǎn)換、BCD—七段譯碼和驅(qū)動(dòng)、鎖存功能。它與ICL7106基本相同。不同之處如下：1）7106一般用單電源（+9V），7107一般用雙電源（多為±5V）。2）7106輸出級(jí)為異或門結(jié)構(gòu)，適合于驅(qū)動(dòng)LCD顯示器，7107輸出級(jí)為大電流反相器，適合于驅(qū)動(dòng)LED顯示器。02December20245.8.2逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理、器件及應(yīng)用5.8.2.1逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是反饋一比較式轉(zhuǎn)換器，采用零位測(cè)量方式，即用已知標(biāo)準(zhǔn)量逐步逼近被測(cè)量，最后二者之差趨向于零。其原理框圖見(jiàn)圖5-53。工作過(guò)程如下：在起動(dòng)脈沖作用下，邏輯控制器發(fā)指令對(duì)寄存器和A/D轉(zhuǎn)換器清零。緊接著對(duì)寄存器最高位Dn-1位置“1”，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬電壓Ua。

Ua與被測(cè)電壓Ux比較，若Ux＞

Ua比較器輸出高電平，邏輯控制器輸出保留Dn-1位的“1”；若

Ux<Ua，則邏輯控制器輸出使Dn-1位復(fù)查。02December2024邏輯控制器輸出令Dn-2位置“1”，讓Dn-1和Dn-2位一起進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換成

。若

Ux＞

Ua，邏輯控制器輸出保留Dn-2位的“1”；若Dn-1=1，則Dn-1、Dn-2=11；若Dn-1已復(fù)零，則Dn-1、Dn-2=01。若

Ux<Ua，則邏輯控制器輸出使Dn-2位復(fù)零。若Dn-1=1，則Dn-1Dn-2=10；若Dn-1=0，則Dn-1Dn-2=00。邏輯控制器輸出令Dn-3置位“1”，按上述方法比較，一直到D0位比較完畢，并決定是保留D0的“1”或復(fù)位D0位為止，一次轉(zhuǎn)換完畢。比較完畢后，N位輸出寄存器中的數(shù)字量即為UX

數(shù)字量，此時(shí)，UX≈Ua，仍有微小的差值即為A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。逐位比較型A/D轉(zhuǎn)換器的比較過(guò)程是從最高位開始，逐位地向最低位進(jìn)行比較，直到最低位比較完畢。逐位比較型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，由于它是對(duì)瞬時(shí)值進(jìn)行比較的，因此，其抗干擾能力較差。02December20245.8.2.2逐位逼近A/D轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的品種規(guī)格繁多，其中8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出的有：ADC0801~ADC0809，ADC0816、ADC0817、ADC7574、ADC750等。10位以上二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出的有：AD7570、AD574、AD572、ADC1210/1211、AD578、AD679/1679等。02December20241.常用8位ADC芯片的特性及應(yīng)用ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804和ADC0805有相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳排列以及封裝。它們的差別僅在于精度不同。以ADC0801為例，其引腳排列見(jiàn)圖5-54a。圖5-54ADC0801~ADC0805引腳功能和與8031接口電路a)引腳功能b)與8031接口電路02December2024ADC0808和ADC0809ADC0808和ADC0809的外部封裝、引腳排列和功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理均相同，除精度不同外，其它參數(shù)也相同。其引腳排列見(jiàn)圖5-55。圖5-55ADC0808/0809的引腳功能02December2024圖5-56ADC0809與8031組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理02December20242.10位以上逐位逼近型ADC芯片的特性及應(yīng)用10位以上逐位逼近型ADC芯片的品種很多。下面以AD574系列為例介紹10位以上芯片的性能及與單片機(jī)的接口方法。圖5-57AD574系列ADC引腳功能02December2024圖5-58AD574系列ADC典型接法02December2024圖5-59AD574與8031接口電路02December20245.8.3U/F轉(zhuǎn)換原理及常用器件U/F轉(zhuǎn)換器是把電壓轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的器件。它具有精度高，線性度好，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，對(duì)外圍器件性能要求不嚴(yán)格，價(jià)格便宜，便于與微機(jī)接口等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛。U/F轉(zhuǎn)換器的品種繁多，例如，ADVF32、AD537、AD458、AD651、AD654、LM131/231/331、VFC32/42/52/62、VFC100和VFC320等。02December20245.8.3.1U/F轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)U/F轉(zhuǎn)換的方法很多，在U/F轉(zhuǎn)換集成芯片中，目前多數(shù)采用電荷平衡轉(zhuǎn)換原理，見(jiàn)5-60。圖a為原理框圖；圖b為輸出波形。由圖可見(jiàn)，它由積分器、零比較器、恒流源、單穩(wěn)定時(shí)器和模擬開關(guān)組成。它可被看作是一個(gè)振蕩頻率f0

受被測(cè)電壓Ui控制的振蕩器。圖5-60U/F轉(zhuǎn)換原理02December20245.8.3.2U/F轉(zhuǎn)換器件及其典型接法VFC32轉(zhuǎn)換器的特性及其典型接法圖5-61VFC32的引腳功能圖5-62VFC32的典型接法02December20242.LMX31系列U/F轉(zhuǎn)換器及其典型接法圖5-63LMX31系列U/F轉(zhuǎn)換器02December20243.AD650U/F轉(zhuǎn)換器的特性及其典型接法圖5-64AD650的典型接法02December20245.8.3.3U/F轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口U/F轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)之間直接連接和利用光耦合器隔離連接方法，見(jiàn)圖5-65。圖a為直接連接，比較簡(jiǎn)單。圖b為采用光電隔離方法連接，適用電源干擾大、模擬部分容易產(chǎn)生電氣干擾的場(chǎng)合。圖5-65U/F轉(zhuǎn)換器與單處機(jī)常用接口方法02December2024圖5-66VFC32與8031接口電器02December20245