AD转换器及其接口设计详解
AD转换器及其接口设计详解
AD转换器及其接口设计详解AD转换器(Analog-to-Digital Converter，简称ADC)是将模拟信号转换为数字信号的一种设备。
在现代电子系统中，由于数字信号处理的高速、高精度和可编程性等优势，数字信号的应用广泛而且日益增多，而模拟信号则需要通过AD转换器转换为数字信号才能够被处理和分析。
在设计AD转换器的接口时，需要考虑以下几个方面：1.信号输入接口：AD转换器的输入通常是来自于外界的模拟信号，如声音、视频、温度等。
因此，设计AD转换器的接口时，首先需要提供适当的模拟输入接口，通常是通过引脚或者接口连接。
2.时钟信号接口：AD转换器需要一个时钟信号来同步转换过程。
时钟信号的频率和精度对AD转换器的性能有重要影响。
因此，设计AD转换器的接口时，需要提供一个稳定的时钟信号输入接口，并能够精确控制时钟频率。
3.控制信号接口：AD转换器通常需要一些控制信号来配置转换参数，如采样率、精度、增益等。
因此，在设计AD转换器的接口时，应提供一些控制信号输入引脚或者接口，以便用户可以灵活地配置AD转换器的性能参数。
4.数字输出接口：AD转换器的输出是数字信号，通常是二进制码。
设计AD转换器的接口时，需要提供一个数字输出接口，可以是并行接口、串行接口或者其他形式的接口，以便用户可以直接读取或者传输AD转换器的输出信号。
5.数据传输接口：AD转换器的输出信号通常需要经过处理和传输才能被其他系统使用。
因此，在设计AD转换器的接口时，应考虑提供一个数据传输接口，以便用户可以方便地将AD转换器的输出数据传输给其他系统。
在实际的AD转换器设计中，还需要考虑一些其他因素，如功耗、电磁兼容性、抗干扰能力等。
此外，根据具体应用需求，还可以考虑一些特殊功能的接口设计，如温度传感器接口、输入放大器接口、数字滤波器接口等。
总之，AD转换器的接口设计应综合考虑模拟信号输入、时钟信号输入、控制信号输入、数字输出和数据传输等因素，并根据具体应用需求，设计合适的接口形式和参数，以提高AD转换器的性能和适用性。
AD转换器
6）内部具有三态输出缓冲器，可直接与8位、 12位或16位微处理器直接相连。 7）具有＋10.000V的高精度内部基准电压源， 只需外接一只适当阻值的电阻，便可向DAC 部分的解码网络提供参考输入。内部具有 时钟产生电路，不须外部接线。 8 ） 需 三 组 电 源 ： ＋ 5 V、VCC（＋12V～＋ 15V）、VEE（－12V～－15V）。 由 于 转 换 精 度高，所提供电源必须有良好的稳定性，并 进行充分滤波，以防止高频噪声的干扰。
按输出方式分可分为：并行、串行、串并行。 按转换原理可分为：计数式、双积分式、逐次 逼近式。 按转换速度可分为：低速（转换时间≥1s）、 中速（转换时间≤lms）、高速（转换时间 ≥1μ s）和超高速（转换时间≤1ns） 按转换精度和分辨率可分为：3位、4位、8位、 10位、12位、14位、16位
能将模拟电压成正比的转换成数字量。
是模拟信号和数字信号接口的关键部件。
2、应用
雷达、通信、电子对抗、声纳、卫星、导弹、测控系统、地 震预测、医疗、仪器仪表、图像和音频等领域。
一、A/D转换的一般步骤及基本原理 3、 A/D转换的一般步骤
A/D转换过程为：采样、保持、量化和编码。
（1）采样与保持
一、A/D转换的一般步骤及基本原理
3、高于8位的并行输出A/D转换器接口
接口的一般形式
数据分两次输入，需增加一个并行接口。除此之外，其接口 形式和工作原理与8位ADC相同。
图2-32Байду номын сангаас
高于8位ADC接口的一般形式
【例2】 ADC574与8031/8051 PC机接口设计
(1)．硬件连线 接口可以采用查询和中断二种控制方式。
(2)．软件设计
AD转换器及其接口设计
AD转换器及其接口设计AD转换器（Analog-to-Digital Converter，简称ADC）是一种将模拟信号转换为数字信号的电子设备。
在现代电子系统中，ADC被广泛应用于各种领域，包括通信、娱乐、医疗、工业控制等。
本文将详细介绍AD 转换器及其接口设计。
一、AD转换器的基本原理1.采样：AD转换器将模拟信号按照一定的时间间隔进行采样，即在一段时间内获取信号的样本值。
采样定理要求采样频率必须大于信号最高频率的两倍，以保证采样后的数字信号能完整地表示模拟信号。
2.量化：采样后的信号是连续的模拟信号，需要将其离散化为一定数量的离散值。
量化过程将每个样本值映射为最接近的一个离散值，并用有限位数的二进制表示。
3.编码：量化后的离散信号是一个个数字，需要进一步进行编码以表示其大小。
常用的编码方式有二进制码、格雷码等。
二、AD转换器的接口设计1.模拟输入端口：AD转换器通常具备一个或多个模拟输入端口，用于接收模拟信号。
模拟输入端口一般要满足一定的电压范围要求，通常为0V至参考电压（通常为3.3V或5V）之间。
2.数字输出端口：AD转换器通过数字输出端口将转换后的数字信号输出给外部设备。
数字输出端口一般为并行接口或串行接口，常见的有SPI、I2C和UART等。
3.时钟信号：AD转换器需要一个时钟信号来同步采样和转换过程。
时钟信号通常由外部提供，可以是外部晶体振荡器或其他时钟源。
4.控制信号：AD转换器还可能需要一些控制信号来设置工作模式、增益、采样率等参数。
控制信号一般由微处理器或其他逻辑电路生成和控制。
三、AD转换器的接口设计要点1.采样率：为了准确地表示模拟信号，AD转换器的采样率需要满足采样定理的要求。
采样率的选择需要根据应用场景和信号频率来确定。
2.分辨率：分辨率是指AD转换器能够表示的最小量化步长。
一般分辨率越高，表示精度越大。
分辨率一般由位数来表示，如8位、10位、12位等。
3.电压范围：AD转换器的模拟输入端口需要满足一定的电压范围要求。
计算机控制系统4第三章 (2)
②量程 它是指所能转换的电压范围。如5V、10V等。
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
③转换精度 它是指转换后所得结果相对于实际值的准确
度。A/D转换器的转换精度取决于量化误差q、微分线性 度误差DNLE和积分线性度误差INLE 。 积分线性度误差INLE: 在满量程输入范围内，偏离理想转
A/D转换器
PUSH DS
STI MOV AX,DATA
MOV AX,250AH
INT 21H MOV DX,220H
MOV DS,AX
MOV DX,220H IN AL,DX;读数 MOV ADTEMP,AL
MOV AL,21H;发EOI 命令 OUT 20H,AL POP DS;恢复现场 POP DX POP AX IRET
A B C G2A VCC y0 y1 y2
G2B y3 G1 Y7 y4 y5
* 1 * * * 1 1 1 1 1 1 1 1 0 * * * * 1 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1
地
y6
设计时，根据具体接口芯片的要求，AO、 A1用作端口地址。
A/D转换器
例 ： AD574与ISA总线前62根信号线（即PC/XT总线）的接口
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
74LS138 16芯译码器
• A.B.C为选择端 G1、G2A、G2B为允许端 G2=G2A+G2B
G1 G2 C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
§第二章 输入输出接口与过程通道技术
A/D转换器
AD转换
模拟电压输入 1LSB
模拟电压输入 1/2LSB
5
3、偏移误差
偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的 值，所以有时又称为零值误差。假定ADC没有非线 性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定 是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压 值就是偏移误差。
积分器输出
VIN
时钟
T1 T T2
t
3
三、A/D转换器的主要技术指标 1、分辨率 ADC的分辨率是指使输出数字量变化一个 相邻数码所需输入模拟电压的变化量。常用 二进制的位数表示。例如12位ADC的分辨率 就是12位，或者说分辨率为满刻度FS的 1/2 1 2 。一个10V满刻度的12位ADC能分辨输 入电压变化最小值是10V×1/ 2 1 2 =2.4mV。
ADC_CONTR寄存器
ADC_RES、 ADC_RESL寄存器
ADC中断控制寄存器
ADC典型应用电路
电压基准源
ADC实现按键输入功能
10VIN 20VIN AG
CE STS
-5V～+5V -10V～+10V
23
采用双极性输入方式，可对±5V或±10V的模拟信号
进行转换。当AD574A与80C31单片机配置时，由于 AD574A输出12位数据，所以当单片机读取转换结果 时，应分两次进行：当Ａ0=0时，读取高8位；当Ａ 0=1时，读取低4位。
需三组电源：＋5V、VCC（＋12V～＋15V）、
VEE（－12V～－15V）。由于转换精度高，所 提供电源必须有良好的稳定性，并进行充分滤波， 以防止高频噪声的干扰。 低功耗：典型功耗为390mW。
ad转换模块引脚输入和输出
ad转换模块引脚输入和输出AD转换模块是一种将模拟信号转换为数字信号的电路模块。
它通常由模数转换器、采样保持电路、时钟电路等组成。
在实际应用中，AD转换模块被广泛应用于工业自动化、医疗设备、通信设备等领域。
本文将详细介绍AD转换模块的引脚输入和输出。
一、AD转换模块的引脚类型1. 电源引脚AD转换模块需要接受外部供电，因此需要有电源引脚。
通常情况下，AD转换模块的电源引脚有两个，一个是正极，一个是负极。
正极一般标记为VCC或者AVDD，负极则标记为GND或者AGND。
2. 控制引脚AD转换模块需要通过控制引脚来控制采样速率、采样精度等参数。
这些控制参数可以通过SPI接口或者I2C接口进行设置。
常见的控制引脚包括：（1）CS：芯片选择信号。
（2）SCLK：串行时钟信号。
（3）SDI：串行数据输入信号。
（4）SDO：串行数据输出信号。
3. 输入引脚AD转换模块的输入引脚用于接收模拟信号。
输入引脚一般有两个，一个是正极，一个是负极。
正极一般标记为AIN+，负极则标记为AIN-。
4. 输出引脚AD转换模块的输出引脚用于输出数字信号。
输出引脚一般只有一个，标记为DOUT。
二、AD转换模块的输入和输出特性1. 输入特性（1）输入范围：AD转换模块的输入电压范围是指在不损坏芯片的情况下，可以正确采样的电压范围。
一般情况下，AD转换模块的输入电压范围为0V~VREF。
（2）采样率：AD转换模块的采样率是指每秒钟可以进行多少次采样。
采样率越高，精度越高，但芯片成本也会随之增加。
（3）分辨率：AD转换模块的分辨率是指数字信号与模拟信号之间的精度差异。
分辨率越高，则数字信号与模拟信号之间的误差就越小。
2. 输出特性（1）输出格式：AD转换器通常会将数字信号以二进制形式输出。
因此，在使用数字信号时需要进行解码。
（2）输出速率：AD转换器的输出速率是指每秒钟可以输出多少个数字信号。
输出速率越高，则芯片的处理速度也会越快。
AD转换器及其接口设计详解
AD转换器及其接口设计详解AD转换器（Analog-to-Digital Converter）是将模拟信号转换为数字信号的电子设备。
它是现代电子系统中常见的组件之一，广泛应用于通信、测量、仪器仪表、音频处理等领域。
在AD转换器的设计中，接口设计是至关重要的，它直接影响着AD转换器的性能和可靠性。
物理接口是指AD转换器与其他外部设备（如微处理器、FPGA等）之间的连接方式和信号传输方式。
常见的物理接口包括并行接口、串行接口、I2C接口、SPI接口等。
在选择物理接口时，需要考虑系统的数据传输速度、数据带宽、线路长度、抗干扰能力等因素。
不同的物理接口有不同的特点和适用场景，因此需要根据具体应用需求选择适合的物理接口。
逻辑接口是指AD转换器与外部设备之间的控制和数据传输逻辑。
常见的逻辑接口包括并行接口、串行接口、I2C接口、SPI接口、USB接口等。
逻辑接口的设计需要考虑控制信号的数量、数据传输的稳定性、响应速度等因素。
同时，还需要考虑系统的复杂度、功耗、成本等方面的要求。
AD转换器的接口设计还需要考虑信号的采样率、分辨率和精度。
采样率是指AD转换器从模拟信号中采集样本的速率，常用单位为样本/秒（SPS），采样率越高，可以保留更多的信号细节。
分辨率是指AD转换器的输出数值的位数，通常以比特（bit）为单位，分辨率越高，可以提供更准确的数字化信号。
精度是指AD转换器输出的数字值与实际模拟信号之间的误差，一般以最大有效位数或最小非零位数表示，精度越高，误差越小。
在AD转换器的接口设计中，还需要考虑芯片的功耗、尺寸和成本等因素。
功耗是指AD转换器在工作过程中所消耗的电能，功耗越低，可以延长系统的电池寿命或减少系统的散热需求。
尺寸是指AD转换器的物理尺寸，尺寸越小，可以降低系统的体积和重量。
成本是指AD转换器的制造成本，成本越低，可以降低系统的总体成本。
总之，AD转换器的接口设计是一个综合考虑多个因素的过程，需要根据具体应用需求选择适当的物理接口、逻辑接口和信号参数。
ad转换器课程设计
a d转换器课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解AD转换器的基本概念，掌握其工作原理；2. 学生能掌握AD转换器的转换方法，了解不同类型AD转换器的优缺点；3. 学生能了解AD转换器在现实生活中的应用，认识到其在工程技术领域的重要性。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析并设计简单的AD转换电路；2. 学生能够运用AD转换器进行模拟信号与数字信号之间的转换实验，并处理实验数据；3. 学生能够通过实践操作，掌握AD转换器的调试与优化方法。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习AD转换器，培养对电子技术的兴趣，提高学习积极性；2. 学生在学习过程中，养成合作、探究的学习习惯，增强团队协作能力；3. 学生能够认识到科技发展对社会进步的重要性，激发对科技创新的热情。
课程性质：本课程为电子技术基础课程，旨在使学生掌握AD转换器的基本原理、应用及实验方法。
学生特点：学生具备一定的电子技术基础知识，具有较强的动手能力和探究精神。
教学要求：结合理论教学与实验操作，注重培养学生的实际操作能力和创新意识，提高学生的综合素质。
通过分解课程目标为具体学习成果，使学生在课程学习中获得全面、深入的理解。
二、教学内容1. AD转换器基本概念：包括模拟信号与数字信号的区别，AD转换器的作用及其在电子系统中的应用。
教材章节：第一章 电子技术基础2. AD转换器工作原理：重点讲解逐次逼近法、双积分法等常见AD转换方法。
教材章节：第二章 模拟电子技术3. AD转换器类型及优缺点：介绍并行AD转换器、串行AD转换器等不同类型，对比分析其性能特点。
教材章节：第三章 数字电子技术4. AD转换器的应用：举例说明AD转换器在医疗、工业、通信等领域的应用。
教材章节：第四章 电子技术应用5. AD转换器电路设计与实践：结合Multisim等软件，设计简单的AD转换电路，并进行仿真实验。
教材章节：第五章 电子电路设计与实践6. AD转换器实验操作：包括实验步骤、实验数据处理，以及实验现象分析。
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模拟输入量
2
工作原理
计数式 双积分式
特点
结构简单、原理清楚 转换速度慢、精度低，少用 精度高、转换速度慢，常用 转换速度较快、精度较高 常用
逐次逼近式 高速并行式
转换速度快，价格高
3
计数式A/D转换由8位D/A转换器、8位计数器和比较器组成。
C为计数器控制端： C=1，开始计数； C=0，停止计数。 模拟输入电压 Vi
+
A
比较器 C 8位 D/A 转换器 8位 计数器
计数时钟 CLK
V0
D/A转换器输出电压
S=0，使8位计数器清“0”，
D7-D0
S=1，使计数器准备计数。
开始转换 S
CLR
数字量输出D0~D7
EOC
转换结束
4
•启动信号S： S端 S端 ：使8位计数器清“0”， ： 计数器准备计数。
• 8位D/A转换器：数字量00H
uC=1。比较器的输出信号接时钟控制门的一个输入端。
定时器、计数器：计数器对时钟脉冲进行计数。当计数 器计满（溢出）时，定时器被置1，发出控制信号使 开关S1由A接到B，从而可以开始对Vref进行积分。
8
＋uI －Vref
A S 1 B uS1
R
C － + A uO － C uC G
积分器
+
比较器
反馈到比较器与Ui比较。因为，Ui > Uf，予以保留 此位的“1” 。 第二个时钟脉冲到来时，SAR 置为11000000码，经 过D／A转换器产生反馈电压
10.24 U f 512 . 2 7.68 V 2
因Ui > Uf ，故保留此位“1”。
14
第三个时钟脉冲到来时，SAR 状态置为 11100000，经D／A 转换器产生反馈电
10
逐次逼近式A/D转换
1. 组成 逐次逼近寄存器SAR 去/留码逻辑 环形计数器 数据寄存器
D/A转换器 比较器 基准电源 时序与逻辑控制电路 数字量输出锁存器
11
模拟输入 Ui
逐次逼近寄存器SAR
+ A
去码/留码逻辑 环形计数器 数据寄存器
时序 与逻 辑控 制 数字 量输 出锁 存器
-
比较器 D／A转换器
13
3. 工作过程
设逐次逼近寄存器SAR 是8位，基准电压10.24V，模拟 输入电压8.3V，转换成二进制数码。工作过程如下： 转换开始之前，先将SAR 清零； 转换开始，第一个时钟脉冲到来时，SAR的状态置 为10000000，经D／A转换器转换成反馈电压
1 U f U REF 512 . V 2
UREF
并 行 数 字 量 输 出
Uf=UREF (a12-1 + a22-2 + … + an2-n)
基准 电源
逐次逼近式A／D转换器结构
12
2.工作原理：
设定在SAR中的数字量经D／A转换器转 换成反馈电压Uf ；
SAR 顺次逐位加码控制 Uf 的变化； Uf 与等待转换的模拟量Ui 进行比较，大 则弃，小则留，逐次逼近； 最终留在SAR 的数据寄存器中的数码作 为数字量输出。
10.24 压 U f 7.68 3 8.96 V，因Ui < Uf ， 2
SAR 此位应置“ 0 ”。SAR 状态改为 11000000。 第四个时钟脉冲到来时，SAR 状态又置 为11010000，......。
3.5 AD转换器及其接口设计
一、A/D 转换器的基本原理 二、A/D转换器的技术指标 三、A/D转换器及其连接
四、典型A/D转换器
1
一、A/D 转换器的基本原理
数字输出量
A/D转换器
模拟输入量
数字输出量 111 110 101 100 011 010 001 000
1v
2v 3v 4v 5v 6v 7v
..
.
0
A/D转换时间
t
S启动
EOC结束
6
双积分式A/D转换
双积分型ADC又称双斜率ADC。 它的工作原 理是，对输入模拟电压和参考电压进行两次积分， 变换成和输入电压平均值成正比的时间间隔，并利 用计数器测出时间间隔，计数器的输出就是转换后 的数字量，如图所示。
1.组成
积分器：由集成运放和RC积分环节组成，其输入端 接控制开关S1。S1由定时信号控制，可以将极性相
反的输入模拟电压和参考电压分别加在积分器，进
行两次方向相反的积分。其输出接比较器的输入端。
7
检零比较器:其作用是检查积分器输出电压过零的时刻。
当uO>0时，比较器输出uC=0; 当uO<0时，比较器输出 时钟输入控制门G：标准周期为TCP的时钟脉冲CP接在 控制门G的一个输入端。另一个输入端由比较器输出 uC进行控制。当uC=1时，允许计数器对输入时钟脉冲 的个数进行计数；当uC=0时，禁止时钟脉冲输入到计 数器。
0V电压输出Vo。
当Vi>Vo时， C=1, 计数器从0开始计数， 只要Vi>Vo ，C=1，计数器不断计数， 当Vo≥Vi时, C=0，计数器停止计数。 • D7-D0为Vi所对应的数字量。实现了A/D转换。 C的 表示A/D转换结束，
5
可以作为中断请求信号或作为查询用。
计数式A/D转换时间图
Vi V0
逻辑 控制器
定时器
n 位二进制计数器
&
VG CP
Dn Dn 1 2
D0
n 位二进制计数器
双积分型ADC电路图
9
第一段对模拟输入积分。 第二段对参考电压积分， 此时，电容C放电为0，uS 1 又称定压积分。因为 uI 计数器复位，控制电 参考电压与输入电压 t 极性相反，可使积分 路使S1接通模拟输入uI， －V r ef 器的输出以斜率相反 积分器A开始对uI积分， uO 的线性斜坡恢复为0。 积分输出为负值，uC T1 T2 t 回0后结束，比较器的 输出为1，计数器开始 输出uC为0。通过控制 u I小 计数。计数器溢出后， u I大 门G的作用，禁止时钟 控制电路使S1接通参 u C 1 脉冲输入，计数器停 u O ＞0 考电压Vref，积分器结 u O ＜0 止计数。此时计数器 t 束对uI积分。这段的 的计数值D0～Dn-1就是 积分输出波形为一段 u 转换后的数字量。此 G n N 2 i 负值的线性斜坡。积 阶段的积分时间 …… … t T2=NiTCP,Ni为此定压 分时间T1=2nTCP，n为 定时 定压 积分段计数器的计数 计数器的位数。因此 个数。输入电压uI越 此阶段又称为定时积 双积分型ADC波形图 大，Ni越大。 分。TCP为计数时钟周 期。