数据采集电路的设计

数据采集电路的设计A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。

它是一个模拟系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。

常用的A/D转换方式有主次逼近式和双斜积分是式，前者积分时间短，但是抗干扰能力较差；后者转换时间长，抗干扰能力抢。

在信号变化缓慢，现场干扰严重的场合，宜采用后者。

A/D转换的主要指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的要求等。

在本章节主要介绍8位A/D转换器ADS831、12位A/D转换器AD574以及高速A/D转换电路。

第一节：8位AD电路的一般设计ADS831是TI公司推出的8位80MHz高速采样模数转换芯片。

本节主要介绍ADS831的性能特点、内部结构,给出处理器MSP430x16x和ADS831构成的数据采集系统的硬件设计电路。

ADS831是TI公司推出的一种高速8位CMOS工艺的模数转换器(ADC)。

该芯片采用单一+5V供电,内部带有取样保持电路。

与早期的ADC芯片相比,ADS831采用流水线结构,因而具有极高的采样速率和转换速度、采样速率可高达80MHz。

内部包含时钟电路、8位线性A/D核、校正逻辑单元、三态输出单元以及其内部参考源。

内部结构如图2-1所示：图2-1 ADS831的逻辑框图ADS831硬件电路设计输入调理电路设计该模块由衰减网络和三级不同增益的运放电路组成，通过继电器切换，实现衰减、直通和小信号放大的功能。

三级电路均采用OPA690精密仪表放大器构成，该运放具有输入阻抗高、低噪声、速度快等优点，增益带宽积达500MHz。

第一级运放构成射级跟随器，输入阻抗3.5MΩ，第二级运放放大系数约为5倍，第三级运放当放大系数约为10倍，级联实现约50倍放大增益，最终将输出电压峰-峰值保持在1.6V左右。

单元电路如图2-2所示。

图2-2输入调理电路设计采样保持电路设计将A/D转换器设计成单极性输入，采用ADS831内部基准源REFT(+3V)和运放OPA2652构成2.5V恒压源，从而使采样电压有效值保持在+2.5 V。

ADS831最高采样速率可达80MHz，系统采用外部晶体振荡器50.0 MHz。

单元电路如图2-3所示。

图2-3数据采集电路第二节：12位AD电路的一般设计AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。

各参数如下：分辨率：12 位非线性误差：小于±1/2LBS 或±1LBS转换速率：25us模拟电压输入范围：0—10V 和0—20V，0—±5V 和0—±10V 两档四种电源电压：±15V 和5V数据输出格式：12 位/8 位芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式AD574由三组电源供电，即 15V和+5V，由于它对从电源线引入的噪声十分敏感，几毫伏的电源噪声就会引起A/D转换几位的误差，所以在应用过程中应特别注意电源的滤波和稳压，可以采用的抗干扰措施有：①在芯片的7脚和9脚、9脚和11脚以及1脚和15脚之间接入由一个47 F钽电容和一个0.01 F瓷片电容并联而成的去耦网络。

②在印制板设计时让模拟量输入电路与数字电路尽量分开。

③芯片的数字地（15脚）和模拟地（9脚）就近接在一起。

在发热量较大的应用场合，还应采取一定的散热措施。

(1)AD574A 的接口电路图2-4是AT89C51单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由(CS、R/C 和A0)有8051 的数据口P0 发出，并由三态锁存器74LS373 锁存到输出端Q0、Q1 和Q2 上，用于控制AD574A 的工作过程。

AD 转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于只使用了8 位数据口，12 位数据分两次读进8051，所以R/C接地。

当8051 的p3.0 查询到STS 端转换结束信号后，先将转换后的12 位A/D 数据的高8 位读进8051，然后再将低4 位读进8051。

这里不管AD574A 是处在启动、转换和输出结果，使能端CE 都必须为1，因此将8051 的写控制线WR和读控制线RD通过与非门74LS00 与AD574A 的使能端CE 相连。

图2-4 AT89C51单片机与AD574A 的接口电路(2)AD574A 的工作模式以上所述的是AD574A 的全控状态，如果需AD574A 工作于单一模式，只需将CE、12/8端接至+5V 电源端,CS和A0接至0V，仅用R/C端来控制A/D 转换的启动和数据输出。

当=0 时，启动A/D 转换器，经25us 后STS=1，表明A/D 转换结束，此时将R/C置1，即可从数据端读取数据。

(3)中断服务程序由图2-4所示的硬件接法，得到AD574各操作对应的口地址为：启动变换：47FFH读转换结果高8位：4FFFH读转换结果低4位：5FFFH据此用单片机高级语言C51编写的AD574中断服务程序为：void ad574(void) interrupt 0{char r1,r2;char xdata *p;int caiyang1=0x2100;int caiyang2=0x2200;p=0x4fff;ACC=*p;r1=ACC; //读转换结果高8位p=0x5fff; r2=ACC; //读转换结果低4位XBYTE[caiyang1]=r1;XBYTE[caiyang2]=r2; /*将结果存入外部RAM绝对地址单元*/caiyang1++;caiyang2++;wancheng=1; /*读数完毕，置转换完成标志位为1*/PX0=0; //关中断优先级}第三节：高速A/D转换器AD7654与单片机接口电路设计AD7654是ADI公司推出的一种低功耗、四通道、电荷再分布式高速A/D转换器，该A/D 转换器的主要特点是：16位分辨率且无漏失码；O V～5 V模拟输入范围；SPI/QSPI/Microwire/DSP兼容；两个允许同步采样的低噪音、高带宽跟踪/保持放大器；功耗典型值为120 mW；可提供串行和并行两种输出接口，给予用户灵活的选择。

串行A/D转换的速率很高，并且具有体积小、功耗低、占用单片机口线少的优点，文中采用串行模式设计电路，有关引脚说明如下：A0：转换通道选择；A/B：高电平时，先输出A通道转换数据再输出B通道转换数据，低电平反之；SER/PAR：串行/并行模式选择。

低电平为并行模式，高电平为串行模式；EXT/INT：高电平时选择外部时钟，低电平时选择内部时钟；SDOUT：转换数据输出位；SCLK：串行数据时钟输入或输出(取决于EXT/INT的逻辑状态)；CNVST：开始转换。

CNVST的下降沿使内部采样保持进入保持状态并开始转换；BUSY：正在转换标志；EOC：转换结束标志。

AD7654的转换过程由CNVST下降沿启动，转换启动与CS和RD信号状态无关，A0引脚控制转换通道的选择。

在转换结束之前，即使掉电转换也不会重新开始或终止。

转换进行过程中，BUSY变为高电平，EOC也为高电平，EOC在每一个通道转换结束后变为低电平，而BUSY线在两个通道转换全部结束后才变为低电平，转换的32位数据可以从SDOUT上读出。

转换时序图如图2-5所示。

AD7654有串行和并行两种接口方式，每种接口方式又有主从两种模式，本文介绍其串行接口下从模式的硬件和软件设计。

图2-5 AD7654基本转换时序图AD7654与单片机的接口电路设计在本系统中，单片机选用TI的MSP430x16x系列单片机，具体的接口电路如图2-6所示。

设计AD7654工作在串行从模式下，因此其数据的转换和读取都需要微处理器MSP430x16x的控制，所需的高精度2.5 V基准电压由AD780提供，AD7654上所有的电源和地之间都需连接去耦电容器。

在实验电路中，AD7654的SER/PAR和EXT/INT引脚直接由硬件置高电平，INVS-CLK由硬件置低电平，使ADC以串口方式工作，同时使数据输出由外部时钟控制。

由于AD7654是两个通道同时采样，所以需要给A/B置位以控制数据的输出顺序。

MSP430x16x的P2.5引脚接至AD7654的CNVST，这样只需要通过单片机MSP430x16x控制使P2.5产生一个宽度大于5 ns的负脉冲，该负脉冲的下降沿就可以启动ADC开始转换，转换的时间约为2μs。

当转换结束时，BUSY引脚上的信号就会变成低电平，从而通知单片机可以开始读取转换的数据，由于实际AD7654转换速度很快，因此BUSY线可以不用，启动转换后可以直接读取数据。

在单片机读取数据前，需要通过P2.6和P3.4口给读选通RD和片选CS置零，以使SDOUT上的数据有效，然后单片机通过P2.0(SCLK)引脚向AD7654发送8个时钟脉冲，与此同时单片机就可以通过P2.2口从SDOUT上读取8位转换的数据。

串行从模式下读数据时序图如图2-7所示。

图2-6 AD7654与msp430x16x单片机连接电路图2-7 串行从模式读数据时序图采用AD7654串行模式进行A/D转换具有速度快、精度高、功耗低、占用口线少的优点，非常适用于AC伺服电动机控制、频率转换、三相功率监视、不间断电源、四通道数据取样和汽车电子等方面。

该系统电路已在实验中调试通过，实际应用中应考虑灵活性，所有控制线均由软件控制实现。