【文章內(nèi)容簡介】 基準電壓輸入端（與模擬信號作比較用，一般為 +5V）； GND：接地端。 A/D 轉(zhuǎn)換器 與單片機的連接 如 圖 38 所示， 單片機的 P0 口作為地址 /數(shù)據(jù)總線使用，既輸出通道選擇地址，又接收來自 A/D 轉(zhuǎn)換器送出的數(shù)據(jù)。 由于 P0 口地址與數(shù)據(jù)的分時復用需要進行地址鎖存，因此 本設計應用 74LS373 作為地址鎖存器。 ADC0809 內(nèi)部沒有時鐘電路， 故 時鐘信號必須由外界提供，典型值 640KHz 較難獲得，一般可采用 500KHz 的時鐘脈沖。在不訪問外部 RAM 期間 ， 單片機的 ALE（允許地址鎖存）端輸出的正脈 沖信號的頻率為振蕩（時鐘）頻率的 1/6。因此 ，當晶振頻率采用 6MHz時， ALE 端輸出頻率 則 為 1MHz，此頻率再經(jīng) D 觸發(fā)器二分頻后即可獲得 500KHz 的時鐘信號 。 [3] D7D6D5D4D3D2D1D0ABCCLOCKSTARTALEEOCOEIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7Vref(+)Vref()ADC0809VccGNDXTAL1AT89S52ALEINT0RDWR74 LS 37 3XTAL2+5V+5VDCK 圖 38 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ADC0809 芯片內(nèi)部含三態(tài)輸出緩沖器，且片外有三態(tài)緩沖器控制端 OE，其輸出端可以直接接到單片機的數(shù)據(jù)總路線上， 所以，使 用 ADC0809 需解決三個基本 問題：一、通道選擇；二、啟動轉(zhuǎn)換；三、輸出允許的控制信號 。 如 上 圖所示， 8 路模擬通道選擇信號由單片機的數(shù)據(jù) /地址復用線 ~ 提供， 而 ADC0809 的 3 位地址輸入端 A、 B、 C 用以 選通 模擬通道的其中一路，根據(jù)硬件的 這種 連接方式，若要選通 IN0 則要令 ABC=000，那么 通道寄存器 首址 初值 應 為 7FF8H。此外 ， 10 作為片選信號，分別與 WR、 RD 共同控制通道地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動、三態(tài)輸出緩沖器允許輸出 ，此過程可由單片機編程實現(xiàn) ADC0809 對應的動作。 表 32 通道選擇表 C B A 選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 1N6 1 1 1 IN7 ADC0809 的工作過程 根據(jù)電路的連接方式，可得到 ADC0809 的 工作 時序 如下圖所示： CLO CKSTA RTALEEOCOEDA TA 圖 39 ADC0809 的工作時序 以上 時序反映了 ADC0809 的工作過程：首先，輸入 3 位地址并使 ALE=1，鎖存地址，該地址經(jīng)譯碼后選通其中一個通道，讓模擬量送入比較器。 START 有效電平的上升沿將逐次逼近寄存器復位（清零），下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換，隨后（約 10us 后） EOC 輸出低電平表示正在進行轉(zhuǎn)換。當 A/D 轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖?，表示轉(zhuǎn)換結束，轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)存入三態(tài)鎖存器。當 OE 輸入高電 平，三態(tài)鎖存器打開，數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總路線上。 連續(xù)采集的實現(xiàn) 由 ADC0809 的工作過程可知， START 端 每輸入一個有效電平就采集一個數(shù)據(jù)， 若 要不斷地采集數(shù)據(jù)需在 START 端加上 持續(xù)不斷的 啟動 脈沖， 即實現(xiàn)數(shù)據(jù)的 連續(xù)采集。連續(xù)采集一般要設定兩個參數(shù)：一、采樣頻率；二、每通道采樣 點 數(shù)。 當數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣間隔一定時，不同成分的連續(xù)信號不發(fā)生頻混的臨界條件是fs=2fc，即在產(chǎn)生一個周期的信號的時間內(nèi)，至少要采樣兩次。 但是，在實際應用中，在采 11 集 非直流信號時每周期采樣兩次是不夠的，這樣得到的只是一個方波信號。按實 際需要，一般平均每個周期采集 10~15 個點就可滿足波形再現(xiàn)的要求，這樣還不會導致計算機內(nèi)存的數(shù)據(jù)量過大，有利于計算機對數(shù)據(jù)的處理。 至于采樣頻率，必須讓 A/D 轉(zhuǎn)換器與采樣 /保持器相配合 才可以 決定。 采樣 /保持電路 如前所述， 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的過程有四個階段，即采樣、保持、量化和編碼。 其中， 采樣是將時間 上 連續(xù) 的 信號變成時間 上 離散 的 信號的過程。量化是將 采樣后的 信號 的幅值表示成某個最小數(shù)量單位的倍數(shù)的過程。量化電路的后面緊隨編碼電路，可將量化信號的 值轉(zhuǎn)換成二進制代碼 ，即可得到最終的數(shù)字信號 。量化和編碼總是需要一定時間 才能完成，所以，量化電路的前面還要有一個保持電路。雖然邏輯上 保持器是一個獨立的單元，但是，工程上保持器總是與采樣器做在一起，二 者合稱采樣 /保持器。 采樣 /保持器的選擇 LF398 是 由美國 National Semiconductor 公司生產(chǎn)的 較為通用的 反饋型 集成 采樣 /保持器 ，適用于 8~12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 如 下 圖 所示， A A2 是兩個運算放大器， S 是模擬開關， L 是控制 S 狀態(tài)的邏輯 電路。 當 uL=1 則 S 閉合， 電路處于采樣狀態(tài) ， A A2 構 成單位增益的電壓跟隨器，故 uo=u’o=ui； 同時 ， u’o 通過 R2 對外 接 電 容 Ch 充電使 uch=ui，因為 電壓跟隨器的輸出電阻 非常 小， 所以 對 Ch 充電很快結束，即 采樣結束 。此 后 ， uL=0， S斷開， 由于 uch 無放電通路， 該 電壓基本不變，故使 uo 得以保持，即將采樣結果保持下來。 二極管 D D2組成保護電路，當 S 閉合，即 LF398 處于跟蹤 （采樣） 狀態(tài)時 uo’=uo，故 D D2均不導通；當 S 斷開，即處于保持狀態(tài)時， D D2之一處于導通使得 A1 的 輸出電壓 u’o 與 ui 之差為二極管的壓降。 A1 A2++++L30KΩD1 D2uo39。uiuLR1S300ΩR2Chuo 圖 310 LF398 內(nèi)部結構 A. LF398 的主要技術指 標 雙電源供電，工作電壓： +5~+18V； 低輸入漂移，保持狀態(tài)下輸入特性不變 ； 當保持電容為 時，典型保持步長為 ； 采樣時間： 10μs（ 10V級 %時為 20μs） ； 下降率： 3mV/s。 12 B. LF398 的引腳圖及引腳功能說明 表 33 LF398 引腳說明 圖 311 LF398 引腳 引腳 符號 功能 1 V+ 正電源電壓輸入 2 OV 偏置調(diào)零 3 IN 輸入 4 V 負電源電壓輸入 5 OUT 輸出 6 Ch 保持電容 7 REF 參考電壓輸入 8 LOGIC 控制邏輯 C. 推薦工作狀態(tài)表 表 34 推薦工作狀態(tài) 參數(shù)名稱 符號 最小值 典型值 最大值 單位 正電源電壓 V+ +5 +15 +18 V 負電源電壓 V 5 15 18 V 正電源電流 I+ － － mA 負電源電流 I － － mA 輸入電壓 Vin － + V 保持電容 CH － － μF 工作溫度 TA 0 － 70 oC LF398 的應用 本設計的采樣 /保持電路 以 LF398 集成芯片 為主 ，因此 整體 電路較為簡單 ， 如下圖所示，只需外接 保持電 容、 177。 15V電源 及邏輯信號 （一般該脈沖頻率宜大于輸入信號幾倍） 即可工作 。 盡管用法并不復雜，但是采樣 /保持器必須配合 A/D 轉(zhuǎn)換器 使用 才可以發(fā)揮作用 。 12348765LF398+ 15V 15V 輸出保持電容偏置輸入START數(shù)字地 圖 312 LF398 接 法 因為每一次數(shù)據(jù)采集 其 過程都包括一次采樣和一次 A/D 轉(zhuǎn)換，所以 采樣 /保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器各完成一次動作所需的時間之和應該小于采樣周期 Ts， 否 則 工作時會嚴重出錯。 其 13 關系如下式所示 ： s AC ST CONVT t t t? ? ? 或 11s s A C ST C O N Vf T t t t?? ?? 其中， tAC是采樣 /保持器的捕捉時間 ， tST 是其設定時間，而 tCONV是 ADC 的轉(zhuǎn)換時間。tAC與 規(guī)定的誤差范圍有關，又與 保持電容 CH選取的大小有關 ，電容值越大，捕捉時間越長 。 在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使采樣 /保持器由采樣狀態(tài)進入保持狀態(tài)的指令同時又是啟動A/D 轉(zhuǎn)換的指令 （如圖中所示的 START 邏輯信號），此時 設定時間 tST不予考慮 ，這樣系統(tǒng)的精度不是很高，但 基本可滿足要求 ，而 tCONV則與 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)及時鐘頻率有關。 表 35 LF398 捕捉時間 SYMBOL PARAMETER TEST CONDITIONS Typ UNIT tAC Acquisition time to % △ Vout=10V， Ch=1000pF Ch= 4 20 μs 由 LF398 的產(chǎn)品手冊上可查得表 35 所列數(shù)據(jù)，可知當外接保持電容 CH= 時，采樣 /保持器的捕捉時間 tAC=20μs；當 CH =1000pF 即 時， tAC=4us。 采樣 /保持器的捕捉時間應與 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率相配合， 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 的相對分辨率為： 0 0 00 0 08111 0 0 1 0 0 0 . 3 9 122n ? ? ? ? 與之相 匹 配的采樣 /保持器的誤差帶可取為 177。 %而非177。 %， 對應的保持電容 CH應為 1000pF 即 ， 此時，捕捉時間為 4μs。另外， ADC0809 的時鐘頻率為 500KHz時，轉(zhuǎn)換時間 tCONV =128μs。 在這種配置下 ， 采樣頻率應為 ： 6611 7 .5 84 1 0 1 2 8 1 0s A C C O N Vf K H ztt ??? ? ?? ? ? ? 由采樣定理可知， 采樣頻率 為 fs≥ 2fc才不會導致頻 混 ，即輸入模擬 信號的最高頻率 被限制在以下的數(shù)值 ： 11 7 .5 8 3 .7 922csf f K H z K H z? ? ? ? 信號調(diào)理電路 信號調(diào)理電路實際上就是 對 信號 進行放大和濾波處理的電路。本設計預期輸入 的信號大概在 0~+10mV之間，而 ADC0809 的輸入信號電壓范圍是 0~+5V，因此需要對輸入信號進行適當放大。 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號上疊加的噪聲電壓十分敏感， 為防止高頻信號的干擾，應在 A/D 轉(zhuǎn)換之前用低通濾波電路將其過濾掉。低通濾波可分為有源和無源低通濾波。無源低通濾波一般是由簡單的 RC 電路 組 成，而有源 低通 濾波電路則是在 RC 電路的基礎 14 上再接入運算放大器，由此可組成高效、具良好頻率特性的低通濾波電路。 測量放大器 根據(jù)常用測量放大器的原理電路， 利用三個運放可自行 構成 效果較為理想的測量放大器。如下 圖所示， 該 測量放大器由兩個同相放大器和一個差動放大器組成， 該電路具有輸入阻抗高，電壓放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)，輸出不 含共模信號等優(yōu)點。 圖 313 測量放大器原理圖 該 測量放大器的第一級由兩個 同相放 大器組成同相并聯(lián)差 動 放大器 ， 該電路的輸入電阻非常 大 ， 當接入電阻 R 后該電路的輸入電阻就近似等于 R。這一級電路 的差模電壓放大倍數(shù)為： 120212021 21 RRu uuAiu ???? 由上式可知，改變 R1 的值 即可 改變電路的電壓放大倍數(shù)。通常 可 用一個電位器與一個固定電阻串聯(lián)來代替 R1， 這樣 通過 調(diào)節(jié)電位器的 值，就能改變 電壓 放大 倍數(shù)。 由于本設計的被測量電壓的范圍已經(jīng)確定，且經(jīng)放大后最終輸出的電壓也較為明確，所以設計時已經(jīng)將 R1 值 固定。 測量放大器的第二級由運算放大器 A3與電阻 R R R5等一起組成基本差動放大器，其 差模電壓放大倍數(shù)為： 343 RRAuo ? 這樣，二級放大組合在一起構成的測量放大器的 差模電壓放大倍數(shù)為 ： 3412312 21 RRRRAAA uououo ????????? ???? 本設計選擇 R1=10K? ， R2=47K? ， R3=10K? ， R4=R5=500K? ，則放大倍數(shù) 可接近于 500 倍。 15 有源低通濾波器 由于采樣頻率已經(jīng)確定，經(jīng) 前面 的 計算可知輸入信號的最高頻率為 ： 1 3 .7 92csf f KHz?? RC 低通濾波器的角截止頻率為： 0 1RC?? 因為 2T ???，所以截止頻率最大為： 0 122cf RC????? 由此可得 RC 最小值為： 5311 4 . 2 1 02 2 3 . 1 4 3 . 7 9 1 0cRC f??? ? ? ???? 據(jù)此可確定 RC 的參數(shù)：取 R=470? ，則 C= 時： 6 5 547 0 0. 1 10 4. 7 10 4. 2 10RC ? ? ?? ? ? ?