【技术】解析逐次逼近型A/D转换器的基本工作原理及转换电路图设计

爱浦电子在本文将对A/D转换器工作原理及转换电路图设计进行了详细的讲解，为工程师们的设计提供理论基础。A/D转换器工作原理A/D转换就是要将模拟量V（如V=5V）转换成数字量D（如D=255）。模/数（A/D）转换的型式较多，如计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。在集成电路器件中普遍采用逐次逼近型，现简要介绍逐次逼近型A/D的基本工作原理。

一、逐次逼近型A/D的基本工作原理

图1. 逐次逼近型的结构图

图1为逐次逼近型的结构图。这种A/D转换器是以D/A转换器为基础，加上比较器、逐次逼近寄存器、置数选择逻辑电路及时钟等组成。其转换原理如下：

在启动信号控制下，首先置数选择逻辑电路，给逐次逼近寄存器最高位置“1”，经D/A转换成模拟量后与输入模拟量进行比较，电压比较器给出比较结果。如果输入量大于或等于经D/A变换后输出的量，则比较器为1，否则为0，置数选择逻辑电路根据比较器输出的结果，修改逐次逼近寄存器中的内容，使其经D/A变换后的模拟量逐次逼近输入模拟量。这样经过若干次修改后的数字量，便是A/D转换结果的量。

现逼近型A/D大多采用二分搜索法，即首先取允许电压最大范围的1/2值与输入电压值进行比较，也就是首先最高为“1”，其余位为“0”。如果搜索值在此范围内，则再取范围的1/2值，即次高位置“1”。如果搜索值不在此范围内，则应以搜索值的最大允许输入电压值的另外1/2范围，即最高位为“0”，依次进行下去，每次比较将搜索范围缩小1/2，具有n位的A/D变换，经n次比较，即可得到结果。逐次逼近法变换速度较快，所以集成化的A/D芯片多采用上述方法。

由图可知，A/D转换需外部启动控制信号才能进行，分为脉冲启动和电平启动两种，使用脉冲启动的芯片有ADC0804、ADC0809、ADC1210等。使用电平启动的芯片有ADC570、ADC571、ADC572等。这一启动信号由CPU提供，当A/D转换器被启动后，通过二分搜索法经n次比较后，逐次逼近寄存器的内容才是转换好的数字量。因此，必须在A/D转换结束后才能从逐次逼近寄存器中取出数字量。为此D/A芯片专门设置了转换结束信号引脚，向CPU发转换结束信号，通知CPU读取转换后的数字量，CPU可以通过中断或查询方式检测A/D转换结束信号，并从A/D芯片的数据寄存器（即图1中逐次逼近寄存器）中取出数字量。

二、A/D转换电路图设计

1、A/D转换电路图设计（一）

ICL7109的接口电路较强，输出为12位二进制数。其特点是：

  • 可与TTL电路兼容；

  • 具有三态控制输出；

  • 有通用信号控制端，可方便监视转换；

  • 有极性和溢出位；

  • 片内有振荡器，UART异步收发数据交换；

  • 可串行、并行接口；

  • 差分输入，差分基准电压使其具有较低噪声和较小误差；

  • 带有防静电保护功能；

  • 类似型号有TSC7109，ADC7109。

模拟部分接线图：

图2. 模拟部分接线图

2、A/D转换电路图设计（二）

通常A/D转换都需使用A/D转换芯片来实现，MC9S12XS128MAL是飞思卡尔公司HCS12系列16位单片机中的一种，它有8kB的RAM、128kB的片内闪存（FlashEEPROM）、2kB的电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）及多种功能的接口，MC9S12XS128内置的A/D模块是16通道、12位精度、多路输入复用、逐次逼近型的模数转换器，故可省去使用A/D转换芯片而设计的硬件电路，可降低成本，提高了系统的稳定性及可靠性。但单片机的模拟输入端只能接受单极正向模拟信号，不能直接进行双极模拟信号的模数转换，为此必须把双极模拟信号转换成单极正向模拟信号。在一般的设计中，常常要把形如-ui-+ui的双极型模拟信号通过电位平移电路转换成0～5V单极信号，而这种平移电路会使得A/D转换的精度降低一倍，而且稳定性也降低。而文中采用对称电路设计，使得单片机可接收的A/D信号由0～5V扩大到-5～+5V，A/D转换的量程扩大了1倍，稳定性也大幅提高。

● 电路设计

图3. 总体电路示意图

● 设计原理

当输入的信号经放大电路放大后，若信号为正，则二极管1截止，信号无损失地从AD0口输入，同时正的信号经反相器反相后变成负的信号，二极管2导通，所以AD1口接收到的信号为二极管2的正向导通压降的负值，只要这个负值电压的幅度小于A/D口输入的允许值，则由此口采集的A/D值就为0，因此在这种情况下的A/D值就是AD0口的值；反之，当输入的信号为负值时，二极管1导通，AD0口接收的数据为0，而经反相器反相后的信号为正，二极管2截止，AD1口接收数据。

若AD=AD0-AD1，当信号为正时，AD=AD0-0，为正；当信号为负时，AD=0-AD1，为负。此时，AD可接收的数据由原来的0～5V扩展为-5～+5V。

● 二极管的选择

若从线性度考虑，应该选择正向压降高的二极管，例如1N4007。但1N4007的正向压降约为0.7V，当二极管导通时，对应的A/D口所接收到的信号为-0.7V，这会烧毁单片机，所以从安全性考虑应该选择压降较低的二极管进行实验。PMEG2010的压降约为0.1V，1N60的压降约为0.2～0.3V，均能保护好单片机不被烧坏。在安全性的前提下，分别测量数据分析二极管的线性度。

3、A/D转换电路图设计（三）

D/A转换电路由DAC0832及运算放大器LM358等组成，有两个糟出通道，采用单极性电压输出。数字输出范围为：OOH-FFH，对应电压输出范围为：0-5v。对电阻炉的温度进行控制，其中5v对应200℃，ov对应0℃。DAC0832的地址为288H～28BH，参考电压接稳压块7805的输出+5v，前一级运算放大器输出为0～-5v，第二级运算放大器输出为0—+5v。

图4.

4、A/D转换电路图设计（四）

给大家提供一种实用的用普通单片机实现的A/D转换电路，它只需要使用普通单片机的2个I/O脚与1个运算放大器即可实现，而且它可以很容易地扩展成带有4通道A/D转换功能，由于它占用资源很少，成本很低，其A/D转换精度可达到8位或更高，因此很具有实用价值。

电路如图所示：

图5. 电路示意图

其工作原理说明如下：

1、硬件说明：

图5中“RA0”和“RA1”为单片机的两个I/O脚，分别将其设置为输出与输入状态，在进行A/D转换时，在程序中通过软件产生PWM，由RA0脚送出预设占空比的PWM波形。RA1脚用于检测比较器输出端的状态。

R1、C1构成滤波电路，对RA0脚送出的PWM波形进行平滑滤波。RA0输出的PWM波形经过R1、C1滤波并延时后，在U1点产生稳定的电压值，其电压值U1=VDD*D1/（D1+D2），若单片机的工作电压为稳定的+5V，则U1=5V*D1/（D1+D2）。

图5中的LM324作为比较器使用，其输入负端的U1电压与输入正端的模拟量电压值进行比较，当U1大于模拟量输入电压时，比较器的输出端为低电平，反之为高电平。

2、A/D转换过程：

如果使RA0输出PWM波形，其占空比由小到大逐渐变化，则U1的电压会由小到大逐渐变化，当U1电压超过被测电压时，比较器的输出端由高电平变为低电平，因此可以认为在该变化的瞬间被测的模拟量与U1的电压相等。

由于U1的电压值=VDD*D1/（D1+D2），当VDD固定时，其电压值取决于PWM波形的占空比，而PWM的占空比由单片机软件内部用于控制PWM输出的寄存器值决定，若软件中用1个8位寄存器A来存放RA0输出的PWM的占空比值D1，因此在RA1检测到由“1”变为“0”的瞬间，A寄存器的值D1即为被测电压的A/D转换值，其A/D转换结果为8位。如果用16位寄存器来作输出PWM的占空比，则A/D转换值可达到16位。

5、A/D转换电路图设计（五）

本次设计选用高性能7/2位A/D转换器件MC14433，其片内含有振荡器，只要外接两只电容和两只电阻即可，在此选其输出量程为199.9mV。MC14433的输出信号端中Q0～Q3为BCD码数据输出端，DS1～DS4分别是千位、百位、十位和个位数的输出选通信号。通过调节电阻R的阻值可以使得MC14433的输出BCD码与输入电压相同。其中MC1403是精密电源为MC14433提供可靠的参考电压。

图6.