A/D转换器

吉林铁道职业技术学院 刘增俊

A/D转换器

吉林铁道职业技术学院 刘增俊

A/D转换器是将输入电压信号转换为数字信号输出的装置。一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。本系统由0—5V信号源、电压比较电路、STC12C5A60S2单片机处理电路、74HC148编码器、1602显示电路、CD4067电子开关及键盘输入电路组成。采用逐次比较原理实现对0—5V连续调节模拟电压信号的测量和显示。

电压比较电路；STC12C5A60S2单片机；CD4067电子开关

1.系统总体方案设计

本系统信号源利用可调电阻，产生0—5V连续调节的模拟电压信号；采用电压比较器分别比较信号电压的个位、十分位、百分位、千分位，利用减法器进行位数的计算，并将比较结果送入控制模块进行计算，通过显示模块输出结果。系统总体框图如图1所示。

1.1 总体方案论证

方案一：积分型

积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。

方案二：压频变换型

压频变换型(Voltage-Frequency CONverter)是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。

方案三：采用从高位到低位逐位试探比较原理，从高到低逐级做减法进行试探。过程是：初始化后将待转化电压值的最高位与电子开关选通端对应电压值通过减法器做减法使待测电压值最高位为0，然后将做过减法后的待测电压值乘以10，使其最高位不为0，再经过电子开关选通端的电压值做减法使其最高位为0，如此循环4次，得出千分位数值，该数值即为比较器得出的结果，就是所要求的数字量输出。

基于以上分析，采用方案三。

1.2 系统的基本组成

A/D转换器系统对输入电压值应实时掌握，所以转换后的电压值应时刻显示在1602屏上。通过STC12C5A60S2单片机所连接的控制单元在输入0-5V连续调节直流电压被测信号源变化过程中实时对A/D转换电路进行测试，实现系统对A/D转换电路的分辨率的测试。同时采用光提示来提示完成测试。

1.2.1 控制模块选择

控制模块选择AT89S52单片机。AT89S52具有以下标准功能：三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，片内晶振及时钟电路。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。芯片市场上十分常见，十分容易购买和更换，性价比高。

1.2.2 键盘输入模块的选择

采用独立键盘作为系统的控制装置。优点：所占面积小，节省空间，不易命令输出错误。缺点：占有单片机I/O口过多。

1.2.3 显示模块的选择

方案一：使用传统的数码管显示转换结果。数码管（LED）对环境因素要求较低，显示明亮。采用BCD编码显示数字。程序编译相对容易，资源占用少。但耗能高，显示形式单一。

方案二：使用1602液晶。1602液晶也叫1602字符型 液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。使用液晶显示屏显示转换结果。液晶显示屏具有轻薄短小，耗电量低，无辐射危险，可视面积大，画面效果好，分辨率高。

表1 测试数据

图1 系统总体框图

图2 控制单元电路图

图3 电压处理单元电路图

图4 总体流程图

综上比较，选择方案二。

1.2.4 多路开关

方案一：采用机电开关，如干簧继电器，水银继电器电器等。机电开关结构简单，在通断指标方面具有近似理想的电气特性，闭合时接触电阻较小，而断开时阻抗高。但是速度、体积方面则不够理想。此外在簧片和连接间还存在着热电势。

方案二：CD4067是数字控制模拟开关，具有低导通阻抗，低截止漏电流和内部地址译码的特征。另外，在整个输入信号范围内，导通电阻保持相对稳定。CD4067是16通道开关，有四个二进制输入端A0～A3和控制端C，输入的任意一个组合可选择一路开关。C＝1时，关闭所有的通道。CD4067提供了24引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式

因为半导体集成电路多路开关具有明显的优点，我们选择方案二。

1.2.5 编码器

优先编码器74HC148。74HC148为HCMOS型，是高速CMOS系列，供电3～12V，他允许同时输入两个以上编码信号。在设计优先编码器时已经将所有的输入信号按优先顺序排了队，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。具有速度快，精度高，价格便宜，应用方便等优点。

1.2.6 运算放大器

系统选择LM324。LM324内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

2.硬件电路设计

硬件设计电路图如图2、3所示。

3.软件设计

软件设计总体流程见图4。

4.测试方案与测试结果

4.1 测试方案

（1）根据题目要求，分别进行十次测试，从0—5V以0.5V为档位共分成10档系统转换正确率为90%。

（2）共测试10次，测试时间正确率为90%。

（3）存储数据为100个。

4.2 测试数据及分析

测试数据如表1所示。

误差分析：

（1）温漂在数据采集系统中是一个相当重要的指标，由于环境温度的变化，系统温漂可能会严重影响系统精度.可以采用温度保持恒定，避免了温度偏移的影响.还有一些系统采用一种比例测量法，用同一信号源激励传感器和参考电压，可以消除基准引起的误差，因为激励源和基准同时漂移，漂移误差相互抵消.也有系统用补偿手段消除基准漂移。

（2）误差源，如码源噪声、失调温漂、增益漂移，它们在某种条件下，可能会对系统精度产生影响，但只要采用适当的手段就可以使相应误差最小，进而不会影响系统精度。

刘增俊（1978—），男，硕士研究生，吉林铁道职业技术学院讲师，研究方向：供用电技术。