一、A／D转换基本知识

1.A／D转换过程

A／D转换的功能是把模拟量转换为n位数字量，图5.18所示为A／D转换器的输入和输出关系图。

图5.18　A／D转换器的输入和输出关系

说明如下：

（1）输入A／D转换器的模拟量转换成离散量称为采样。经过采样后输出不连续的物理量，在图5.18中各个孤立的点表示采样结果，每个点的纵坐标代表某个时刻的模拟量，在相邻的两次采样中，A／D转换输出保持前一时刻的值，A／D转换后的输出特性是一条阶梯曲线。

（2）相邻两次采样的时间间隔称为采样周期。为了使输出量能充分反映输入量的变化情况，采样周期要根据输入量变化的快慢决定，一次A／D转换所需要的时间应该小于采样周期。

（3）采样输出的离散量转换为相应的数字量称为量化。假设输入的模拟量为0～4.99V时，经8次采样输出的离散量分别为0.00V、0.71V、1.42V、2.13V、2.84V、3.55V、4.28V和4.99V，则经量化后输出的数字量为3位二进制数，离散量与数字量的对应关系如表5.5所示。

（4）数字量最低位（最小有效位LSB，Least Significant Bit）对应的模拟电压称为一个量化单位，如果模拟电压小于此值，则不能转换为相应的数字量。LSB表示A／D转换器的分辨能力，从表5.5可知，1LSB＝0.71V。

表5.5　模拟量与数字量的对应关系

为了实现输出数字信号近似于输入模拟信号的指标，必须有足够大的采样频率和转换位数。采样频率越大，采样后的信号越接近输入信号，一般选择采样频率大于5～10倍模拟信号的最高频率。A／D转换器的位数越多，转换后的数字量也越接近于模拟量。

2.A／D转换器的主要性能指标

（1）分辨率。

A／D转换器能分辨的最小模拟输入量，通常用转换数字量的位数表示，如8位、10位、12位和16位等，位数越高，分辨率越高。例如对于8位A／D转换器，当输入电压满刻度为5V时，输出数字量的变化范围为0～255，转换电路对输入模拟电压的分辨能力为5V／255＝19.6mV。

（2）转换时间。

A／D转换器完成一次转换所需的时间。转换时间是软件编程时必须考虑的参数，若CPU采用无条件传送方式输入转换后的数据，则从启动A／D芯片转换开始到A／D芯片转换结束的时间称为延时等待时间，该时间由启动转换程序之后的延时程序实现，延时等待时间必须大于或等于A／D转换时间。

（3）量程。

A／D转换器所能转换的输入电压范围。

（4）量化误差。

将模拟量转换成数字量过程中引起的误差。

（5）精度。

数字输出量对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值。

常用的A／D转换器按照转换输出数据方式分为串行与并行两种，并行A／D转换器按原理可分为计数式、双积分式、逐次逼近式和并行式四种，目前常用的是双积分式和逐次逼近式转换器。

双积分式A／D转换器的主要特点是转换精度高、抗干扰能力好、价格便宜，但转换速度较慢，主要应用在转换速度要求不高的场合。

逐次逼近式A／D转换器的主要特点是转换速度较快、精度较高，转换时间在几微秒到几百微秒之间。

二、8位A／D转换器ADC 0809

1.ADC0809的内部结构及引脚功能

ADC0809是一种典型的8位8通道逐次逼近式A／D转换器，其内部逻辑结构如图5.19所示。

图5.19　ADC0809内部逻辑结构框图

8路模拟量开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用1个A／D转换器进行转换，地址锁存与译码电路完成对ADDA、ADDB和ADDC 3个地址位的锁存和译码，译码输出用于8路模拟通道的选择，三态输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。

ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装的芯片，其引脚排列如图5.20所示。(www.daowen.com)

各引脚功能如下：

IN7～IN0：模拟量输入通道。

ADDA、ADDB和ADDC：8路模拟通道地址选通输入端，地址状态与通道的对应关系见表5.6。

ALE：地址锁存允许信号。在ALE信号的上升沿将通道地址锁存至地址锁存器。

START：启动A／D转换控制信号。在START信号的上升沿，所有内部寄存器清零；在START下降沿时，开始进行A／D转换；在A／D转换期间，START保持低电平。

图5.20　ADC0809芯片引脚图

表5.6　ADC0809通道选择

D7～D0：数据输出线。三态缓冲输出形式，与单片机的数据线可以直接相连。

OE：输出允许信号。控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝0，输出数据线呈高阻态；OE＝1，输出转换得到的数据。

CLOCK：时钟信号。ADC0809内部没有时钟电路，需要外接时钟信号，通常使用频率为500kHz的时钟信号。

EOC：转换结束状态信号。EOC＝0，正在进行转换；EOC＝1，转换结束。EOC信号可作为查询的状态标志，也可作为中断请求信号使用。

VCC：＋5V电源。

GND：地。

REF＋、REF－：参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其典型值为REF＋＝＋5V，REF－＝0V。

2.ADC0809的接口电路与仿真设计

例5－2　由ADC0809和AT89C51组成的电压表，量程0～5V，模拟电压信号通过改变可变电阻的阻值来改变，从IN3通道输入，经ADC0809转换后传送至AT89C51，AT89C51控制3位共阴极数码管显示实时电压值。

（1）电路设计。

图5.21　电压表仿真电路

仿真电路如图5.21所示。ADC0809的地址译码引脚ADDA、ADDB和ADDC分别与单片机P1.4、P1.5和P1.6相连，启动信号START和地址锁存允许信号ALE同接在单片机P1.1，将ALE与START相连，执行写操作时启动ADC0809，将时钟信号CLR由定时器T0定时获得，与单片机P1.3连接，转换结束状态信号EOC与单片机P1.1连接，输出允许信号OE与单片机P1.0连接，执行读操作时将A／D转换将结果从P3口读入单片机。

（2）程序设计。

启动转换后，ADC0809采样通道3输入的模拟量并转换，单片机采用查询方式，读取EOC的状态，若EOC＝1，置OE＝1，则读入数字量电压值，将其转换为十进制形式在数码管上显示。

程序如下：

利用Keil集成开发环境编辑编译源程序，生成同名的Hex后缀的目标文件。

（3）仿真运行。

在Proteus ISIS中绘制如图5.21所示的电压表仿真。将生成的目标代码文件加载到图中单片机的“Program File”属性栏中，并设置时钟频率为12MHz。

单击“仿真”按钮，启动仿真。可看到电压实时显示值，如图5.22所示。若要调整输入，可用鼠标单击可变电阻的阻值按钮。

图5.22　ADC0809与单片机接口电路