12位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器的研究與應(yīng)用

牛國鋒，常晉義，王啟元

（常熟理工學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟215500）

隨著數(shù)字電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種數(shù)字設(shè)備，特別是各類MCU電子產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)滲透到人們生活的各個領(lǐng)域之中。各種微控制器在應(yīng)用于生活和生產(chǎn)的過程中，往往需要進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換，處理模擬信號和數(shù)字信號，而且所要處理的變量往往是連續(xù)變化的物理量，如溫度、電壓、速度等，這些非電子信號的模擬量要經(jīng)過傳感器變成電壓或者電流信號，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行處理后直觀地顯示給人們。因此，模/數(shù)轉(zhuǎn)換的過程是人們獲取有效信息的一個重要環(huán)節(jié)。

模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程被稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換[1]，簡稱A/D（Analog to Digital）轉(zhuǎn)換；完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路被稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC（Analog to Digital Converter）。模擬信號由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大器放大送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由數(shù)字電路進(jìn)行處理。對模數(shù)轉(zhuǎn)換過程的研究有助于更好地掌握這一技術(shù)，并將其應(yīng)用到更為廣泛的生活和生產(chǎn)領(lǐng)域中去。

1 AD1674概述及性能介紹

AD1674[2]是美國ADI公司推出的一種完整的12位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換單片集成電路芯片。該芯片帶有內(nèi)部采樣保持的完全12位逐次逼近寄存器（SAR），采樣頻率為100 kHz；最大轉(zhuǎn)換時間為10μs，具有+1/2 LSB的積分非線性（INL）以及12位無漏碼的差分非線性（DNL），功耗較低，僅為385 mW；內(nèi)部自帶采樣保持放大器（SHA）、10 V基準(zhǔn)電壓源、時鐘源以及可與微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器，輸出可與8 bit或12 bit微處理器接口連接。

與原有的系列相比，AD1674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，集成度更高，應(yīng)用電路變得簡單，工作性能更可靠，尤其是高低溫的穩(wěn)定性表現(xiàn)最佳，而且可以使設(shè)計板面積大大減小，因而可降低成本并提高系統(tǒng)的可靠性，非常適用于通信、圖像處理和醫(yī)療等高新技術(shù)設(shè)備的電路設(shè)計。本文在對某新型國產(chǎn)機(jī)載武器系統(tǒng)的研究中采用了AD1674，它可實時地采集溫敏傳感器的模擬參數(shù)，以進(jìn)行快速精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并傳給MCU進(jìn)行處理，從而有效地對實時溫度進(jìn)行檢測。

2 逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器[3]主要由A/D電壓比較器、逐次逼近寄存器SAR和轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADCR構(gòu)成。

首先，A/D電壓比較器將從數(shù)組的電壓檔位產(chǎn)生的比較電壓與模擬輸入引腳電壓進(jìn)行比較，得到數(shù)字邏輯部分能夠識別的數(shù)字信號1或者0（1為高電壓，0為低電壓），通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從最高有效位（MSB）開始，順序地將每一位的輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出相應(yīng)的數(shù)字值序列。其優(yōu)點是速度較快，功耗低，在低分辯率（<10位）時價格相對便宜。

逐次逼近寄存器SAR為12 bit寄存器，用于設(shè)置檔位電壓數(shù)據(jù)，將數(shù)組的檔位電壓值與模擬輸入引腳的電壓值作比較，從最高有效位（MSB）開始，每次移1位。如果數(shù)據(jù)在SAR中始終設(shè)置成最低有效位（LSB）（A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束），那么SAR寄存器的內(nèi)容（也就是轉(zhuǎn)換結(jié)果）將會被保存到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADCR中。當(dāng)所有指定的A/D轉(zhuǎn)換操作都結(jié)束時，將產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請求信號。轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器是一個在選擇模式存儲A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的16 bit寄存器，低6位固定為0。每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，將從逐次逼近寄存器中加載轉(zhuǎn)換結(jié)果，由16 bit存儲器處理指令讀取ADCR，產(chǎn)生的復(fù)位信號將該寄存器清除為0，完成A/D轉(zhuǎn)換。最后SAR中的數(shù)字量就是所求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

3 A/D轉(zhuǎn)換器的兩種操作模式

A/D1674轉(zhuǎn)換器的工作模式可分為選擇模式和掃描模式兩種，在這兩種模式下，它的工作時序不同。選擇模式主要用于具有專門輸入端的系統(tǒng)，因而不需要有全總線的接口能力，而采用掃描工作模式則有利于與MCU進(jìn)行總線連接。

3.1 選擇模式

當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器模式寄存器（ADM）的ADMD位為0時，模擬輸入通道指定寄存器（ADS）指定一個模擬輸入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換完成時，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（ADCR）中，并產(chǎn)生ADCR轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請求信號（INTAD），接著進(jìn)行下一個模擬輸入，連續(xù)重復(fù)A/D轉(zhuǎn)換，除非將ADCS位置為0。如果在轉(zhuǎn)換期間將數(shù)據(jù)寫入ADM或ADS，則終止A/D轉(zhuǎn)換。這種情況下，再次從頭開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，操作時序圖如圖1所示。

圖1 選擇模式操作時序圖

3.2 掃描模式

當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器模式寄存器（ADM）的ADMD位為1時，由模擬輸入通道指定寄存器（ADS）指定的掃描0～3的4個模擬輸入通道按次序連續(xù)執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，從掃描0指定的模擬輸入通道開始。一個模擬輸入的A/D轉(zhuǎn)換完成時，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（ADCR）中，并產(chǎn)生ADCR轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請求信號（INTAD）。所有模擬輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果都存儲在ADCR中。因此，在每路模擬輸入通道轉(zhuǎn)換完成后，立即把ADCR中的內(nèi)容保存到RAM中。一次A/D轉(zhuǎn)換完成后，連續(xù)重復(fù)地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，除非將ADCS位置為0。如果在轉(zhuǎn)換期間將數(shù)據(jù)寫入ADM或ADS，則終止A/D轉(zhuǎn)換。這種情況下，從掃描0的模擬輸入通道重新開始A/D轉(zhuǎn)換，操作時序圖如圖2所示。

圖2 掃描模式操作時序圖

4 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果實現(xiàn)

在C語言編程實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的過程中，轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過公式進(jìn)行計算，式（1）、（2）、（3）給出了輸入至模擬輸入引腳ANI0～ANI11和PGAI的模擬輸入電壓與理論上的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的計算公式，其中INT（）表示結(jié)果返回原括號內(nèi)值的整數(shù)部分，VAIN表示模擬輸入電壓，AVREF表示引腳電壓，ADCR表示A/D轉(zhuǎn)換寄存器的值，SAR表示逐次逼近寄存器。模擬輸入電壓值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的關(guān)系圖如圖3所示。

5 應(yīng)用實例

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器被廣泛地應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中，特別是高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，瑞薩78K0R系列微控制器[4]上就采用AD1674轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實時溫度的采集和轉(zhuǎn)換。圖4是應(yīng)用于瑞薩MCU中進(jìn)行溫度采集和模/數(shù)轉(zhuǎn)換的框圖。

圖3 模擬輸入電壓與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的關(guān)系圖

圖4 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖

ANI0～ANI11引腳為12通道A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入引腳[5]，模擬信號通過選擇器選擇一個或多個通道輸入，經(jīng)采樣保持電路采集每個從輸入電路連續(xù)發(fā)出的模擬輸入電壓，并發(fā)送采樣數(shù)據(jù)到A/D電壓比較器，A/D電壓比較器將從數(shù)組的電壓檔位產(chǎn)生的比較電壓與模擬輸入引腳電壓進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)模擬輸入電壓大于參考電壓 （1/2 AVREF），則將會設(shè)置逐次逼近寄存器（SAR）的最高有效位（MSB）；如果模擬輸入電壓小于參考電壓（1/2 AVREF），那么逐次逼近寄存器（SAR）的最高有效位（MSB）復(fù)位。接著自動設(shè)置SAR寄存器的位10，并啟動下一次比較。由位11的值來選擇數(shù)組的電壓檔位，其結(jié)果已經(jīng)設(shè)定如下：

位11=0：（1/4AVREF）

位11=1：（3/4AVREF）

將數(shù)組的檔位電壓與模擬輸入電壓進(jìn)行比較，而SAR寄存器的位10則根據(jù)比較結(jié)果來執(zhí)行操作：

模擬輸入電壓≥數(shù)組檔位電壓：位10=1

模擬輸入電壓≤數(shù)組檔位電壓：位10=0

這樣的比較會持續(xù)至SAR寄存器的位0。

每次A/D轉(zhuǎn)換完成，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果將從逐次逼近寄存器加載到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，ADCR寄存器將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果在高位逐次保存，最后SAR中的數(shù)字量就是所求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

本文主要針對目前市場上單片機(jī)及其ADC在電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，給出了一種實用的逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1674，著重介紹了該芯片的性能特點、工作模式時序以及在瑞薩微處理器系統(tǒng)中的應(yīng)用。瑞薩嵌入式MCU具有性能可靠、靈活方便、簡潔實用、節(jié)能等優(yōu)勢，再將高性能的A/D轉(zhuǎn)換器與其結(jié)合使用，可降低成本并提高系統(tǒng)的可靠性，因此具有很大的實用價值。

[1]徐江濤，姚素英，李樹榮，等.高分辨率流水線A/D轉(zhuǎn)換器采樣電容優(yōu)化研究[J].微電子學(xué)，2004（4）：435-438.

[2]郁春蘭.A/D1674的特點及其與PC機(jī)接口的應(yīng)用研究[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2002（1）：74-77.

[3]孫彤，李冬梅.逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器綜述[J].微電子學(xué)，2007（4）：523-531.

[4]瑞薩科技公司.瑞薩16位R8C/TINY系列MCU[J].世界電子元器件，2005（4）：91-94.

[5]李言武.多通道A/D轉(zhuǎn)換控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子科技，2011（8）：75-77.