串行及并行AD轉(zhuǎn)換器在高速數(shù)據(jù)采集中的采樣差別性分析

摘要：串行和并行接口模式是A/D轉(zhuǎn)換器諸多分類中的一種，但卻是應(yīng)用中器件選擇的一個重要指標。在同樣的轉(zhuǎn)換分辨率及轉(zhuǎn)換速度的前提下，不同的接口方式不但影響了電路結(jié)構(gòu)，更重要的是將在高速數(shù)據(jù)采集的過程中對采樣周期產(chǎn)生較大影響。本文通過12位串行ADCADS7822和并行ADCADS774與AT89C51的接口電路，給出二者采樣時間的差異性。關(guān)鍵詞：A/D轉(zhuǎn)換；采樣；轉(zhuǎn)換時間；串行接口；并行接口1引言A/D轉(zhuǎn)換器是一種數(shù)據(jù)采集中常用的模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換元件，按轉(zhuǎn)換原理可以分為逐次逼近型、雙積分型等；按接口方式可分為串行和并行接口類型；按分辨率又可分為8、12、14、16、18等多種類型。轉(zhuǎn)換時間是A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用中一項重要的性能指標，在高速數(shù)據(jù)采樣中更是十分的重要，但在同樣的轉(zhuǎn)換時間指標前提下，使用串行或是并行A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，轉(zhuǎn)換時間上的差異往往被忽略。以下以美國TI公司的ADS7822和ADS774為例，通過二者與AT89C51單片機的接口電路，分析在一次轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)換時間上的差異。2ADS744的接口電路和轉(zhuǎn)換時間2.1ADS774及與單片機的接口ADS774是12位逐次逼近型并行A/D轉(zhuǎn)換器，它具有轉(zhuǎn)換精度高、轉(zhuǎn)換速度快(最高8.5陰)等特點，但接口電路較為繁瑣。圖1為ADS774與AT89C51的典型接口電路。圖1中，ADS774采用0V?10V單極性信號輸入模式，9引腳接地，轉(zhuǎn)換結(jié)果被設(shè)置為8位方式，12位轉(zhuǎn)換結(jié)果分兩次輸出并受4引腳(Ao)控制，Ao=“0”時，20?27引腳輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位,Ao=T時，輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果的低4位。啟動轉(zhuǎn)換及讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果由3、4、5、6腳控制，28引腳(STS)為轉(zhuǎn)換結(jié)束標志，轉(zhuǎn)換進行過程中，28引腳為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，28引腳變?yōu)榈碗娖?。圖2為ADS774啟動轉(zhuǎn)換和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的工作時序。結(jié)合圖l的接口電路和圖2的工作時序可知，轉(zhuǎn)換工作過程如下：AT89C51P07P06P05P04P03P02PQ1P00ALE/PP20P21P22P23F24P25P26P27T1TOPSEN343730A7A7A6:tA〈〈l個A6AT89C51P07P06P05P04P03P02PQ1P00ALE/PP20P21P22P23F24P25P26P27T1TOPSEN343730A7A7A6:tA〈〈l個A6A4A2CPDi帚— LEFREE麗26「一2?「28一1514 -山 謹——811D7Q?D6Q6D5Q5D4Q4D3Q3D2Q2D1Q1DOQ019CSLECE74LS37374LS0019\A618\A517\A416\CS3\A14<RTC5STS28BPOFFiconDBllDB10DB9DB8DB7DBGADS774圖1ADS774與AT89C51的接口電路jrCECECScsR/C7V25ps高阻啟動和轉(zhuǎn)換圖2ADS774的工作時序讀取數(shù)據(jù)T>200nsDB11-DB0<400ns->300jrCECECScsR/C7V25ps高阻啟動和轉(zhuǎn)換圖2ADS774的工作時序讀取數(shù)據(jù)T>200nsDB11-DB0<400ns->300ns—>200ns>300ns>200ns*-*Ao <>DB11-DB0<300ns>300ns>200ns（1）啟動A/D轉(zhuǎn)換，即AT89C51對ADS774執(zhí)行一次寫操作，地址信號中應(yīng)使CS=“0”，Ao=“0”，R/C=“0”。⑵單片機通過P2.4引腳查詢STS信號，當STS為低電平時，轉(zhuǎn)換即告結(jié)束。（3）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，即單片機對ADS774執(zhí)行兩次讀操作：第一次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位，這時應(yīng)使A0=“0”，R/C=“l(fā)”，第二次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的低4位，這時應(yīng)使Ao=T”，R/C=T”。2.2轉(zhuǎn)換時間分析根據(jù)轉(zhuǎn)換時序和轉(zhuǎn)換過程分析,結(jié)合圖1的接口電路，轉(zhuǎn)換程序及轉(zhuǎn)換時間如下所示（單片機使用12MHz外接晶振）:MOVRO,#OOH口地址送R0（l眩）MOVRl,#30H；存放轉(zhuǎn)換結(jié)果高8位單元地址送R1(1M)MOVX@R0,A；啟動A/D轉(zhuǎn)換（2|is）JBP2.4,$；查詢轉(zhuǎn)換是否完成（一次轉(zhuǎn)換時間8眩~12pis)MOVRO,#01H［改A/D口地址（1|xs）MOVXA,@RO；讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位（2戶）MOV@R1,A；保存轅換結(jié)果（2円）MOVRO,#O3H；改A/D口地址（1|xs）MOVXAf@R0；讀取轉(zhuǎn)換姑果的低4位（2戶）INCR1;(1N)MOV@R1,A；保存轉(zhuǎn)換皓果（2購｝由此可見，完成一次A/D轉(zhuǎn)換的時間為23陰?27陰，采用并行A/D轉(zhuǎn)換器可最大限度發(fā)揮高速A/D的速度性能，在高速數(shù)據(jù)采樣的過程中，為保證A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的準確性，即使采用多次采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果均值濾波的方法，仍可以保證轉(zhuǎn)換的高速度。

3ADS7822的接口電路和轉(zhuǎn)換時間ADS7822是12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，它的采樣頻率最高為75kHz,采用串行外圍接口（SPI）方式與微處理器接口oADS7822與AT89C51的典型接口電路如圖3所示，圖中VREF（1弓I腳）為參考電壓輸入引腳，IN+、IN-為差動信號輸入端，CS/SHDN（5引腳）為片選信號輸入，低電平有效，高電平時為關(guān)閉模式，D0UT（6引腳）為串行數(shù)據(jù)輸出端，DCL0CK（7引腳）為同步時鐘輸入端。P11P12P13P1468圖3ADS7822與AT89C51的接口電路P15P11P12P13P1468圖3ADS7822與AT89C51的接口電路P15P16P17123VrefVccIN-DCLOCKIN*DonCNDCS/SHDNADS7322￥CC￡T72654AT89C52P10由于AT89C51單片機沒有SPI接口，因此使用P12、P13虛擬SPI接口的串行數(shù)據(jù)輸出端（DOUT）和同步時鐘輸入端（DCLOCK）。圖4為ADS7822啟動轉(zhuǎn)換和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的工作時序圖。UrcCS/SHDN 卄dclocknnjuuiJuiKnjwuinruZsucsDoutt€SDHi-zCS/SHDN 卄dclocknnjuuiJuiKnjwuinruZsucsDoutt€SDHi-ztSKFL(MSB)B?|BS[b7][b?1b4fB3] ?”Power

IDowninJUULTirLTBl1HI_黜麗叭麗I昭圖4ADS7822的工作時序圖4中tCYC為采樣周期（75kHz），tCONVE為轉(zhuǎn)換時間（12個CLK周期），如果一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，CS仍保持為低電平，ADS7822將繼續(xù)輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果，但再次的輸出將是低位在前，因此在讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果后，應(yīng)將CS變?yōu)楦唠娖?，使ADS7822處于掉電狀態(tài)。以下是采用軟件虛擬方式，對ADS7822啟動轉(zhuǎn)換和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的程序，CLK和DAT為使用AT89C51的P1.2和P1.3虛擬的串行時鐘線和數(shù)據(jù)線。ADS7822：CLRCLKNOPCLRCS；啟動A/D轉(zhuǎn)換NOPNOPCLRCLKSETBCLKCLRCLKSETBCLK”CLRCLKSETBCLK；三個CLK周期后，開姥讀入數(shù)據(jù)MOVR7（#O8H；首先讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的離8位（以上約12個機器周期）N-BIT1:CLRCLKNOPMOVC.DAT；讀取1位數(shù)據(jù)RLCASETBCLKNOPDJNZR7tN-BITIMOVR1,A；轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位存于R1（以上約64個機器周期）MOVR7t#O4HN-BIT2：CLRCLKNOPMOVA,DATRLCASETBCLKNOPDJNZR7,N-BIT2MOVH2,A；轉(zhuǎn)換結(jié)果的低4位存于R2（以上約32個機器周期）RET從以上轉(zhuǎn)換程序中可以看出，一次轉(zhuǎn)換，從啟動到讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，約需要100個機器周期以上，如果單