串行及并行A/D轉(zhuǎn)換器在高速數(shù)據(jù)采集中的采樣差別性分析
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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ADC ADS7822和并行ADC ADS774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。
2 ADS744的接口電路和轉(zhuǎn)換時間
2.1 ADS774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 μs)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~10 V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=“l”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:
(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”。
(2)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”,第二次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的低4位,這時應(yīng)使Ao=“1”,R/C=“1”。
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12 MHz外接晶振):
由此可見,完成一次A/D轉(zhuǎn)換的時間為23μs~27μs,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。
3 ADS7822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75 kHz,采用串行外圍接口(SPI)方式與微處理器接口。ADS7822與AT89C51的典型接口電路如圖3所示,圖中VREF(1引腳)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,DOUT(6引腳)為串行數(shù)據(jù)輸出端,DCLOCK(7引腳)為同步時鐘輸入端。
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。
圖4中tCYC為采樣周期(75 kHz),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。
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,如果單片機使用12 MHz的外部晶振,則一次轉(zhuǎn)換的時間應(yīng)該在100μs以上。如果在轉(zhuǎn)換過程中需要多次采樣均值濾波,則不滿足高速采樣的需要。
4 結(jié)束語
串行A/D雖然在使用中有接口電路簡單的優(yōu)點,但在需要軟件虛擬串行通信協(xié)議的情況下,轉(zhuǎn)換時間與同樣分辨率的并行A/D相比要遜色的多。如果要實現(xiàn)與并行A/D同樣的轉(zhuǎn)換速度,則需要選擇本身具有同類串口的單片機。