串行及并行A/D轉換器在高速數(shù)據(jù)采集中的采樣差別性分析
關鍵詞：A/D轉換；采樣；轉換時間；串行接口；并行接口
1 引言
A/D轉換器是一種數(shù)據(jù)采集中常用的模擬-數(shù)字信號轉換元件，按轉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。轉換時間是A/D轉換應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，但在同樣的轉換時間指標前提下，使用串行或是并行A/D轉換器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，轉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，分析在一次轉換過程中轉換時間上的差異。
2 ADS744的接口電路和轉換時間
2.1 ADS774及與單片機的接口
ADS774是12位逐次逼近型并行A/D轉換器，它具有轉換精度高、轉換速度快(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，轉換結果被設置為8位方式，12位轉換結果分兩次輸出并受4引腳(Ao)控制，Ao=“0”時，20～27引腳輸出12位轉換結果的高8位，Ao=“l(fā)”時，輸出12位轉換結果的低4位。啟動轉換及讀取轉換結果由3、4、5、6腳控制，28引腳(STS)為轉換結束標志，轉換進行過程中，28引腳為高電平，轉換結束時，28引腳變?yōu)榈碗娖?。圖2為ADS774啟動轉換和讀取轉換結果的工作時序。結合圖l的接口電路和圖2的工作時序可知，轉換工作過程如下：
(1)啟動A/D轉換，即AT89C51對ADS774執(zhí)行一次寫操作，地址信號中應使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，轉換即告結束。
(3)讀取轉換結果，即單片機對ADS774執(zhí)行兩次讀操作：第一次讀取轉換結果的高8位，這時應使A0=“0”，R/C=“l(fā)”，第二次讀取轉換結果的低4位，這時應使Ao=“1”，R/C=“1”。
2.2 轉換時間分析
根據(jù)轉換時序和轉換過程分析，結合圖1的接口電路，轉換程序及轉換時間如下所示(單片機使用12 MHz外接晶振):
由此可見，完成一次A/D轉換的時間為23μs～27μs，采用并行A/D轉換器可最大限度發(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轉換結果的準確性，即使采用多次采樣轉換結果均值濾波的方法，仍可以保證轉換的高速度。
3 ADS7822的接口電路和轉換時間
ADS7822是12位串行A/D轉換器，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啟動轉換和讀取轉換結果的工作時序圖。
圖4中tCYC為采樣周期(75 kHz)，tCONVE為轉換時間(12個CLK周期)，如果一次轉換結束后，CS仍保持為低電平，ADS7822將繼續(xù)輸出12位轉換結果，但再次的輸出將是低位在前，因此在讀出轉換結果后，應將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啟動轉換和讀取轉換結果的程序，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。
從以上轉換程序中可以看出，一次轉換，從啟動到讀取轉換結果，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，則一次轉換的時間應該在100μs以上。如果在轉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同樣的轉換速度，則需要選擇本身具有同類串口的單片機。
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