1、电气测试技术 电气测试技术（第电气测试技术（第4版）版）万频 林德杰 李学聪电气测试技术 5.8 A/D转换原理、器件及应用5.8.1 双积分式A/D转换原理、器件及应用5.8.2 逐位逼近式A/D转换原理、器件及应用5.8.3 U/F转换原理及常用器件5.8.4 A/D转换器的一般选择原则电气测试技术 5.8.1 双积分式A/D转换原理、器件及应用 微机或数字仪表输出的数字量必须转换成模拟量输出，才能送给模拟执行机构去实现控制。完成模拟量到数字量的转换器件称为模数转换器，简称A/D转换器。根据转换原理，A/D转换可分为两大类：直接变换型和间接变换型。直接变换型将输入的模拟电压直接转换成数字代
2、码；间接变换型将输入模拟电压转换成中间变量（如，时间、频率、脉冲宽度等），然后，把中间变量转换成数字代码。电气测试技术 双各分式A/D转换采用间接转换技术，其原理框图见图5-42。其转换过程简述如下：1.首先，逻辑控制器发出t0脉冲，清零计数器和寄存器，同时断开S1S3和S4、S5闭合，积分电容放电至零电荷。2.逻辑控制器发出t1脉冲，S2S5断开，S1闭合，对被测电压UX进行积分。同时令计器开始对f0定时计算。积分器输出电压U0为：3.当计算器溢出时，积分时间为T1，T1为定值。此称为采样阶段，见图542。xTxoURCTdtURCU1011图5-42 双积分式A/D转换原理框图双积分式A/
3、D转换原理：电气测试技术 双积分式A/D转换原理：3.逻辑控制器发出t2脉冲令计数器和寄存器清零，S1和S3S5断开。积分器对基准电压UN积分。同时令计数器又开始计数。积分器输出电压为：当积分器输出过零时，逻辑控制器令计数器停止计数。此为测量阶段。此阶段时间T2为，见图5-42。由于积分器由零开始积分又回到零，因此 ，由式（5-32）和式（5-33）得：NTNoURCTdtURCTU20221)()()(21TUTUooNxURCTURCT21电气测试技术 双积分式A/D转换原理：设T1期间计数器计数值为N1；T2期间计数值N2；时钟脉冲频率为f0，则N1=T1f0，N2=T2f0，代入式（5
4、-34）得：由上式可见，N2正比于被测电压Ux在一个周期内的平值 。由上式可见，若采样时间 是交流干扰信号周期的整数倍，双积分A/D转换器对干扰信号具有无穷大的抗干扰能力。这是双积分式A/D的突出优点，其缺点是转换时间较长，一般大于40ms，不适用于被测信号频率较高的场合，而对于直流或缓变信号，得到广泛应用。xNUUNN12xU电气测试技术 双积分式A/D转换器件及应用 双积分式A/D转换芯片的品种很多。BCD码输出的常用芯片有：位有MC14433（CC14433、5G14433）；位有ICL7135（CH7135、TSC7135、5G7135）和CH295；位有CC7555等。二进制码输出的
5、常用芯片有ICL7109（12位）和ICL7104（16位）等。以上芯片能方便地与单片机接口组成智能化仪表。此外，还有许多带BCD-七段译码、驱动功能的芯片，其输出可直接驱动LED或LCD显示，简化了硬件电路，其中，位有ICL7106/7107/7136；位的有ICL7129等。这类芯片不便与微机接口，但是，与LED或LCD组成数字电压表却具有线路简单、工作可靠的突出优点。213214215213214电气测试技术 1.MC14433A/D转换器转换器 国产型号是5G14433，是广泛使用的最典型双积分A/D转换器。具有抗干扰能力强，精度高（相当于11位二进制数），自动校零，自动极性输出，自动
6、量程控制信号输出，动态字位扫描BCD码输出，单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。MC14433为24脚双列直插式，其引脚功能，见图5-43。图5-43 MC14433引脚功能电气测试技术 图5-44 MC14433 外部电路和典型连接图5-45 位数字电压表原理213图5-46 是MC14433与8031单片机的接口电路电气测试技术 2.MC7135A/D转换器转换器 国外产品有ICL7135、5G7135、AD7135、CH7136、TSC7135等，可以互换使用。是目前国内市场上广泛流行的单片集成 位双积分式A/D转换器。具有精度高（相当于14位二进制数），自动校零，自动极性输出，动态
7、字位扫描BCD码输出，单基准电压，自动量程控制信号输出，输入阻抗高，价格低廉等特点。因此得到广泛的应用。图5-47为5G7135的外引脚功能图。图5-47 5G7135引脚功能电气测试技术 图5-49 MC7135 外接时钟电路图5-48 MC7135 外部连接图5-50 4.5位数字电压表原理图图5-51 MC7153单片机与8031的接口电路电气测试技术 3.ICL7106A/D转换器转换器 ICL7106是美国哈里斯（Harris）公司生产的双积分式 位A/D转换器，其它公司生产的7106产品可以互换使用。7106内含 位A/D转换器、BCD-7段译码器、时钟电路、参考电压和LCD驱动电
8、路，因此可直接和液晶显示器相连。7106的量程为2.000V或200mV，可根据需要选择。7106是40脚双列直插式封装，其引脚功能见图5-52a。213213图5-52 ICL7106引脚功能及与LCD接法电气测试技术 4.ICL7107A/D转换器转换器 ICL7107也是双积分型 位A/D转换器，它具有A/D转换、BCD七段译码和驱动、锁存功能。它与ICL7106基本相同。不同之处如下：1）7106一般用单电源（+9V），7107一般用双电源（多为5V）。2）7106输出级为异或门结构，适合于驱动LCD显示器，7107输出级为大电流反相器，适合于驱动LED显示器。213电气测试技术 5.
9、8.2 逐位逼近式A/D转换原理、器件及应用5.8.2.1 逐位逼近式A/D转换原理 逐次逼近式A/D转换器是反馈一比较式转换器，采用零位测量方式，即用已知标准量逐步逼近被测量，最后二者之差趋向于零。其原理框图见图5-53。工作过程如下：1.在起动脉冲作用下，逻辑控制器发指令对寄存器和A/D转换器清零。2.紧接着对寄存器最高位Dn-1位置“1”，经D/A转换成模拟电压Ua。Ua与被测电压Ux比较，若Ux Ua比较器输出高电平，逻辑控制器输出保留Dn-1位的“1”；若 Ux Ua，则逻辑控制器输出使Dn-1位复查。电气测试技术 3.逻辑控制器输出令Dn-2位置“1”，让Dn-1和Dn-2位一起进
10、行D/A转换成。若 Ux Ua，逻辑控制器输出保留Dn-2位的“1”；若Dn-1=1，则Dn-1、Dn-2=11；若Dn-1已复零，则Dn-1、Dn-2=01。若 Ux Ua，则逻辑控制器输出使Dn-2位复零。若Dn-1=1，则Dn-1 Dn-2=10；若Dn-1=0，则Dn-1 Dn-2=00。4.逻辑控制器输出令Dn-3置位“1”，按上述方法比较，一直到D0位比较完毕，并决定是保留D0的“1”或复位D0位为止，一次转换完毕。比较完毕后，N位输出寄存器中的数字量即为UX 数字量，此时，UXUa，仍有微小的差值即为A/D转换器的分辨率。逐位比较型A/D转换器的比较过程是从最高位开始，逐位地向最
11、低位进行比较，直到最低位比较完毕。逐位比较型A/D转换器的优点是转换速度快，由于它是对瞬时值进行比较的，因此，其抗干扰能力较差。电气测试技术 5.8.2.2 逐位逼近A/D转换器件及应用 逐位逼近式A/D转换器的品种规格繁多，其中8位二进制数据输出的有：ADC0801ADC0809，ADC0816、ADC0817、ADC7574、ADC750等。10位以上二进制数据输出的有：AD7570、AD574、AD572、ADC1210/1211、AD578、AD679/1679等。电气测试技术 1.常用常用8位位ADC芯片的特性及应用芯片的特性及应用 ADC0801、ADC0802、ADC0803、A
12、DC0804和ADC0805有相同的内部结构和管脚排列以及封装。它们的差别仅在于精度不同。以ADC0801为例，其引脚排列见图5-54a。图5-54 ADC0801ADC0805引脚功能和与8031接口电路a)引脚功能 b)与8031接口电路电气测试技术 ADC0808和ADC0809 ADC0808和ADC0809的外部封装、引脚排列和功能、内部结构和工作原理均相同，除精度不同外，其它参数也相同。其引脚排列见图5-55。图5-55 ADC0808/0809的引脚功能电气测试技术 图5-56 ADC0809与8031组成数据采集系统原理电气测试技术 2.10位以上逐位逼近型位以上逐位逼近型AD
13、C芯片的特性及应用芯片的特性及应用 10位以上逐位逼近型ADC芯片的品种很多。下面以AD574系列为例介绍10位以上芯片的性能及与单片机的接口方法。图5-57 AD574系列ADC引脚功能电气测试技术 图5-58 AD574系列ADC典型接法电气测试技术 图5-59 AD574与8031接口电路电气测试技术 5.8.3 U/F转换原理及常用器件 U/F转换器是把电压转换为频率信号的器件。它具有精度高，线性度好，应用电路简单，对外围器件性能要求不严格，价格便宜，便于与微机接口等优点，因此应用广泛。U/F转换器的品种繁多，例如，ADVF32、AD537、AD458、AD651、AD654、LM13
14、1/231/331、VFC32/42/52/62、VFC100和VFC320等。电气测试技术 5.8.3.1 U/F转换原理 实现U/F转换的方法很多，在U/F转换集成芯片中，目前多数采用电荷平衡转换原理，见5-60。图a为原理框图；图b为输出波形。由图可见，它由积分器、零比较器、恒流源、单稳定时器和模拟开关组成。它可被看作是一个振荡频率f0 受被测电压Ui控制的振荡器。图5-60 U/F转换原理电气测试技术 5.8.3.2 U/F转换器件及其典型接法1.VFC32转换器的特性及其典型接法转换器的特性及其典型接法图5-61 VFC32的引脚功能图5-62 VFC32的典型接法电气测试技术 2.
15、LMX31系列系列U/F转换器及其典型接法转换器及其典型接法图5-63 LMX31 系列U/F转换器电气测试技术 3.AD650U/F转换器的特性及其典型接法转换器的特性及其典型接法图5-64 AD650的典型接法电气测试技术 5.8.3.3 U/F转换器与单片机的接口 U/F转换器与单片机之间直接连接和利用光耦合器隔离连接方法，见图5-65。图a为直接连接，比较简单。图b为采用光电隔离方法连接，适用电源干扰大、模拟部分容易产生电气干扰的场合。图5-65 U/F转换器与单处机常用接口方法电气测试技术 图5-66 VFC32与8031接口电器电气测试技术 5.8.4 A/D转换器的一般选择原则A/D转换器在选择时必须考虑以下几个指标：1.分辨率分辨率 指输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。2.转换精确度转换精确度 在转换过程中，任何数码所对应的实际模拟电压与理想模拟电压值之最大偏差与满刻度模拟电压之比的百分数，或以二制分数来表示相应的数字量。3.转换速率转换速率 指在单位时间内完成转换的次数。4.线性度线性度 是指A/D转换器实际的模拟电压与数字的转换关系与理想直线之间之差，或用非线性误差来表示。5.偏移误差偏移误差 是指输入电压为零时，输出数字量不为零之值。电气测试技术 Thank you！
