摘  要： 介紹了12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1674的結(jié)構(gòu),，著重分析了它的轉(zhuǎn)換原理及工作模式以及在瑞薩微控制器系統(tǒng)中的應(yīng)用,。
關(guān)鍵詞： 逐次逼近；A/D轉(zhuǎn)換器,；微控制器

　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(lèi)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(gè)領(lǐng)域之中,。各種微控制器在應(yīng)用于生活和生產(chǎn)的過(guò)程中，往往需要進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換,，處理模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),，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(hào)的模擬量要經(jīng)過(guò)傳感器變成電壓或者電流信號(hào),，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,，然后經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后直觀(guān)地顯示給人們。因此,，模/數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程是人們獲取有效信息的一個(gè)重要環(huán)節(jié),。
　模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程被稱(chēng)為模/數(shù)轉(zhuǎn)換[1]，簡(jiǎn)稱(chēng)A/D（Analog to Digital）轉(zhuǎn)換,；完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路被稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器,，簡(jiǎn)稱(chēng)ADC（Analog to Digital Converter）。模擬信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),，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(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)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(guó)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(shí)間為10 μs，具有+1/2 LSB的積分非線(xiàn)性（INL）以及12位無(wú)漏碼的差分非線(xiàn)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(shí)鐘源以及可與微處理器總線(xiàn)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(jiǎn)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(jì)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(jì),。本文在對(duì)某新型國(guó)產(chǎn)機(jī)載武器系統(tǒng)的研究中采用了AD1674，它可實(shí)時(shí)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(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行檢測(cè),。
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(shí)別的數(shù)字信號(hào)1或者0（1為高電壓,，0為低電壓）,，通過(guò)逐次比較邏輯構(gòu)成，從最高有效位（MSB）開(kāi)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(diǎn)是速度較快,，功耗低,，在低分辯率（<10位）時(shí)價(jià)格相對(duì)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(kāi)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(huì)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(shí),，將產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷請(qǐng)求信號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器是一個(gè)在選擇模式存儲(chǔ)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(chǔ)器處理指令讀取ADCR,，產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)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(shí)序不同,。選擇模式主要用于具有專(zhuān)門(mén)輸入端的系統(tǒng)，因而不需要有全總線(xiàn)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(xiàn)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(shí)，模擬輸入通道指定寄存器（ADS）指定一個(gè)模擬輸入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,。A/D轉(zhuǎn)換完成時(shí),，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在A(yíng)/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(qǐng)求信號(hào)（INTAD），接著進(jìn)行下一個(gè)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(xiě)入ADM或ADS,，則終止A/D轉(zhuǎn)換,。這種情況下，再次從頭開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,，操作時(shí)序圖如圖1所示。

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(shí),，由模擬輸入通道指定寄存器（ADS）指定的掃描0~3的4個(gè)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(kāi)始。一個(gè)模擬輸入的A/D轉(zhuǎn)換完成時(shí),，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在A(yíng)/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(qǐng)求信號(hào)（INTAD）。所有模擬輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果都存儲(chǔ)在A(yíng)DCR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(xiě)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(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換,，操作時(shí)序圖如圖2所示。

5 應(yīng)用實(shí)例
　A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)電子產(chǎn)品中,，特別是高速實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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,。

　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(hào)通過(guò)選擇器選擇一個(gè)或多個(gè)通道輸入，經(jīng)采樣保持電路采集每個(gè)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(huì)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(dòng)設(shè)置SAR寄存器的位10,，并啟動(dòng)下一次比較,。由位11的值來(lái)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(lái)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(huì)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(duì)目前市場(chǎng)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(shí)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(diǎn)、工作模式時(shí)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(jiǎn)潔實(shí)用,、節(jié)能等優(yōu)勢(shì),，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(shí)用價(jià)值,。
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