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

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(hào)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(shí)間是A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用中一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，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(shí)間指標(biāo)前提下，使用串行或是并行A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，轉(zhuǎn)換時(shí)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(jī)的接口電路，分析在一次轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)換時(shí)間上的差異。

2 ADS744的接口電路和轉(zhuǎn)換時(shí)間
2.1 ADS774及與單片機(jī)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(diǎn)，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(hào)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(shí)，20～27引腳輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位，Ao=“l(fā)”時(shí)，輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果的低4位。啟動(dòng)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(biāo)志，轉(zhuǎn)換進(jìn)行過程中，28引腳為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，28引腳變?yōu)榈碗娖?。圖2為ADS774啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的工作時(shí)序。結(jié)合圖l的接口電路和圖2的工作時(shí)序可知，轉(zhuǎn)換工作過程如下：

(1)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，即AT89C51對(duì)ADS774執(zhí)行一次寫操作，地址信號(hào)中應(yīng)使CS=“0”，Ao=“0”，R/C=“0”。
(2)單片機(jī)通過P2.4引腳查詢STS信號(hào)，當(dāng)STS為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換即告結(jié)束。
(3)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，即單片機(jī)對(duì)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(shí)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(shí)應(yīng)使Ao=“1”，R/C=“1”。
2.2 轉(zhuǎn)換時(shí)間分析
根據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間如下所示(單片機(jī)使用12 MHz外接晶振):

由此可見，完成一次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)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(zhǔn)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(shí)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(dòng)信號(hào)輸入端，CS/SHDN(5引腳)為片選信號(hào)輸入，低電平有效，高電平時(shí)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(shí)鐘輸入端。

由于AT89C51單片機(jī)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(shí)鐘輸入端(DCLOCK)。圖4為ADS7822啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的工作時(shí)序圖。

圖4中tCYC為采樣周期(75 kHz)，tCONVE為轉(zhuǎn)換時(shí)間(12個(gè)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(duì)ADS7822啟動(dòng)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(shí)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(dòng)到讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，約需要100個(gè)機(jī)器周期以上，如果單片機(jī)使用12 MHz的外部晶振，則一次轉(zhuǎn)換的時(shí)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(diǎn)，但在需要軟件虛擬串行通信協(xié)議的情況下，轉(zhuǎn)換時(shí)間與同樣分辨率的并行A/D相比要遜色的多。如果要實(shí)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(jī)。