基于A(yíng)/D芯片AD1674設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集電路

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在測(cè)量與控制中的應(yīng)用日益廣泛。為了使外部世界的模擬信號(hào)與計(jì)算機(jī)接口，需要進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換一般通過(guò)A/D芯片來(lái)完成。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種A/D芯片，且各種A/D芯片具有不同的控制方式和應(yīng)用條件。對(duì)于高速數(shù)據(jù)采集，最大采樣頻率取決于A(yíng)/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間以及數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。提高最大采樣頻率可通過(guò)縮短A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間或提高數(shù)據(jù)的傳輸速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果與PC機(jī)接口，數(shù)據(jù)的傳輸速度決定于PC機(jī)的主頻以及數(shù)據(jù)的傳輸方式，常用的有查詢(xún)和中斷方式，若采用DMA傳輸方式則可進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。本文選取AD1674芯片，設(shè)計(jì)具有查詢(xún)、中斷和DMA三種數(shù)據(jù)傳輸方式的數(shù)據(jù)采集電路。該電路既可以采用定時(shí)器定時(shí)，通過(guò)8253定時(shí)器的控制設(shè)煊可變的采樣變（步進(jìn)間隔為1μs），獲得高準(zhǔn)確的采樣間隔；也可以采用軟件定時(shí)，通過(guò)端口寫(xiě)啟動(dòng)A/D來(lái)實(shí)現(xiàn)。在時(shí)序方面，該電路解決了A/D控制信號(hào)與計(jì)算機(jī)時(shí)序匹配問(wèn)題，可能與高檔PC機(jī)進(jìn)行接口。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 AD1674接口電路

　　文獻(xiàn)[1]詳細(xì)介紹了AD1674芯片的性能和控制信號(hào)的時(shí)序。在完全受控方式下，最好是用邏輯控制信號(hào)CE啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀或A/D轉(zhuǎn)換；在CE有效時(shí)，片選信號(hào)CS應(yīng)有效，并且控制信號(hào)R/C和A0已確定，只有滿(mǎn)足這種時(shí)序，AD1674才能正常工作。

　　1.2 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的讀時(shí)序

　　對(duì)A/D接口電路而言，只有PC機(jī)的時(shí)序與AD1674的要求時(shí)序匹配才能保證電路的正常工作。該電路的A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的讀時(shí)序如圖1所示。

　　A在/D轉(zhuǎn)換時(shí)，8253的定時(shí)脈沖或端口寫(xiě)脈沖QD經(jīng)過(guò)延時(shí)和調(diào)節(jié)定時(shí)寬度后，使A/D的使能控制CE開(kāi)始啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。同時(shí)QD寬度為1μs的低電平脈沖（在端口寫(xiě)啟動(dòng)方式下，1μs的低脈沖是由端口寫(xiě)脈沖經(jīng)調(diào)節(jié)定時(shí)寬度后獲得）使R/C的轉(zhuǎn)換有效，A0及片選CS可在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換前設(shè)置為有效。當(dāng)讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)時(shí)，端口讀信號(hào)或 DMA讀信號(hào)D直接使A/CD的使能控制CE啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀，此時(shí)R/C=1，R/C的讀有效，開(kāi)始12位數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)A0=0時(shí)，讀取高八位數(shù)據(jù)；當(dāng)A0 =1時(shí)，讀取數(shù)據(jù)低四位，讀完后A0=0，準(zhǔn)備下一次A/D轉(zhuǎn)換?？梢?jiàn)該時(shí)序既能與PC機(jī)接口，又能使AD1674正常工作。

　　1.3 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀取的實(shí)現(xiàn)電路

　　本電路的AD1674工作在完全受控方式。A/D轉(zhuǎn)換為12位，而轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)分兩次讀取，即先讀數(shù)據(jù)的高八位，后讀數(shù)據(jù)的低四位。

　　1.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)方式

　　A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)方式有兩種：8253定時(shí)器硬件啟動(dòng)和寫(xiě)端口軟件啟動(dòng)。

　　8253 定時(shí)器啟動(dòng)方式應(yīng)用于對(duì)數(shù)據(jù)采集的時(shí)隔要求準(zhǔn)確的場(chǎng)合，該方式是利用8253的定時(shí)脈沖啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)8253數(shù)據(jù)總線(xiàn)緩沖器（端口地址為 &0X23F）輸出鑒別通道的計(jì)數(shù)初值，通過(guò)向6位鎖存器74LS174（端口地址為&0X23B）寫(xiě)入控制字設(shè)定8253的控制字以及 A/D片選控制位。6位鎖存器數(shù)據(jù)位定義說(shuō)明如下：

　　A1A0=00:&0X23D口輸出的數(shù)據(jù)為計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)值。

　　A1A0=01:&0X23F口輸出的數(shù)據(jù)為計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值。

　　A1A0=10:&0X23F口輸出的數(shù)據(jù)為計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值。

　　A1A0=11:&0X23F口輸出的數(shù)據(jù)為計(jì)數(shù)器8253的方式字。

　　G0&G1=1:起動(dòng)計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1；G0&G=0：禁止計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1。

　　CS=1:選中A/D芯片CS=0；不選中A/D芯片。

　　具體的實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。首先將8253定時(shí)通道0與通道1串聯(lián)起來(lái)定時(shí)，通道0的時(shí)鐘輸入CLK0的頻率是2MHz，工作在方式3（方波比率發(fā)生器）下，通道0的輸出OUT0為頻率1MHz的方波，作為通道1的輸入時(shí)鐘CLK1。通道1設(shè)定為方式2，即通道1的輸出OUT1從輸出開(kāi)始一直維持高電平，計(jì)數(shù)回零后，輸出為低電平并自動(dòng)重新裝入原計(jì)數(shù)值，低電平維持一個(gè)時(shí)鐘周期后，輸出恢復(fù)高電平并重新作減法計(jì)數(shù)。輸出OUT1分為兩路信號(hào)，一路通過(guò)與門(mén) U18A輸出，作為AD1674的R/C控制信號(hào)；另一路經(jīng)過(guò)單穩(wěn)觸發(fā)器U24延時(shí)和調(diào)節(jié)定時(shí)寬度后，再通過(guò)或門(mén)U15C輸出作為AD1674的CE控制信號(hào)。當(dāng)OUT1輸出寬度為1μs的低電平脈沖時(shí)，一方面使控制信號(hào)R/C的轉(zhuǎn)換有效，同時(shí)經(jīng)延時(shí)和調(diào)節(jié)定時(shí)寬度后，使A/D的使能控制CE開(kāi)始啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。因此在裝入計(jì)數(shù)初值以后，只要設(shè)置6位鎖存器U8的控制字，就可利用8253定時(shí)器啟動(dòng)A/D。

　　寫(xiě)啟動(dòng)A/D方式應(yīng)用于軟件定時(shí)，即通過(guò)對(duì)端口（地址為&0X23D）寫(xiě)來(lái)觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。如圖2所示，端口寫(xiě)信號(hào)一方面經(jīng)過(guò)單穩(wěn)觸發(fā)器U6A調(diào)節(jié)定時(shí)寬度（寬度為1μs）后，作為AD1674的R/C控制信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)另一單穩(wěn)觸發(fā)器U24延時(shí)和調(diào)節(jié)定時(shí)寬度后，再通過(guò)或門(mén)U15C輸出作為AD1674的CE控制信號(hào)。

　　可見(jiàn)兩種啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程相似。相比較而言，前者的采樣間隔是由8253定時(shí)脈沖的周期決定的，屬于可編程定時(shí)器方式定時(shí)，共特點(diǎn)是采樣間隔準(zhǔn)確；后者則由相鄰兩次寫(xiě)端口（地址為&0X23D）的時(shí)間差決定采樣間隔，為軟件定時(shí)方式，特點(diǎn)是靈活方便。