串行及并行A/D转换器在高速数据采集中的采样差别性分析

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摘要：串行和并行接口模式是A/D转换器诸多分类中的一种，但却是应用中器件选择的一个重要指标。在同样的转换分辨率及转换速度的前提下，不同的接口方式不但影响了电路结构，更重要的是将在高速数据采集的过程中对采样周期产生较大影响。本文通过12位串行ADC ADS7822和并行ADC ADS774与AT89C51的接口电路，给出二者采样时间的差异性。
关键词：A/D转换；采样；转换时间；串行接口；并行接口

1 引言
    A/D转换器是一种数据采集中常用的模拟-数字信号转换元件，按转换原理可以分为逐次逼近型、双积分型等；按接口方式可分为串行和并行接口类型；按分辨率又可分为8、12、14、16、18等多种类型。转换时间是A/D转换应用中一项重要的性能指标，在高速数据采样中更是十分的重要，但在同样的转换时间指标前提下，使用串行或是并行A/D转换器实现数据采样，转换时间上的差异往往被忽略。以下以美国TI公司的ADS7822和ADS774为例，通过二者与AT89C51单片机的接口电路，分析在一次转换过程中转换时间上的差异。

2 ADS744的接口电路和转换时间
2.1 ADS774及与单片机的接口
    ADS774是12位逐次逼近型并行A/D转换器，它具有转换精度高、转换速度快(最高8.5 μs)等特点，但接口电路较为繁琐。图1为ADS774与AT89C51的典型接口电路。
    图1中，ADS774采用0V～10 V单极性信号输入模式，9引脚接地，转换结果被设置为8位方式，12位转换结果分两次输出并受4引脚(Ao)控制，Ao=“0”时，20～27引脚输出12位转换结果的高8位，Ao=“l”时，输出12位转换结果的低4位。启动转换及读取转换结果由3、4、5、6脚控制，28引脚(STS)为转换结束标志，转换进行过程中，28引脚为高电平，转换结束时，28引脚变为低电平。图2为ADS774启动转换和读取转换结果的工作时序。结合图l的接口电路和图2的工作时序可知，转换工作过程如下：






    (1)启动A/D转换，即AT89C51对ADS774执行一次写操作，地址信号中应使CS=“0”，Ao=“0”，R/C=“0”。
    (2)单片机通过P2.4引脚查询STS信号，当STS为低电平时，转换即告结束。
    (3)读取转换结果，即单片机对ADS774执行两次读操作：第一次读取转换结果的高8位，这时应使A0=“0”，R/C=“l”，第二次读取转换结果的低4位，这时应使Ao=“1”，R/C=“1”。
2.2 转换时间分析
    根据转换时序和转换过程分析，结合图1的接口电路，转换程序及转换时间如下所示(单片机使用12 MHz外接晶振):



    由此可见，完成一次A/D转换的时间为23μs～27μs，采用并行A/D转换器可最大限度发挥高速A/D的速度性能，在高速数据采样的过程中，为保证A/D转换结果的准确性，即使采用多次采样转换结果均值滤波的方法，仍可以保证转换的高速度。

3 ADS7822的接口电路和转换时间
    ADS7822是12位串行A/D转换器，它的采样频率最高为75 kHz，采用串行外围接口(SPI)方式与微处理器接口。ADS7822与AT89C51的典型接口电路如图3所示，图中VREF(1引脚)为参考电压输入引脚，IN+、IN-为差动信号输入端，CS/SHDN(5引脚)为片选信号输入，低电平有效，高电平时为关闭模式，DOUT(6引脚)为串行数据输出端，DCLOCK(7引脚)为同步时钟输入端。



    由于AT89C51单片机没有SPI接口，因此使用P12、P13虚拟SPI接口的串行数据输出端(DOUT)和同步时钟输入端(DCLOCK)。图4为ADS7822启动转换和读取转换结果的工作时序图。



    图4中tCYC为采样周期(75 kHz)，tCONVE为转换时间(12个CLK周期)，如果一次转换结束后，CS仍保持为低电平，ADS7822将继续输出12位转换结果，但再次的输出将是低位在前，因此在读出转换结果后，应将CS变为高电平，使ADS7822处于掉电状态。
    以下是采用软件虚拟方式，对ADS7822启动转换和读取转换结果的程序，CLK和DAT为使用AT89C51的P1.2和P1.3虚拟的串行时钟线和数据线。






    从以上转换程序中可以看出，一次转换，从启动到读取转换结果，约需要100个机器周期以上，如果单片机使用12 MHz的外部晶振，则一次转换的时间应该在100μs以上。如果在转换过程中需要多次采样均值滤波，则不满足高速采样的需要。

4 结束语
    串行A/D虽然在使用中有接口电路简单的优点，但在需要软件虚拟串行通信协议的情况下，转换时间与同样分辨率的并行A/D相比要逊色的多。如果要实现与并行A/D同样的转换速度，则需要选择本身具有同类串口的单片机。