高精度模数转换器应用实例

(林在荣)一台微计算机在用于过程控制或智能测试仪器时，都要用到模数（简称A／D）转换器。就是说，要把外界的一些随时间连续变化的模拟量如电压、电流、温度、压力等参数转换为与之相应的数字量，才能送入计算机进行存储或处理。目前市场上出售的A／D变换器，其分辨率有8位、10位、12位等数种，从结构上看，又可分为两类，一类是A／D转换器芯片，另一类是A／D转换模板。前者是一块中大规模的集成电路片子。如8位字长的芯片有美国AD公司的A／D0809；12位字长的有AD574（TTL电平）和ADC1210（COMS电平）等。后者是将A/D转换器的芯片与必要的附加电路组合成一块完整的电路模板，使之更趋于实用。这种模板与微机系统的总线适当连接，就可以顺利地完成A/D转换任务。本文将通过二个例子介绍怎样将A／D模板与微机连接。

评价一个A/D转换器性能优劣的指标主要有三个：即分辨率、转换精度和转换速度。分辨率是指A/D转换器一次将模拟量转换为二进制数字量之后所得二进制数的位数。这个指标决定了一个A/D转换器的最小分辨率。例如：一个8位A／D转换器，其数码变化范围是从0～255，有256个不同数码因此它的分辨率是\(\sqrt{1;2}\)\(^{8}\)=1;256≈0.4%。转换精度是指A／D转换器的非线性误差或运算误差，通常为0.5％、0.1％或0.03％不等。转换速度是A/D转换器转换一次所需要的时间，一般中速转换器从几百微秒到25μS不等；25μS以下的称为高速转换器。

在购买单板机或微机系统时，常常可以将A／D转换模板作为选件与微机一起购买。如：购买苹果牌微机系统时，可以选购与苹果机总线兼容的A／D模板。在一些较高级的单板机中，有时附有8位的A／D转换器，看起来似乎很方便。其实不然，因为，目前市场上与普通微机配套供应的A／D模板，有一个共同的弱点，即分辨率不够高（即使是12位的A／D转换模板，其精度通常只能达到0.1％），大家知道微计算机的精度至少可以达到\(\sqrt{1;2}\)\(^{16}\)≈1.5×10-5，若配上精度在0.1％以下的A／D转换器，就不能发挥微计算机高精度的优越性了。因此，在一些要求较高的过程控制中，应当使用精度更高的A／D转换器。就是说需要自己设计高精度A／D转换模板与微机的接口电路。本文向读者介绍如何将一块高精度的12位A／D转换器模板与最常用的微计算机——苹果—Ⅱ（APPLE—Ⅱ）相连接的实用电路及其相应的软件。

M68MM15A是美国莫托罗拉（MOTOROLA）公司生产的一种高精度中速度具有12位分辨率的A／D转换器模板。它的工作速度在30～40μS之间，系统精度可以达到0.03％（万分之三）。这个指标几乎接近它的分辨率了。因为一个12位A／D转换器的分辨率是\(\sqrt{1;2}\)\(^{12}\)=1;4096≈0.025％，再将其它（如模拟开关、采样保持器等）的误差考虑进去，整个误差还未超过0.03％，可见精度是相当高了。

图1是整个系统的方框图。其工作过程如下：由多路模拟量通道选择器U\(_{1}\)选择16个模拟量通道中的一路信号，送到前置放大器U2进行放大，该放大器的增益是可以通过软件来控制的（图1中U\(_{3}\)）然后由采样保持器U4将此模拟量数值保持下来，同时，12位A／D转换器U\(_{5}\)用逐次比较法将此模拟量转换成数字量，转换完毕，形成12位的数字量，通过控制逻辑电路U6的控制送入8位字长的微机数据总线D\(_{0}\)～D7上去。

M68M15A转换模板的主要特点是：①可以对16个模拟量单端输入通道（或8个差动输入通道）进行A／D转换。②具有用软件控制增益的前置放大器，增益控制有四档：×1；×2；×4；×8。③采用单一正5V电源，通过内部的直流—直流变换器产生A／D转换过程中所需要的±15V电源，简化了电源种类。④启动A／D转换器可以有两种形式；即软件和外脉冲触发启动。⑤该模板本身具有地址选择功能，这个特点使它可以省去地址译码器而直接与微机总线相连，大大简化了接口设计。⑥对于模拟量的输入范围，可以是0～＋5V；0～＋10V；－5～＋5V；或－10～＋10V。数字量输出形式既可以是反码，又可以是补码。

对于打算应用这种A／D模板的读者，光有图1还是不够的。还应进一步了解其内部结构及工作时序图。有条件的话还可大体阅读一下它的电气原理图。这些内容在技术资料中有详细说明，这里限于篇幅不再叙述。仅择其重要者，作一些补充说明。

1、该模板的模拟量输入范围，形式和数字量输出形式，都是采用短接相应的接线端子来选择的。工作之前应先根据使用要求，按照表1将A/D转换模板的有关端子短接，就能选好一定的工作状态。表1是多端跳线器的短接表，又称跳线表。

2、应根据不同微机系统的地址范围，将转换模板上地址线的跳线器连接好。U\(_{1}\)0的接线表如表2所示。表2中第1栏序号表示地址码的第1～第4位。从表中可以看出第1位可以有十六种状态，即0～F。这就是说地址的第1位可以是从0～F中的任意一个16进制数码。第2位只能有两种状态即5和D，第3位也只有两种状态即0和1，第4位有4种状态即0、4、8、C。备注中给出了地址码为C500H的接线图，供读者对照使用。

3、在编制A／D转换应用软件时，应仔细阅读该模板上的几个内部寄存器用途及定义。以指导正确编制程序。它们是：①增益／通道地址寄存器（GMAR）它是一个可读写寄存器，其地址为基本地址＋0。它的各位定义如表3所示。最高两位（B\(_{7}\)6）用作选择对某一通道进行A／D转换时的前置放大器增益，例如B\(_{7}\)6为11，则增益为×8。其余六位用来选择相

应的通道。②命令状态寄存器。地址为：基本地址+1。其各位定义如表4所示。③数据输出寄存器（DR）共有两个，它们的地址分别是：基本地址＋2（代号DRH）和基本地址＋3（代号DRL）。它们用来暂存A／D转换完毕之后的数字量。微机就从这两个寄存器中读取转换结果。表5是这两个寄存器所存数的各位数码的意义。其中寄存到DRL的低字节的最低四位自动置零。

苹果—Ⅱ型微计算机在我国有很大市场。该机的CPU是6502，它与莫托罗拉公司的6800系列微机及其支持软件硬件都是兼容的。因此，M68MM15A模板与苹果Ⅱ的连接就比较简单。图2是它们的联接电路图。

在苹果—Ⅱ微机系统的主机中，有8个插槽专供给机外扩展联接使用，每个插槽都是一个如图3所示的50芯总线，它们的输入输出片选地址（IO SELECT）如表6所示。对照表6，并根据M68MM15A模板的地址跳线器选择范围（见表2），可以发现选择C500H作为该模板的基本地址比较合适。使用时将此板插入5号槽中。由图2及图4可见，模板与主机之间，需要一根30芯的扁电缆连接。其中除了16根地址线、8根数据线，1根地线之外，还有5根控制线，这5根控制线的作用如表7所示。其中模板片选VUA是高电平有效。因此，它与5号槽中的输入输出选择线（IOSELECT低电平有效）连接时，要加接一个反相器U\(_{n}\)。另外，由于A／D模板的工作电流较大（约1.2A），所以不能用主机的＋5V电源，它应单独供电。图4是种参考安装示意图，其中反相器将在插槽板A上。（待续）