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基于A/D转换器IC层叠并联实现通道倍扩展

时间：2009-11-02 08:22:04

关键字：并联 A/D转换器 IC ADC0804

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[导读]介绍了一种不增加A/D转换单元电路板面积却能加倍扩展模拟输入通道数量的创新设计方法—IC(集成电路)层叠并联。相关技术获中国国家专利。本文给出了以MCS-51和ADC0804接口为典型的硬件、软件设计实例。

1　引　言
　　A/D转换器是数据采集中常用的模/数转换器件，对于具有检测功能的智能仪表来说，设计者总希望在硬件电路板的最小面积内获得更多的检测通道。本文以MCS-51和ADC0804接口为例，在不增加A/D转换单元电路板面积的基础上通过三片ADC0804的IC（集成电路）层叠并联，使其模拟电压输入通道增加两倍，从而降低了硬件成本。
２　A/D转换器IC层叠并联的构思
ADC0804是常用的8位COMS逐次逼近寄存器、三态锁定输出、20脚双列直插、典型转换时间为100μs的A/D转换器。A/D转换器IC层叠并联是将三片同型号、同生产厂家、同批生产、测试完好的ADC0804芯片层叠并联，每片按引脚号一一对应焊接(模拟量输入VI+引脚和/CS引脚除外。字母左边的“/”表示低电平有效,下同)。实现IC层叠并联后, 模拟量输入通道由原来的单路扩展为三路，在不增加A/D转换单元电路板面积的同时，使A/D转换通道数量增加两倍。
3　A/D转换器IC层叠并联设计实例
3.1　硬件接口电路设计
将三片ADC0804层叠并联，按照各引脚的逻辑要求施加电平并进行A/D转换,测试后可知，0804(1)、0804(2)、0804(3)具体哪一片能向单片机输出转换后的数字量数据，关键取决于该芯片的输出允许信号(/CS)端是否有效(低电平有效)。由此可见，只要对三片ADC0804的/CS端进行分时控制，即可分别实现各自的A/D转换功能。ADC0804带有锁存器，可直接与89C51芯片进行连接。三片ADC0804层叠并联与MCS-51的接口电路图，如图1所示。
3.2　三路模拟通道分时控制原理分析
MCS－51与ADC0804接口进行单通道转换时的过程是：当ADC0804的片选信号/CS有效时，施加一个启动信号/WR，转换器将自动进行转换。转换结束后，数据被锁存器锁存，同时发出/INTR信号。此后，又在/CS有效时施加一个/RD信号，即可把转换的结果从锁存器中读出。
图1中0804(1)、0804(2)、0804(3)三个芯片的引脚除每片的模拟量输入VI+和/CS引脚外，其余均按引脚号一一对应连接，具体选择哪个芯片输出允许，取决于该芯片是否能被选中(/CS是否有效)。在0804(1)被选中并完成A/D转换功能的过程中，只允许 0804(1)的/CS端为低电

平，使得0804(1)的/WR、/RD和/INTR端均能按时序控制正常工作, DB0-DB7的数字数据才有输出。此时0804(2)、0804(3)的/CS端必须为高电平，以保证这两个芯片的数据端DB0-DB7为高阻态，否则三个芯片的数据将相互扰乱。同理，当0804(2)被选中并完成A/D转换功能时，0804(2)的/CS端为低电平，此时0804(1)、0804(3)的/CS端必须为高电平，对于0804(3)亦然。
ADC0804的时钟频率约限制在100KHZ—1460KHZ。P1.1 、P1.2 、P1.3 分别作为0804(1)、0804(2)、0804(3)的片选分时控制信号；P1.0用作分时接收三个A/D芯片的中断请求输出/INTR信号。本例采用单极型连接方法，故三路模拟量输入的VI－端均接地。ADC0804电压输入与数字输出关系表，如表1所示。

3.3　软件应用设计
设有三路模拟量输入的检测系统，每路电压分别为1.000V、2.000V、3.000V，采样后的数字量数据依次存放到60H—62H的3个内存单元中。该程序以中断方式进行数据传送，P1.1 、P1.2 、P1.3 分别对0804(1)、0804(2)、0804(3)分时选通；P1.0分时接收三个A/D芯片的中断请求输出信号。/INTR信号把转换完成的状态作为单片机的中断请求信号。A/D转换器IC层叠并联实现通道倍扩展程序流程图，如图2所示。其中，图2（a）为初始化程序流程图，图2（b）为中断服务程序流程图。

3.4　分时控制模/数转换输出结果分析
ADC0804分时控制模/数转换输出结果表，如表2所示。

程序执行后，60H单元的A/D转换结果为32H,对应的十六进制高半字节为3H，低半字节为2H，通过表1可查得分别对应的高半字节和低半字节电压为0.960+0.040=1.000V；61H单元的A/D转换结果为64H，对应的十六进制高半字节为6H，低半字节为4H，通过表1可查得分别对应的高半字节和低半字节电压为1.920+0.080=2.000V；62H单元的A/D转换结果为96H，对应的十六进制高半字节为9H，低半字节为6H，通过表1可查得分别对应的高半字节和低半字节电压为2.880+0.120=3.000V。
结论:以上三个单元的A/D转换数字量结果均分别与相对应的模拟输入电压相吻合，此结果表明ADC0804A/D转换器IC层叠并联实现通道倍扩展的设计方案是成功的。
4 结束语
此文相关技术已获中国国家专利,其创新点：采用A/D转换器IC层叠并联，在不增加A/D转换单元电路板面积的同时，使A/D转换通道的数量增加两倍，降低了硬件成本。
该项技术还可进一步推广到三片以上ADC0804 A/D转换器或其它特性IC芯片的层叠并联中去。