摘 要： 介紹了12位模/數轉換器AD1674的結構，著重分析了它的轉換原理及工作模式以及在瑞薩微控制器系統中的應用。
關鍵詞： 逐次逼近；A/D轉換器；微控制器
隨著數字電子技術的迅速發展，各種數字設備，特別是各類MCU電子產品的應用日益廣泛，已經滲透到人們生活的各個領域之中。各種微控制器在應用于生活和生產的過程中，往往需要進行A/D和D/A轉換，處理模擬信號和數字信號，而且所要處理的變量往往是連續變化的物理量，如溫度、電壓、速度等，這些非電子信號的模擬量要經過傳感器變成電壓或者電流信號，再轉換成數字量，然后經計算機進行處理后直觀地顯示給人們。因此，模/數轉換的過程是人們獲取有效信息的一個重要環節。
模擬信號轉換成數字信號的過程被稱為模/數轉換[1]，簡稱A/D（Analog to Digital）轉換；完成模/數轉換的電路被稱為A/D轉換器，簡稱ADC（Analog to Digital Converter）。模擬信號由傳感器轉換為電信號，經放大器放大送入A/D轉換器轉換為數字量，由數字電路進行處理。對模數轉換過程的研究有助于更好地掌握這一技術，并將其應用到更為廣泛的生活和生產領域中去。
1 AD1674概述及性能介紹
AD1674[2]是美國ADI公司推出的一種完整的12位并行模/數轉換單片集成電路芯片。該芯片帶有內部采樣保持的完全12位逐次逼近寄存器（SAR），采樣頻率為100 kHz；最大轉換時間為10 μs，具有+1/2 LSB的積分非線性（INL）以及12位無漏碼的差分非線性（DNL），功耗較低，僅為385 mW；內部自帶采樣保持放大器（SHA）、10 V基準電壓源、時鐘源以及可與微處理器總線直接接口的暫存/三態輸出緩沖器，輸出可與8 bit或12 bit微處理器接口連接。
與原有的系列相比，AD1674的內部結構更加緊湊，集成度更高，應用電路變得簡單，工作性能更可靠，尤其是高低溫的穩定性表現最佳，而且可以使設計板面積大大減小，因而可降低成本并提高系統的可靠性，非常適用于通信、圖像處理和醫療等高新技術設備的電路設計。本文在對某新型國產機載武器系統的研究中采用了AD1674，它可實時地采集溫敏傳感器的模擬參數，以進行快速精確的數據轉換并傳給MCU進行處理，從而有效地對實時溫度進行檢測。
2 逐次逼近A/D轉換器的工作原理
逐次逼近型A/D轉換器[3]主要由A/D電壓比較器、逐次逼近寄存器SAR和轉換結果寄存器ADCR構成。
首先，A/D電壓比較器將從數組的電壓檔位產生的比較電壓與模擬輸入引腳電壓進行比較，得到數字邏輯部分能夠識別的數字信號1或者0（1為高電壓，0為低電壓），通過逐次比較邏輯構成，從最高有效位（MSB）開始，順序地將每一位的輸入電壓與內置D/A轉換器的輸出進行比較，經n次比較而輸出相應的數字值序列。其優點是速度較快，功耗低，在低分辯率（<10位）時價格相對便宜。
逐次逼近寄存器SAR為12 bit寄存器，用于設置檔位電壓數據，將數組的檔位電壓值與模擬輸入引腳的電壓值作比較，從最高有效位（MSB）開始，每次移1位。如果數據在SAR中始終設置成最低有效位（LSB）（A/D轉換結束），那么SAR寄存器的內容（也就是轉換結果）將會被保存到A/D轉換結果寄存器ADCR中。當所有指定的A/D轉換操作都結束時，將產生A/D轉換結束中斷請求信號。轉換結果寄存器是一個在選擇模式存儲A/D轉換結果的16 bit寄存器，低6位固定為0。每次A/D轉換結束，將從逐次逼近寄存器中加載轉換結果，由16 bit存儲器處理指令讀取ADCR，產生的復位信號將該寄存器清除為0，完成A/D轉換。最后SAR中的數字量就是所求的轉換結果。
3 A/D轉換器的兩種操作模式
A/D1674轉換器的工作模式可分為選擇模式和掃描模式兩種，在這兩種模式下，它的工作時序不同。選擇模式主要用于具有專門輸入端的系統，因而不需要有全總線的接口能力，而采用掃描工作模式則有利于與MCU進行總線連接。
3.1 選擇模式
當A/D轉換器模式寄存器（ADM）的ADMD位為0時，模擬輸入通道指定寄存器（ADS）指定一個模擬輸入通道進行A/D轉換。A/D轉換完成時，轉換結果存儲在A/D轉換結果寄存器（ADCR）中，并產生ADCR轉換結束中斷請求信號（INTAD），接著進行下一個模擬輸入，連續重復A/D轉換，除非將ADCS位置為0。如果在轉換期間將數據寫入ADM或ADS，則終止A/D轉換。這種情況下，再次從頭開始進行A/D轉換，操作時序圖如圖1所示。
3.2 掃描模式
當A/D轉換器模式寄存器（ADM）的ADMD位為1時，由模擬輸入通道指定寄存器（ADS）指定的掃描0~3的4個模擬輸入通道按次序連續執行A/D轉換，從掃描0指定的模擬輸入通道開始。一個模擬輸入的A/D轉換完成時，轉換結果存儲在A/D轉換結果寄存器（ADCR）中，并產生ADCR轉換結束中斷請求信號（INTAD）。所有模擬輸入通道的A/D轉換結果都存儲在ADCR中。因此，在每路模擬輸入通道轉換完成后，立即把ADCR中的內容保存到RAM中。一次A/D轉換完成后，連續重復地進行A/D轉換，除非將ADCS位置為0。如果在轉換期間將數據寫入ADM或ADS，則終止A/D轉換。這種情況下，從掃描0的模擬輸入通道重新開始A/D轉換，操作時序圖如圖2所示。
5 應用實例
A/D模數轉換器被廣泛地應用于各類電子產品中，特別是高速實時數據采集系統，瑞薩78K0R系列微控制器[4]上就采用AD1674轉換器進行實時溫度的采集和轉換。圖4是應用于瑞薩MCU中進行溫度采集和模/數轉換的框圖。
ANI0~ANI11引腳為12通道A/D轉換器模擬輸入引腳[5]，模擬信號通過選擇器選擇一個或多個通道輸入，經采樣保持電路采集每個從輸入電路連續發出的模擬輸入電壓，并發送采樣數據到A/D電壓比較器，A/D電壓比較器將從數組的電壓檔位產生的比較電壓與模擬輸入引腳電壓進行比較。如果發現模擬輸入電壓大于參考電壓（1/2 AVREF），則將會設置逐次逼近寄存器（SAR）的最高有效位（MSB）；如果模擬輸入電壓小于參考電壓（1/2 AVREF），那么逐次逼近寄存器（SAR）的最高有效位（MSB）復位。接著自動設置SAR寄存器的位10，并啟動下一次比較。由位11的值來選擇數組的電壓檔位，其結果已經設定如下：
位11=0：（1/4AVREF）
位11=1：（3/4AVREF）
將數組的檔位電壓與模擬輸入電壓進行比較，而SAR寄存器的位10則根據比較結果來執行操作：
模擬輸入電壓≥數組檔位電壓：位10=1
模擬輸入電壓≤數組檔位電壓：位10=0
這樣的比較會持續至SAR寄存器的位0。
每次A/D轉換完成，A/D轉換結果將從逐次逼近寄存器加載到A/D轉換結果寄存器，ADCR寄存器將A/D轉換結果在高位逐次保存，最后SAR中的數字量就是所求的轉換結果。
本文主要針對目前市場上單片機及其ADC在電子產品中的廣泛應用，給出了一種實用的逐次逼近型模/數轉換器AD1674，著重介紹了該芯片的性能特點、工作模式時序以及在瑞薩微處理器系統中的應用。瑞薩嵌入式MCU具有性能可靠、靈活方便、簡潔實用、節能等優勢，再將高性能的A/D轉換器與其結合使用，可降低成本并提高系統的可靠性，因此具有很大的實用價值。
參考文獻
[1] 徐江濤，姚素英，李樹榮，等.高分辨率流水線A/D轉換器采樣電容優化研究[J].微電子學，2004（4）：435-438.[2] 郁春蘭.A/D1674的特點及其與PC機接口的應用研究[J].廣東交通職業技術學院學報，2002（1）：74-77.
[3] 孫彤，李冬梅.逐次逼近A/D轉換器綜述[J].微電子學，2007（4）：523-531.
[4] 瑞薩科技公司.瑞薩16位R8C/TINY系列MCU[J].世界電子元器件，2005（4）：91-94.
[5] 李言武.多通道A/D轉換控制模塊的設計與實現[J].電子科技，2011（8）：75-77.