單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、單片機(jī)課件模數(shù)轉(zhuǎn)換器第1頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二AD轉(zhuǎn)換器接口技術(shù) 模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換電路的種類很多，例如，計(jì)數(shù)比較型、逐次逼近型、雙積分型等等。選擇AD轉(zhuǎn)換器件主要是從速度、精度和價(jià)格上考慮。我們主要學(xué)習(xí)后二種典型AD電路芯片與8051單片機(jī)的接口以及程序設(shè)計(jì)方法。 逐次逼近法AD轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的AD轉(zhuǎn)換器件。雙積分AD變換器，具有精度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度慢。近年來(lái)在微機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。 第2頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二一、逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器原理 逐次逼近法AD轉(zhuǎn)換器是一

2、種速度較快、精度較高的AD轉(zhuǎn)換器，它是通過(guò)最高位DN1至最低位D0的逐次檢測(cè)來(lái)逼近被轉(zhuǎn)換的輸入電壓。 第3頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二一個(gè)N位的逐次逼近法AD轉(zhuǎn)換器的原理圖如下所示： 第4頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二其轉(zhuǎn)換原理如下： 在啟動(dòng)信號(hào)控制下置數(shù)控制邏輯電路置N位寄存器最高位DN-1為l，其余位清0，N位寄存器的內(nèi)容經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后得到整個(gè)量程半的模擬電壓Vn，與輸入電壓Vx比較。若VxVn時(shí)，則保留DN-1=1，若VxVn時(shí), 則DN-1清0。然后，控制邏輯使寄存器下一位DN-2置1,與上次的結(jié)果一起經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后與Vx比較，重復(fù)上述

3、過(guò)程,直至判別出D0取1還是0為止，此時(shí)DONE發(fā)出信號(hào)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。第5頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二這樣，經(jīng)過(guò)N次比較后，N位寄存器的狀態(tài)就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，經(jīng)輸出緩沖器讀出。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程就是這樣對(duì)分搜索比較逼近實(shí)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)換速度由時(shí)鐘頻率決定，一般在幾微秒到上百微秒之間。例如ADC0809，當(dāng)時(shí)鐘頻率為640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為64s。 第6頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二二、雙積分AD轉(zhuǎn)換器原理 雙積分AD轉(zhuǎn)換器是基于間接測(cè)量原理，將被測(cè)電壓值Vx轉(zhuǎn)換成時(shí)間常數(shù)，由測(cè)量時(shí)間常數(shù)得到未知電壓值的， 第7頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日

4、，2點(diǎn)53分，星期二其原理見(jiàn)下圖所示：第8頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二所謂雙積分，就是進(jìn)行一次AD轉(zhuǎn)換需要二次積分。 定時(shí)積分：控制門通過(guò)電子開(kāi)關(guān)把被測(cè)電壓Vx加到積分器的輸入端，在固定時(shí)間T0內(nèi)對(duì)Vx積分，積分輸出終值與Vx成正比； 控制門將電子開(kāi)關(guān)切換到極性與Vx相反的基準(zhǔn)電壓Vr上，進(jìn)行反相積分，由于基準(zhǔn)電壓Vr恒定，所以積分輸出將按T0期間積分的值以恒定的斜率下降(稱定值積分),由比較器檢測(cè)積分輸出過(guò)零時(shí)，停止積分器工作。第9頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二反相積分的時(shí)間Tx與定值積分的初值(即定時(shí)積分的終值)成比例關(guān)系，故可以通過(guò)測(cè)

5、量反相積分時(shí)間Tx計(jì)算出Vx，即 ： Vx=(Tx/T0)Vr反相積分時(shí)間T1由計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)得到。 第10頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二下圖表示出了兩種不同輸入電壓(VxV)的積分情況：顯然V值小，在T0定時(shí)積分期間積分器輸出終值也就小，而下降斜率相同，故反相積分時(shí)間T也就小。 第11頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二由于雙積分方法二次積分時(shí)間比較長(zhǎng)。所以AD轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對(duì)周期變化的干擾信號(hào)積分為零，抗干擾性能也比較好。 目前國(guó)內(nèi)外雙積分A/D轉(zhuǎn)換器集成電路芯片很多，大部分是應(yīng)用于數(shù)字測(cè)量?jī)x器上。適用單片機(jī)接口的有3

6、位半雙積分AD轉(zhuǎn)換器MC14433(精度相當(dāng)于1l位二進(jìn)制數(shù))和4位半雙積分AD轉(zhuǎn)換器ICL7135(精度相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù))。 第12頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二三、 AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 1分辨率(Resolution) 對(duì)于ADC來(lái)說(shuō)，分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。 轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿刻度電壓與2n之比值，其中n為ADC的位數(shù)。 例如：具有12位分辨率的ADC能夠分辨出滿刻度的1212或滿刻度的0.0245 一個(gè)10v滿刻度的12位ADC能夠分辨輸入電壓變化的最小值為24mv。 第13頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20

7、日，2點(diǎn)53分，星期二2轉(zhuǎn)換速率(ConversionRate) ADC的轉(zhuǎn)換速率就是能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。 而完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間(包括穩(wěn)定時(shí)間)是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。 第14頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二 3線性度(Linearity) 線性度有時(shí)又稱為非線性度(Non- Linearity)，它是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。理想直線可以通過(guò)理想的轉(zhuǎn)移函數(shù)的所有點(diǎn)來(lái)描述。ADC的線性度如圖所示，其典型值是土12LSB。 第15頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二9.4 MCS-51單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器

8、接口 一、ADC0809 AD轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809是CMOS工藝、采用逼近法的8位AD轉(zhuǎn)換芯片，28引腳雙列直插式封裝，片內(nèi)除AD轉(zhuǎn)換部分外還有多路模擬開(kāi)關(guān)部分。 有8路模擬量輸入端，最多允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 第16頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯圖 第17頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二引腳功能說(shuō)明 IN0IN7：8路輸入通道的模擬輸入端。DB0一DB7：8位數(shù)字量輸出端。START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)。加上正脈沖后，AD轉(zhuǎn)換開(kāi)始進(jìn)行。ALE：地址鎖存信號(hào)，高電平時(shí)把三個(gè)地址信號(hào)送入地址鎖存

9、器，并經(jīng)譯碼器得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。ADDA、ADDB、ADDC：地址線 第18頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，是芯片的輸出信號(hào)。轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，EOC信號(hào)變低；轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)。EOC返回高電平。這個(gè)信號(hào)可以作為AD轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號(hào)來(lái)查詢。也可以直接用作中斷請(qǐng)求信號(hào)。OE：輸出允許控制端。CLK：時(shí)鐘信號(hào)，最高允許值為640kHz。Vref(+)、Vref(-)，：AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓。Vcc：電源電壓。由于是CMOS芯片，允許的電源范圍較寬，可從十5 十15V。 第19頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二8位模擬開(kāi)關(guān)

10、的地址輸入通道的關(guān)系： ADDC ADDB ADDA輸入通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7第20頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二ADC0809的時(shí)序圖: 第21頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二在ALE1期間，模擬開(kāi)關(guān)的地址(ADDA，ADDB，ADDC)存入地址鎖存器；在ALEO時(shí)，地址鎖存。輸入啟動(dòng)信號(hào)START的上升沿復(fù)位ADC0809，它的下降沿啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。EOC為輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，正在轉(zhuǎn)換時(shí)為“0”，轉(zhuǎn)換結(jié)

11、束時(shí)為“1”。OE為輸出允許控制端，在轉(zhuǎn)換完成后用來(lái)打開(kāi)輸出三態(tài)門，以便從0809輸出這次轉(zhuǎn)換結(jié)果。 第22頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二 二、ADC0809與8031接口 ADC0809與8031連接可采用查詢方式，也可采用中斷方式，圖為中斷方式連接電路圖。由于ADC0809片內(nèi)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可直接與803l接口。這里將ADC0809作為一個(gè)外部擴(kuò)展并行IO口，采用線選法尋址由P27和WR聯(lián)合控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)端(START)和ALE端，低三位地址線加到ADC0809的ADDA、B、C端，所以選中ADC0809的IN0通道的地址為7FF8H。 第23頁(yè)，共29

12、頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二中斷方式連接電路圖第24頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二送通道號(hào)地址到ADDA、B、C，由ALE信號(hào)鎖存通道號(hào)地址。讓START有效啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換即執(zhí)行一條MOVX DPTR，A指令, 產(chǎn)生WR信號(hào)，使ALE、START有效，鎖存通道號(hào)并啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換完畢，EOC端發(fā)出一正脈沖。最后執(zhí)行MOVX A，DPTR產(chǎn)生RD信號(hào)使OE端有效，打開(kāi)輸出鎖存器三態(tài)門，8位數(shù)據(jù)就讀入CPU的累加器A中。 啟動(dòng)ADC0809的工作過(guò)程:第25頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二軟件編程如下： ORG0013HAJM

13、PSINT1;ADC:SETBIT1 ;設(shè)置外部中 斷源1為邊沿觸發(fā)SETB EX1 ;允許INT1中斷SETB EA ;開(kāi)放總中斷MOVDPTR,#7FF8H ;選中0通道MOVX DPTR,A ;啟動(dòng)ADC0809 SJMP$;第26頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二中斷服務(wù)程序：SINT1:MOVDPTR,7FF8H ;讀一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果MOVX A ; DPTR;MOV50H, A;存入內(nèi)部 RAM 50H中CLREX1;關(guān)中斷RETI;中斷返回第27頁(yè)，共29頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)53分，星期二MCS-51與8051的另外一種接口方式： 第28頁(yè)，共29