單片機(jī)技術(shù)與項(xiàng)目訓(xùn)練 課件 第8章 單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)

單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)第8章在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中經(jīng)常需要測(cè)量非電量數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、速度等，要測(cè)量這些數(shù)據(jù)只有先使用傳感器把它們轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號(hào)（電壓或電流），再將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能在單片機(jī)中進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）。本章主要講解A/D轉(zhuǎn)換接口和單片機(jī)的連接原理，以及單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片的讀/寫控制。引言目錄A/D轉(zhuǎn)換器工作原理1A/D轉(zhuǎn)換芯片及接口設(shè)計(jì)2本章小結(jié)4項(xiàng)目訓(xùn)練：數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)3本章習(xí)題5行業(yè)PPT模板/hangye/8.1

A/D轉(zhuǎn)換器工作原理8.1.1A/D轉(zhuǎn)換器概述只有經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)運(yùn)而生。目前，A/D轉(zhuǎn)換芯片較多，對(duì)設(shè)計(jì)者來說，只需合理地選擇芯片即可?，F(xiàn)在部分單片機(jī)片內(nèi)也集成了A/D轉(zhuǎn)換器，位數(shù)有8位、10位或12位等，且轉(zhuǎn)換速度也很快，但是在片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器不能滿足需要的情況下，還需要使用外部ADC芯片。8.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1．分辨率分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)最低有效位（LeastSignificantBit，LSB）所對(duì)應(yīng)的輸入模擬量的變化量。分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，習(xí)慣上用輸出的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)或BCD碼的位數(shù)來表示。例如，A/D轉(zhuǎn)換器AD1674的滿量程輸入電壓為5V，可輸出12位二進(jìn)制數(shù)，即用212個(gè)數(shù)進(jìn)行量化，其分辨率為1LSB，5V/212=1.22mV，其分辨率為12位，或者說能分辨出輸入電壓1.22mV的變化。2．量化誤差模擬量是連續(xù)的，而數(shù)字量是離散的，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)固定后，數(shù)字量不能把模擬量的所有值都精確地表示出來，這種由A/D轉(zhuǎn)換器的有限分辨率所造成的真實(shí)值與轉(zhuǎn)換值之間的誤差稱為量化誤差。一般量化誤差為數(shù)字量的LSB所表示的模擬量，理想的量化誤差容限是±1/2LSB。8.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)3．轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換器的精度是指與數(shù)字輸出量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之間的差值。在A/D轉(zhuǎn)換電路中，與每個(gè)數(shù)字輸出量對(duì)應(yīng)的模擬輸入量并不是一個(gè)單一的數(shù)值，而是一個(gè)范圍值Δ，Δ的大小理論上取決于電路的分辨率。定義Δ為數(shù)字量的LSB。但在外界環(huán)境的影響下，與每個(gè)數(shù)字輸出量對(duì)應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際范圍往往偏離理論值Δ。轉(zhuǎn)換精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度一般以LSB為單位給出，目前常用的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片的絕對(duì)精度為1/4～2LSB。相對(duì)精度是絕對(duì)精度與滿量程的比值。8.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)4．轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換速度是A/D轉(zhuǎn)換器能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)；轉(zhuǎn)換時(shí)間是完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間（包括穩(wěn)定時(shí)間），是轉(zhuǎn)換速度的倒數(shù)。轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，A/D轉(zhuǎn)換器適應(yīng)輸入信號(hào)快速變化的能力越強(qiáng)。由于生產(chǎn)商在設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)考慮了各種技術(shù)指標(biāo)對(duì)精度的影響，一般各種誤差都控制在最小分辨率以內(nèi)，所以，通常在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換器選型時(shí)，分辨率和轉(zhuǎn)換速度是最重要的技術(shù)指標(biāo)。5．溫度系數(shù)溫度系數(shù)是A/D轉(zhuǎn)換器受溫度影響的程度，一般用環(huán)境溫度變化1℃所產(chǎn)生的相對(duì)誤差來表示，單位為PPM/℃（10-6/℃）。8.1.3A/D轉(zhuǎn)換器分類A/D轉(zhuǎn)換器種類很多，按其轉(zhuǎn)換原理可分為逐次比較式（也稱為逐次逼近式）、雙積分式、量化反饋式和并行式A/D轉(zhuǎn)換器；按其分辨率可分為8～16位的A/D轉(zhuǎn)換器。盡管A/D轉(zhuǎn)換器種類很多，但目前廣泛應(yīng)用在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的主要有逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器和雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。此外，Σ-Δ式轉(zhuǎn)換器也逐漸得到重視和應(yīng)用。逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器在精度、速度和價(jià)格方面都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器，其常用產(chǎn)品有ADC0801～ADC0805型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器、ADC0808/0809型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器、ADC0816/0817型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器、AD574型快速12位A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有精度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，與逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器相比，其轉(zhuǎn)換速度較慢，近年來在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。雙重積分式A/D轉(zhuǎn)換器的常用產(chǎn)品有ICL7106/ICL7107/ICL7126、MC14433/5G14433、ICL7135等。8.1.3A/D轉(zhuǎn)換器分類Σ-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器具有雙積分式與逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)。它對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的串模干擾具有較強(qiáng)的抑制能力，不亞于雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。它與雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器相比，有較高的轉(zhuǎn)換速度。與逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器相比，它有較高的信噪比、分辨率，且線性度好。由于上述優(yōu)點(diǎn)，Σ-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器得到了人們的重視，已有多種Σ-Δ式A/D轉(zhuǎn)換器芯片可供用戶選用。A/D轉(zhuǎn)換器按照輸出數(shù)字量的有效位數(shù)分為8位、10位、12位、14位、16位、24位等并行輸出，以及BCD碼輸出的3位半、4位半、5位半等多種。目前，除并行A/D轉(zhuǎn)換器外，帶有同步SPI串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器的使用也逐漸增多。它具有占用單片機(jī)的端口線少、使用方便、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。較為典型的帶有同步SPI串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器為TI公司的TLC549（8位）、TLC1549（10位）、TLC1543（10位）和TLC2543（12位）等。A/D轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換速度可大致分為超高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1ns）、高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1s）、中速（轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1ms）、低速（轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1s）等幾種。目前，許多新型的A/D轉(zhuǎn)換器已將多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、時(shí)鐘電路、基準(zhǔn)電壓源、二/十進(jìn)制譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，為用戶提供了極大的方便。8.1.4A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口1．A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸出線與單片機(jī)的連接方法A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸出線與單片機(jī)的連接方法與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于內(nèi)部帶有三態(tài)鎖存數(shù)據(jù)輸出緩沖器的A/D轉(zhuǎn)換器（如ADC0809、AD574等），可直接與單片機(jī)相連；對(duì)于內(nèi)部不帶鎖存器的A/D轉(zhuǎn)換器，一般通過鎖存器或并行I/O接口與單片機(jī)相連。此外，隨著位數(shù)的不同，A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的連接方法也不同。對(duì)于8位A/D轉(zhuǎn)換器，其數(shù)字量輸出線可與8位單片機(jī)數(shù)據(jù)線對(duì)應(yīng)相接；對(duì)于8位以上的A/D轉(zhuǎn)換器，須增加讀取控制邏輯，對(duì)8位以上的數(shù)據(jù)分兩次或多次讀取。為了便于連接，一些A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品內(nèi)部已帶有讀取控制邏輯，而對(duì)于內(nèi)部不包含讀取控制邏輯的A/D轉(zhuǎn)換器，在與8位單片機(jī)相連時(shí)，應(yīng)增設(shè)三態(tài)鎖存數(shù)據(jù)輸出緩沖器對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。8.1.4A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口2．A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)方式一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換時(shí)，必須加一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，這一啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)要由單片機(jī)提供。不同型號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)的要求也不同，一般分為脈沖啟動(dòng)和電平啟動(dòng)兩種。對(duì)于脈沖啟動(dòng)型A/D轉(zhuǎn)換器，只要給其啟動(dòng)控制端加一個(gè)符合要求的脈沖信號(hào)即可，如ADC0809、ADC574等，通常由WR和地址譯碼器的輸出經(jīng)一定的邏輯電路進(jìn)行控制；對(duì)于電平啟動(dòng)型A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)把符合要求的電平加到啟動(dòng)控制端上時(shí)，就立即開始轉(zhuǎn)換，而且，在轉(zhuǎn)換過程中，必須保持這個(gè)電平，否則轉(zhuǎn)換會(huì)終止。因此，在這種啟動(dòng)方式下，單片機(jī)的控制信號(hào)必須經(jīng)過鎖存器保持一段時(shí)間，一般采用D觸發(fā)器、鎖存器或并行I/O接口等來實(shí)現(xiàn)。ADS70、AD571等都屬于電平啟動(dòng)型A/D轉(zhuǎn)換器。8.1.4A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口3．轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)處理方法當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，它會(huì)輸出一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)，通知單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。單片機(jī)檢查并判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法一般有中斷和查詢兩種。對(duì)于中斷方式，可將轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)接到單片機(jī)的中斷請(qǐng)求輸入線或允許中斷的I/O接口的相應(yīng)引腳上，作為中斷請(qǐng)求信號(hào)；對(duì)于查詢方式，可把轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)經(jīng)三態(tài)門送到單片機(jī)的某一位I/O口線上，作為查詢狀態(tài)信號(hào)。4．時(shí)鐘的連接方法A/D轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)重要連接信號(hào)是時(shí)鐘，其頻率是決定芯片轉(zhuǎn)換速度的基準(zhǔn)。整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換過程都是在時(shí)鐘的作用下完成的。A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的提供方法有兩種：一種是由芯片內(nèi)部提供（如AD574），一般不允許外加電路；另一種是由外部提供，有的用單獨(dú)的振蕩電路產(chǎn)生，更多的是把單片機(jī)輸出時(shí)鐘分頻后送到A/D轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)時(shí)鐘端。8.2

A/D轉(zhuǎn)換芯片及接口設(shè)計(jì)8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)1．ADC0809簡(jiǎn)介ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8路模擬輸入的8位逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器件，采用CMOS工藝，具有較低的功耗，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs（當(dāng)時(shí)鐘輸入頻率fc=640kHz時(shí)），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖8-1所示。圖8-1ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)1．ADC0809簡(jiǎn)介8路模擬開關(guān)根據(jù)地址譯碼信號(hào)選擇8路模擬輸入，允許8路模擬量分時(shí)輸入，公用一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼器完成對(duì)ADDA、ADDB、ADDC（A、B、C）三個(gè)地址位的鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的8位通用A/D轉(zhuǎn)換芯片之一。8位A/D轉(zhuǎn)換器是逐次比較式的，由控制與時(shí)序電路、比較器、逐次逼近寄存器（SAR）、樹狀開關(guān)及256R電阻階梯網(wǎng)絡(luò)等組成，實(shí)現(xiàn)逐次比較A/D轉(zhuǎn)換，在SAR中得到A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)鎖存數(shù)據(jù)輸出緩沖器輸出，輸出鎖存器用于存放和輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，當(dāng)OE引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，就可以從三態(tài)鎖存數(shù)據(jù)輸出緩沖器中取走A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存輸出緩沖器可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)1．ADC0809簡(jiǎn)介1）ADC0809的主要特性（1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。（2）具有轉(zhuǎn)換啟停控制端。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs（當(dāng)時(shí)鐘輸入頻率為640kHz時(shí)）、130μs（時(shí)鐘頻率為500kHz時(shí)）。（4）單個(gè)+5V電源供電。（5）模擬輸入電壓為0～+5V，不需要零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。（6）工作溫度為-40～+85℃。（7）低功耗，約15mW。8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)2．ADC0809的外部特性（引腳功能）ADC0809有28個(gè)引腳，采用雙列直插式封裝，如圖8-1（b）所示。下面說明各引腳的功能。IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端，用于輸入被轉(zhuǎn)換的模擬電壓，一次只能選通其中的某一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，選通的通道由ALE上升沿時(shí)送入的ADDC、ADDB、ADDA引腳信號(hào)決定。D0～D7：8位數(shù)字量輸出端。圖8-1ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)ADDA、ADDB、ADDC（A、B、C）：模擬輸入通道地址選擇線，分別與單片機(jī)的3根地址線相連，其8位編碼分別對(duì)應(yīng)IN0～I(xiàn)N7，CBA=000～111分別表示選擇IN0～I(xiàn)N7。各路模擬輸入通道之間的切換由改變加到C、B、A上的編碼來實(shí)現(xiàn)，如表8-1所示。8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，把3個(gè)地址信號(hào)，即C、B、A送入地址鎖存器，經(jīng)過譯碼器得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，正脈沖有效。只有在為它加上正脈沖（至少100ns寬）后，A/D轉(zhuǎn)換才開始進(jìn)行。（正脈沖上升沿使ADC0809復(fù)位，所有內(nèi)部寄存器清零﹔下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。）EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)輸出端，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平。在START下降沿后10μs左右，EOC=0，表示正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。EOC常用于A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)的查詢或作為中斷請(qǐng)求信號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取方式有延時(shí)讀數(shù)、查詢EOC（EOC=1時(shí)申請(qǐng)中斷）。8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，只有這樣才能打開三態(tài)鎖存數(shù)據(jù)輸出緩沖器，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果從D0～D7引腳送出；若OE=0，則數(shù)字輸出口為高阻態(tài)。CLOCK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端，為ADC0809提供逐次比較所需的時(shí)鐘脈沖。ADC0809內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，故需要外加時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘輸入要求頻率范圍一般為10kHz～1.2MHz，典型值為640kHz，在實(shí)際運(yùn)用中，需要將主機(jī)的脈沖信號(hào)降頻后接入。VREF（+）、VREF（-）：參考電壓輸入線，用于給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)提供正、負(fù)基準(zhǔn)電壓。VCC+5V：電源輸入線。GND：地線。8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)3．ADC0809的工作過程ADC0809的工作過程：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到A/D轉(zhuǎn)換器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入三態(tài)鎖存數(shù)據(jù)輸出緩沖器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，三態(tài)輸出緩沖器打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上，具體時(shí)序如圖8-2所示。圖8-2ADC0809轉(zhuǎn)換工作時(shí)序8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)3．ADC0809的工作過程A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)為數(shù)字量，這些數(shù)據(jù)應(yīng)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換完成，因?yàn)橹挥性诖_認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換完成后，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換完成可采用下述3種方式。1）定時(shí)傳送方式對(duì)一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。假設(shè)ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)間為128μs，相當(dāng)于6MHz的8051單片機(jī)，共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，表明轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送了。2）查詢方式A/D轉(zhuǎn)換器有表明A/D轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式檢測(cè)EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。3）中斷方式把表明A/D轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)3．ADC0809的工作過程中斷方式是指單片機(jī)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)不等待轉(zhuǎn)換結(jié)束而執(zhí)行其他程序。ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC變?yōu)楦唠娖剑珽OC通過反相器向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，單片機(jī)響應(yīng)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字量。中斷方式效率高，特別適合于轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)的A/D轉(zhuǎn)換器。無論使用上述哪種方式，只要一旦確定A/D轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。單片機(jī)首先要輸出與A/D轉(zhuǎn)換器接口的地址，之后開始轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后輸出使能信號(hào)（OE），把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀入。8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)4．ADC0809與單片機(jī)接口圖8-3是ADC0809與8051的典型接口電路圖，其中8路模擬量的變化范圍是0～5V。ADC0809的時(shí)鐘由8051輸出的ALE信號(hào)經(jīng)分頻后提供。因?yàn)锳DC0809的最高時(shí)鐘頻率為640kHz，ALE信號(hào)的頻率是晶振頻率的1/6，如果晶振頻率為6MHz，則ALE的頻率為1MHz，所以ALE信號(hào)要經(jīng)過分頻后送給ADC0809。若單片機(jī)的時(shí)鐘頻率符合要求，則也可不加分頻電路。圖8-3ADC0809與8051的典型接口電路圖8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)4．ADC0809與單片機(jī)接口模擬輸入通道地址由單片機(jī)的P0口的低3位P0.0～P0.2直接提供。由于ADC0809的地址鎖存器具有鎖存功能，所以P0.0～P0.2可以不需要地址鎖存器而直接與ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC連接。8051單片機(jī)通過地址線P2.0和讀/寫信號(hào)線（、）來控制ADC0809的鎖存信號(hào)ALE、啟動(dòng)信號(hào)START、輸出允許信號(hào)OE。鎖存信號(hào)ALE和啟動(dòng)信號(hào)START連接在一起，在鎖存通道地址的同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)P2.0和寫信號(hào)（）同時(shí)為低電平時(shí)，鎖存信號(hào)ALE和啟動(dòng)信號(hào)START有效，通道地址送地址鎖存器鎖存，同時(shí)啟動(dòng)ADC0809，開始轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束而要讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，只要P2.0和讀信號(hào)（）同為低電平，且輸出允許信號(hào)OE有效，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量就通過D0～D7輸出。ADC0809的EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)接8051的外部中斷0（使用中斷方式）；也可采用查詢方式，與任一I/O口連接。8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)4．ADC0809與單片機(jī)接口電路連接主要涉及兩個(gè)問題，一個(gè)是8路模擬信號(hào)的通道選擇，另一個(gè)是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。注意：圖8-3中使用的是線選法，OE由P2.0確定，該ADC0809的通道地址不唯一。若無關(guān)位都取0，則8路通道INO～I(xiàn)N7的地址分別為0000H～0007H；若無關(guān)位都取1，則8路通道INO～I(xiàn)N7的地址分別為FEF0H～FEF7H。當(dāng)然，通道地址也可以由單片機(jī)的其他I/O口線提供，或者由幾根I/O口線經(jīng)過譯碼后提供，這樣，通道的地址也就有所不同。ADDA、ADDB、ADDC分別接地址鎖存器提供的低3位地址，只要把這3位地址寫入ADC0809的地址鎖存器，就可實(shí)現(xiàn)模擬通道選擇。對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)來說，地址鎖存器是一個(gè)輸出口，為了把這3位地址寫入，還要提供對(duì)應(yīng)的外部端口地址。8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)5．ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序舉例接下來舉個(gè)例子，采用查詢方式控制ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，原理電路如圖8-4所示。輸入給ADC0809的模擬電壓可通過調(diào)節(jié)電位器RV1來實(shí)現(xiàn)，ADC0809將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，并通過P1口輸出，控制LED的亮與滅，以此來顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果的二進(jìn)制數(shù)字量。圖8-4單片機(jī)控制ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的原理電路8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)5．ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序舉例ADC0809轉(zhuǎn)換一次約需要100μs，采用查詢方式，即使用P2.6來查詢EOC引腳的電平，判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。如果EOC引腳為高電平，就說明轉(zhuǎn)換結(jié)束，單片機(jī)從P1口讀入轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)結(jié)果，并把結(jié)果從P0口輸出給8個(gè)LED，LED被點(diǎn)亮的位對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換結(jié)果“0”。8.2.1ADC0809及接口設(shè)計(jì)5．ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序舉例在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，必須加基準(zhǔn)電壓，單獨(dú)用高精度穩(wěn)壓電源供給，其電壓變化要小于1LSB，這是保證轉(zhuǎn)換精度的基本條件。否則當(dāng)被轉(zhuǎn)換的輸入電壓不變，而基準(zhǔn)電壓變化大于1LSB時(shí)，也會(huì)引起A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量變化。如果用中斷方式讀取結(jié)果，則可將EOC引腳與單片機(jī)P2.6引腳斷開，EOC引腳接反相器（如74LS04）的輸入，反相器輸出接單片機(jī)外部中斷請(qǐng)求輸入端（INTx引腳），轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。可對(duì)本例接口電路及程序進(jìn)行修改，采用中斷方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。8.2.2ADC0804及接口設(shè)計(jì)ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較式單通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，輸入電壓為0～5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，無須附加邏輯接口電路。ADC0804芯片外引腳圖如圖8-5所示。圖8-5ADC0804芯片外引腳圖8.2.2ADC0804及接口設(shè)計(jì)1．ADC0804引腳功能（1）、、（引腳1、2、3）：數(shù)字控制輸入端，滿足標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平。其中，和用來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)，和用來讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)它們同時(shí)為低電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)鎖存器DB0～DB7各端上出現(xiàn)8位并行二進(jìn)制碼。（2）CLKIN（引腳4）和CLKR（引腳19）：ADC0801～ADC0805片內(nèi)有時(shí)鐘電路，只要在外部CLKI和CLKR兩端外接一對(duì)電阻電容即可產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換所要求的時(shí)鐘，其振蕩頻率為fCLK≈1/(1.1RC)，其典型應(yīng)用參數(shù)為：R=12kΩ，C=120pF，fCLK≈640kHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs。若采用外部時(shí)鐘，則外部fCLK可從CLKI端送入，此時(shí)不接電阻電容對(duì)。ADC0804允許的時(shí)鐘頻率為100～1460kHz。（3）（引腳5）：轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)輸出端，輸出跳轉(zhuǎn)為低電平表示本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可作為微處理器的中斷或查詢信號(hào)。如果將和端與端相連，則ADC0804就處于自動(dòng)循環(huán)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。當(dāng)=0時(shí)，允許進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)由低電平跳變到高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換開始，8位逐次比較需要8×8=64個(gè)時(shí)鐘周期，再加上控制邏輯操作，一次轉(zhuǎn)換需要66～73個(gè)時(shí)鐘周期。在典型應(yīng)用fCLK=640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為103～114μs。當(dāng)fCLK超過640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換精度下降，超過極限值1460kHz時(shí)便不能正常工作。8.2.2ADC0804及接口設(shè)計(jì)1．ADC0804引腳功能（4）VIN（+）（引腳6）和VIN（-）（引腳7）：被轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)從VIN（+）和VIN（-）端輸入，允許此信號(hào)是差動(dòng)的或不共地的電壓信號(hào)。如果輸入電壓VIN的變化范圍為0～Vmax，則芯片的VIN（-）端接地，輸入電壓加到VIN（+）端。由于該芯片允許差動(dòng)輸入，所以在共模輸入電壓允許的情況下，輸入電壓范圍可以從非零開始，即從Vmin至Vmax。此時(shí)芯片的VIN（-）端應(yīng)該接入等于Vmin的恒值電壓，而輸入電壓VIN仍然加到VIN（+）端。（5）AGND（引腳8）和DGND（引腳10）：A/D轉(zhuǎn)換器一般都有這兩個(gè)引腳。模擬地AGND和數(shù)字地DGND分別設(shè)置引入端，使數(shù)字電路的地電流不影響模擬信號(hào)回路，以防止寄生耦合造成的干擾。（6）VREF/2（引腳9）：參考電壓VREF/2可以由外部電路供給，從VREF/2端直接送入，VREF/2端的電壓值應(yīng)是輸入電壓范圍的1/2。因此，輸入電壓的范圍可以通過調(diào)整VREF/2端的電壓加以改變，A/D轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)無須調(diào)整。8.2.2ADC0804及接口設(shè)計(jì)2．ADC0804的工作時(shí)序ADC0804的工作時(shí)序如圖8-6所示。圖8-6ADC0804的工作時(shí)序8.2.2ADC0804及接口設(shè)計(jì)3．ADC0804與單片機(jī)接口電路與ADC0809不同的是，ADC0804有自動(dòng)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，不需要額外的時(shí)鐘輸入，因此電路相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖8-7所示。圖8-7ADC0809與單片機(jī)接口電路圖在圖8-7中，ADC0804數(shù)據(jù)輸出線與AT89C51的數(shù)據(jù)總線直接相連，AT89C51的、和端直接連接于ADC0804的、和，由于這里用P1.0線來產(chǎn)生片選信號(hào)，故無須外加地址譯碼器。當(dāng)AT89C51向ADC0804發(fā)送（啟動(dòng)轉(zhuǎn)換）、（讀取結(jié)果）信號(hào)時(shí)，只要虛擬一個(gè)系統(tǒng)不占用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址即可。8.3

項(xiàng)目訓(xùn)練：數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)8.3.1項(xiàng)目要求用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，要求能實(shí)現(xiàn)0～50V直流電壓的采樣，并通過4位數(shù)碼管將電壓值顯示出來；畫出原理圖，焊接電路，并編程調(diào)試。通過制作數(shù)字電壓表，學(xué)會(huì)A/D轉(zhuǎn)換的接口技術(shù)，了解A/D采樣原理；掌握常用采樣芯片的使用方法與電路設(shè)計(jì)及編程；掌握采樣數(shù)據(jù)與實(shí)際顯示數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。8.3.2項(xiàng)目分析要設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表，首先要選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器，將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這里考慮到只需測(cè)量一路模擬信號(hào)，因此可以選擇用ADC0804。而且它自帶時(shí)鐘產(chǎn)生電路，不需要額外的時(shí)鐘輸入，電路相對(duì)簡(jiǎn)單。任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)最高50V的電壓采樣，但ADC0804的電壓輸入范圍是0～5V，故在輸入端要采取電壓分壓處理。其次要考慮顯示控制部分，前面章節(jié)有用到數(shù)碼管和LCD進(jìn)行顯示，它們有各自的優(yōu)/缺點(diǎn)，數(shù)碼管適用于顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字信息，價(jià)格便宜、使用方便；LCD適用于顯示復(fù)雜的信息，價(jià)格較高、使用相對(duì)復(fù)雜一些。由于本項(xiàng)目只顯示電壓值，因此可選用數(shù)碼管，根據(jù)顯示精度選用4位數(shù)碼管，并采用動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)多位數(shù)字的顯示。8.3.3項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程1．設(shè)計(jì)思路本電路從測(cè)試端輸入0～50V的電壓，經(jīng)91kΩ與10kΩ電阻的分壓，ADC0804輸入電壓Vin（0～5.0V）大約只有測(cè)試端的1/10，經(jīng)過單片機(jī)處理，最后將其顯示在4位7段數(shù)碼管顯示器上。數(shù)據(jù)顯示到小數(shù)點(diǎn)后2位，若最高位數(shù)為0，則不顯示。如果測(cè)試端輸入4.0V的電壓，則顯示“4.00”。2．原理圖設(shè)計(jì)（用Proteus仿真）數(shù)字電壓表的原理圖設(shè)計(jì)主要考慮ADC0804的時(shí)鐘電路，模擬電壓的輸入，以及ADC0804與單片機(jī)的接口。顯示電路采用4位數(shù)碼管顯示，可以參考第3章的電路。ADC0804的時(shí)鐘電路參考芯片手冊(cè)，外接阻容元件參數(shù)為R=10kΩ，C=150pF，此時(shí)的頻率為fCLK≈640kHz，轉(zhuǎn)換速度為100μs。模擬電壓的輸入采用電阻分壓來實(shí)現(xiàn)，為了使輸入電壓可調(diào)，分壓電路的下部分電阻采用電位器代替。ADC0804是并行數(shù)據(jù)輸出口，可以直接與單片機(jī)的P1口連接。采用Proteus仿真的電路如圖8-8所示。8.3.3項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程圖8-8采用Proteus仿真的電路8.3.3項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程3．程序設(shè)計(jì)流程圖因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以單片機(jī)進(jìn)行A/D采樣時(shí)往往采用中斷的方式獲取數(shù)據(jù)。因此，程序可分為兩部分：主程序和中斷服務(wù)程序。主程序?qū)崿F(xiàn)程序的初始化、中斷的使能、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)的處理和顯示，具體的流程如圖8-9（a）所示。中斷服務(wù)程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，按照芯片的工作時(shí)序?qū)ζ溥M(jìn)行控制，如輸出片選信號(hào)、讀使能信號(hào)，之后讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)之后關(guān)閉片選信號(hào)和讀使能信號(hào)。具體的流程如圖8-9（b）所示。8.3.3項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程4．具體程序設(shè)計(jì)（1）A/D轉(zhuǎn)換的控制。A/D轉(zhuǎn)換的控制主要依據(jù)芯片的時(shí)序圖來設(shè)計(jì)，因此，看懂時(shí)序圖是控制芯片工作的前提條件。從時(shí)序圖中可以看出，無論是啟動(dòng)轉(zhuǎn)換還是要讀取數(shù)據(jù)，都需要使片選信號(hào)有效。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束可以通過延時(shí)一定的時(shí)間（>100μs）來判斷，也可以通過中斷來判斷。（2）A/D采樣數(shù)據(jù)與實(shí)際電壓的轉(zhuǎn)換。A/D采樣得到的數(shù)據(jù)只有轉(zhuǎn)換為電壓值才能顯示出來，因此二者的關(guān)系要通過一定的運(yùn)算得到。因?yàn)樵撔酒姆直媛手挥?位，所以可以表示的十進(jìn)制數(shù)是256個(gè)，相當(dāng)于把滿量程電壓（5V）分為256份，每份為5/256V，采樣所得的數(shù)據(jù)乘上每份的值就得到實(shí)際的電壓值。具體的計(jì)算公式如下。8.3.3項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程4．具體程序設(shè)計(jì)設(shè)滿量程電壓為Vref，A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率為k位，A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)值為Ds，則轉(zhuǎn)換得到的電壓值為

通過上面公式計(jì)算出來的值是浮點(diǎn)數(shù)（帶小數(shù)點(diǎn)）。浮點(diǎn)數(shù)占的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間較大，運(yùn)算量較大，因此不適合在單片機(jī)上進(jìn)行運(yùn)算，那么，應(yīng)如何避免用浮點(diǎn)數(shù)呢？假設(shè)需要顯示的數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后2位，則可以把數(shù)據(jù)乘以100，這樣數(shù)據(jù)就變成了整數(shù)，運(yùn)算起來就快得多。需要顯示時(shí)，只需在相應(yīng)的位數(shù)上加上小數(shù)點(diǎn)即可。8.3.3項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程4．具體程序設(shè)計(jì)（3）電壓的顯示。通過計(jì)算得到實(shí)際的電壓值后，需要將其送到數(shù)碼管中進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)被送