12位AD转换器与单片机地接口电路设计.pdf

课程设计任务书2012/2013 学年第1学期学学院院：电子与计算机科学技术学院专专业业：学学生生姓姓名名：课程设计题目课程设计题目：学学 号：号：12 位 A/D 转换器与单片机的接口电路设计起起迄迄日日期期:课课 程程 设设 计计 地地 点点:指指导导教教师师:系系主主任任：下达任务书日期:2012 年 12 月 19 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；2学习简单电路系统设计，掌握 Protel99 的使用方法；3掌握 8051 单片机、12 位 A/D 芯片 AD574 的应用；4学习掌握硬件电路设计的全过程。2设计容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1学习掌握 8051 单片机的工作原理及应用；2.学习掌握 12 位 A/D 芯片 AD574 的工作原理及应用；2.设计基于 AD574 的 12 位模拟信号采集器的工作原理图及 PCB 版图；3.整理设计容，编写设计说明书。4.Protues 仿真。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1该设计理论上可以实现某种功能。2本课程设计说明书。3硬件原理图及 PCB 图。课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书4主要参考文献：童诗白模拟电子技术基础：高等教育，2002 建华数字电子技术：机械工业，2004 汝全电子技术常用器件应用手册：机械工业，2005 毕满清电子技术实验与课程设计：机械工业，2005 永雄电子线路 CAD 实用教程：电子科技大学，2002 亚华电子电路计算机辅助分析和辅助设计：航空工业，20045设计成果形式及要求：提交容：课程设计说明书（原理设计、PCB 制作过程要在设计说明书详细说明）。基本要求：设计的原理图满足任务书的设计要求。6工作计划及进度：2012 年 12 月 19 日 12 月 24 日查阅资料，熟悉任务要求，理解设计原理2012 年 12 月 25 日 12 月 27 日方案设计2012 年 12 月 28 日 12 月 31 日电路原理图，PCB 图2013 年 01 月 01 日 01 月 13 日电路仿真2013 年 01 月 14 日 01 月 15 日整理设计说明书2013 年 01 月 16 日设计答辩与考核系主任审查意见：签字：第一章第二章第三章年月日目录设计任务及功能要求.51.1摘要51.2设计课题及任务51.3功能要求及说明.5硬件设计.62.1系统设计元器件功能说明72.2硬件电路总体及部分设计10软件设计.123.1基本原理容设计123.2keil 编程调试.133.3proteus 仿真电路图.19第三章结果分析及总结.19附录.20第一章设计任务及功能要求1.1 摘要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入，单片机对我们的生活影响越来越大，很多工业领域中都用到单片机，日常生活中我们也离不开单片机的应用。当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会，随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。A/D 和 D/A 转换器作为模拟和数字电路的借口，正受到日益广泛的关注。随着数字技术的飞速发展，人们对 A/D 和 D/A转换器的要求也越来越高，新型模拟/数字和数字/模拟之间的转换技术不断涌现，正是因为这些，高集成度的逻辑器件应运而生，而且发展迅速，它不断地更新换代以满足程序的要求，并尽可能的提高其利用率。本课程设计就对其中 AD574 模数转换器在微机数据采集系统中的应用加以阐述。关键字：AD574 转换器，80c51 单片机，LED 数码显示，串行输出1.2设计课题及任务1掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；2学习简单电路系统设计，掌握 Protel99 的使用方法；3掌握 8051 单片机、12 位 A/D 芯片 AD574 的应用；4学习掌握硬件电路设计的全过程。1.3功能要求及说明硬件设计2.1系统设计元器件功能说明1学习掌握 8051 单片机的工作原理及应用；2.学习掌握 12 位 A/D 芯片 AD574 的工作原理及应用；3.设计基于 AD574 的 12 位模拟信号采集器的工作原理图及 PCB 版图；4.整理设计容，编写设计说明书。5.Protues 仿真。第二章12 位 AD574 功能及引脚说明AD574A 是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速 12 位逐次比较型A/D 转换器，置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的 A/D 转换器，其主要功能特性如下：分辨率：12 位非线性误差：小于1/2LBS 或1LBS转换速率：25us模拟电压输入围：010V 和 020V，05V 和 010V 两档四种电源电压：15V 和 5V数据输出格式：12 位/8 位芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式AD574A 的引脚说明：1.Pin1(+V)+5V 电源输入端。2.Pin2()数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是 12 位或 8 位输出。3.Pin3()片选端。4.Pin4(A0)字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，端 TTL 电平不能直接+5V 或 0V连接。5.Pin5()读转换数据控制端。6.Pin6(CE)使能端。现在我们来讨论 AD574A 的 CE、和 A0 对其工作状态的控制过程。在CE=1、=0 同时满足时，AD574A 才会正常工作，在AD574 处于工作状态时，当=0 时 A/D 转换，当=1 是进行数据读出。和 A0 端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0-0 时，启动的是按完整 12 位数据方式进行的。当 A0=1 时，按 8 位 A/D 转换方式进行。当=1，也即当 AD574A 处于数据状态时，A0 和控制数据输出状态的格式。当=1 时，数据以 12 位并行输出，当=0 时，数据以 8 位分两次输出。而当 A0=0 时，输出转换数据的高 8 位，A0=1 时输出 A/D 转换数据的低 4 位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。其控制逻辑真值表见表 1。7.Pin7(V+)正电源输入端，输入+15V 电源。8.Pin8(REF OUT)10V基准电源电压输出端。9.Pin9(AGND)模拟地端。10.Pin10(REF IN)基准电源电压输入端。11.Pin(V-)负电源输入端，输入-15V 电源。12.Pin1(V+)正电源输入端，输入+15V 电源。13.Pin13(10V IN)10V量程模拟电压输入端。14.Pin14(20V IN)20V量程模拟电压输入端。15.Pin15(DGND)数字地端。16.Pin16Pin27(DB0DB11)12 条数据总线。通过这 12 条数据总线向外输出 A/D 转换数据。17.Pin28(STS)工作状态指示信号端，当 STS=1 时，表示转换器正处于转换状态，当 STS=0 时，声明 A/D 转换结束，通过此信号可以判别 A/D 转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。AD574A 的工作模式：以上我们所述的是AD574A 的全控状态，如果需 AD574A工作于单一模式，只需将 CE、端接至+5V电源端，和 A0 接至 0V，仅用端来控制A/D 转换的启动和数据输出。当=0 时，启动 A/D 转换器，经 25us 后 STS=1，表明 A/D 转换结束，此时将置1，即可从数据端读取数据。AD574AAD574A 控制端标志意义控制端标志意义CE0 x11111X100000XX00111XXXX接+5V接 0V接 0VA0XX01X01工作状态禁止禁止启动 12 位转换启动 8 位转换12 位并行输出有效高 8 位并行输出有效低 4 位并行输出有效74LS373八 D 锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性)简要说明:373 为三 态 输 出 的 八D透 明 锁 存 器,共 有54/74S373和54/74LS373 两种线路 结构型式，其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别):型号tpdPd54S373/74S3737ns54LS373/74LS37317ns525mW12.mW373 的输出端 O0O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总 线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但 锁存器部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在 已建立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。引出端符号：D0D7 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端 O0O7 输出端外部管腿图：逻辑图：真值表：极限值:电源电压.7V 输入电压54/74S373 .5.5V54/74LS373.7V 输出高阻态时高电平 电 压 .5.5V工 作 环 境 温 度54XXX .-55125 74XXX .070 存 储 温度.-65150推荐工作条件：54/74S37354LS373/74LS373最小额定54电源电压 Vcc744.54.7555最大5.55.25最小4.54.75额定55最大5.55.25单位输入高电平电压 ViH54输 入 低 电 平 电 压7454输 出 高 电 平 电 流7454输 出 低 电 平 电 流7420.820.7VVViL0.80.8-2-6.5-1-2.6mAIOH20201224mAIOL2.2 硬件电路总体及部分设计输入模拟量1AD57480C5174LS373显示输出模拟输入量2AD574模 拟 输 入 变量图 2.2.1单片机的部晶振图 2.2.2数码管显示图 2.2.374373 的接口设计图 2.2.4AD574 接口图第三章软件设计3.1硬件电路总体及部分设计AD574A 的接口电路8051 单片机与 AD574A 的接口电路，其中还使用了三态锁存器 74LS373 和 74LS00 与非门电路，逻辑控制信号由(、和 A0)有 8051 的数据口 P0 发出，并由三态锁存器 74LS373锁存到输出端 Q0、Q1 和 Q2 上，用于控制 AD574A 的工作过程。AD 转换器的数据输出也通过 P0 数据总线连至8051，由于我们只使用了 8 位数据口，12 位数据分两次读进 8051，所以接地。当 8051 的 p3.0 查询到 STS 端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051，然后再将低 4 位读进 8051。这里不管 AD574A 是处在启动、转换和输出结果，使能端 CE 都必须为 1，因此将 8051 的写控制线和读控制线通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE 相连开始发送启动转换信号A/D 转换完?Delay(10)依次读取 12 位 A/D 数据数据计算写入对应的数据结束3.2Keil 编程#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit ADout=P10;sbit ADin=P11;sbit CS=P12;sbit CLK=P13;sbit EOC=P14;sbit LE=P16;sbit LE2=P17;ucharduan=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x7c;uchar D=0,wei=0 xfe,0 xfd,0 xfb,0 xf7,0 xdf,0 xef;float k,z;uint n;/延时子函数void delay(uint us)/数码管显示子函数uchar i;for(i=0;ius;i+)_nop_();void display(uint AD)uchar q,b,s,g;/千位、百位、十位、个位q=AD/1000;b=AD/100%10;s=AD/10%10;g=AD%10;P0=0 xff;LE1=1;P0=wei0;LE1=0;LE2=1;P0=duanq;LE2=0;delay(10);P0=0 xff;LE1=1;P0=wei1;LE1=0;LE2=1;P0=duanb;LE2=0;delay(10);P0=0 xff;LE1=1;P0=wei2;LE1=0;LE2=1;P0=duans;LE2=0;delay(10);P0=0 xff;LE1=1;P0=wei3;LE1=0;LE2=1;P0=duang;LE2=0;delay(10);/TLC2543 转换和读取子函数，只转换了三路模拟电压信号。uint readAD(uchar port)uchar ch,i,j;uint ad;ch=port;for(j=0;j3;j+)ad=0;ch=port;EOC=1;CS=1;CS=0;CLK=0;for(i=0;i12;i+)if(ADout)ad|=0 x01;ADin=(bit)(ch&0 x80);CLK=1;CLK=0;ch=1;ad=1;return(ad);/主函数void main()while(1)n=readAD(0 x00);k=readAD(0 x10);z=readAD(0 x20);display(n);/display(k);/display(z);/转换和读取数值/得到通道 0 的数值/得到通道 1 的数值/得到通道 2 的数值/显示一路3.3proteus 仿真Proteus 仿真图及其 pcb 板见附录。第四章结果分析及总结ADC 转换结果单次转换结果如下ADC=Vin*(212-1)/Vref其中Vin 是输入的模拟电压Vref是标准基准电压为 5v(注：12 位 AD 最大输出量为 4094)当输入 Vin=2.5v 时，ADC=2047，验证了仿真的正确性总结通过此次课程设计，是我学习到了很多课外知识：（1）了解了单片机 80c51 的基本使用过程及其原理。（2）学会了 proteus 仿真软件的使用方法。（3）学会了 keil 与 proteus 联合调试分析方法。（4）学会制作简单的 pcb 板及相关软件的使用。（5）掌握了 AD574，TLC2543，74373 芯片的原理功能及其应用电路。（6）明白了 A/D 转换的原理过程。附录串行AD转换器TLC2543原理及应用志东，增华(1商学院，抗州310035；2港务局电力供应套司，066012)摘要：介绍了一种多通道高精度串行AD转换器TLC2543的主要特点、工作原理和实际应用。关键词：AD转换器；SPI中图分类号：TN792 文献标识码：B 文章编号：1001-1390(2001)03-004004The principle and applications of the serial AD converter TLC2543Pan Zhidong，Liu Zenghua(1Hangzhou Commerleal College，Hangzhou 3 10035，China；2Power Supplies Company of Qinhuaugd80 Pml Bureau，Hebei Qinhuangdao 06601 2，China)Abstract：This paper introduces the features，the operating principle and the applications ofTLC2543 which is a multi-channel and hish accuracy serial AD eonveerKey words：AD eonveer；SP10 引言TLC2543是lrJ公司生产的一种l2位开关电容逐次逼近AD转换器，芯片共有11个模拟输入通道。芯片的三个控制端：串行三态输出数据端(DATA OUTPUT)、输入数据端(DATA INPUT)、输入时钟(IO CLOCK)能形成与微处理器之间数据传输较快和较为有效的串行外设接口一SPI。片具有一个l4通道多路选择器用于在11个模拟输入通道和3个部自测试(SELFTEST)电压中任选一个，可通过对其8位部控制寄存器进行编程完成通道的选择，并可对输出结果的位数、MSBLSB导前和极性进行选择。1 TLC2543性能特点(1)12位分辨率。(2)11个模拟输入通道。(3)线性误差1LSB MAX(4)输出数据单极性或双极性、数据长短、MSB或LSB前导可编程。(5)正常温度围10Ws转换时间。(6)自动采样与保持。(7)片系统时钟。(8)三种置自测试方式(9)转换结束信号EOC。2 引脚及功能TLC2543的引脚如图1所示，其功能如下AIN0AIN10：1 1个模拟量输入；西：片选端，负电平有效；DATA INPUT：数据输入端；DATA OUTPUT：数据输出端；I0 CLOCK：输入出时钟端；VCC：正电源；GND：地,EOC：转换结束端；REF+：正基准电压端，通常接Vcc；REF一：负基准电压端，通常接GND3 工作原理31 部控制寄存器部控制寄存器有8位，其结构格式如表1所示。部控制寄存器的设定数据为高位导前，部控制寄存器各个位的基本功能如下：D7D4：作为片14个通道多路选择器的控制位用于1 1路模拟量和3个校准电压的选择以及掉电模式的设定。D3、D2：用于转换后数据串行输出位数的选择，共有三位数可供选择：8位(精度较低，方便单字节串行数据传输)、12位(标准位数)、16位(低四位为零，便于16位串行数据传输)。D1：为 0时表示输出数据的最大位导前，为 1时表示最小位导前。DO：为 0时表示输出数据是单极性(无符号二进制)，为 1时表示双极性(有符号二进制)。32 采样过程转换的工作包括二个周期：IO周期和转换周期(conv)。IO周期完成对部控制寄存器的置数和在DATA OUTPUT端数据的输出；转换周期是由IO时钟同步的部时钟来控制。在转换周期开始时，EOC输出变低；当转换完成时变高，输出数据寄存器锁存。上电后，cS的电平必须从高到低以开始一次IO周期。部控制寄存器被置为零，并且EOC为低电平。为了对芯片初始化，孺被转为高再到低以开始下一次IO周期。第一次转换结果可能不准确，应忽略。在采样周期中，当对部控制寄存器进行设定、模拟信号通道确定后，芯片即开始对选定的输人信号进行采样。采样开始于VO时钟的第四个下降沿。保持采样方式直到第8、12或16个IO CLOCK下降沿，当然这取决于对部控制寄存器有关数据长度的设定。从最后一个I0 CLO CK下降沿到EOC的延迟时间之后，EOC输出端变低表示采样周期已结束，而转换周期开始。在EOC变低后，所选通的拟信号端的变化不会影响转换的结果。转换结束后，EOC信号再次变高，转换结果被存人输出数据寄存器。EOC的上升沿使转换器返回到复位状态，以便开始新的转换周期。若在转换中 S为无效(即高电平)，则当cS为下降沿，转换数据的第一位即在DATA OUTPUT端，如图2所示：若在转换过程中cs有效(即低电平)，在EOC的上升沿，当cs为低，则转换数据的第一位即出现在DATA Ou rPuT管脚上，如图3所示。3,3 掉电方式在掉电方式时，芯片部处于低电流待机状态。当一个“lll0”二进制通道选择地址数在前四个IOCLOCK周期置人输入数据寄存器时，就选择了掉电方式，在第四个IO CLOCK下降沿时被激活。这时芯片不进行转换工作，而是在输出数据寄存器中保持上次转换结果，直到一个非“11 10”的通道选择地址数被置人输人数据寄存器，即选通一个有效的通道时，芯片进入新的AD转换的周期中。童诗白模拟电子技术基础：高等教育，2002 建华数字电子技术：机械工业，2004 汝全电子技术常用器件应用手册：机械工业，2005 毕满清电子技术实验与课程设计：机械工业，2005 永雄电子线路 CAD 实用教程：电子科技大学，2002 亚华电子电路计算机辅助分析和辅助设计：航空工业，2004