单片机模数转换器优秀课件.ppt

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1、单片机课件模数转换器第1页，本讲稿共29页AD转换器接口技术转换器接口技术 模数模数(A(AD)D)转换电路的种类很多，转换电路的种类很多，例如，计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。例如，计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。选择选择A AD D转换器件主要是从速度、精度和价格上转换器件主要是从速度、精度和价格上考虑。考虑。我们主要学习后二种典型我们主要学习后二种典型A AD D电路芯片与电路芯片与80518051单片机的单片机的接口以及程序设计方法。接口以及程序设计方法。逐次逼近法逐次逼近法A AD D转换器，在精度、速度和价格上转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的都适中，是最常

2、用的A AD D转换器件。转换器件。双积分双积分A AD D变换器，具有精度高、抗干扰性好、价格变换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度慢。近年来在微机应用领低廉等优点，但转换速度慢。近年来在微机应用领域中也得到广泛应用。域中也得到广泛应用。第2页，本讲稿共29页一、逐次逼近型一、逐次逼近型AD转换器原理转换器原理 逐次逼近法逐次逼近法AD转换器是一种速转换器是一种速度较快、精度较高的度较快、精度较高的AD转换器，转换器，它是通过最高位它是通过最高位DN1至最低位至最低位D0的的逐次检测来逼近被转换的输入电压。逐次检测来逼近被转换的输入电压。第3页，本讲稿共29页一个一个N位

3、的逐次逼近法位的逐次逼近法AD转转换器的原理图如下所示：换器的原理图如下所示：第4页，本讲稿共29页其转换原理如下：其转换原理如下：l 在启动信号控制下置数控制逻辑电路置在启动信号控制下置数控制逻辑电路置N N位寄存位寄存器最高位器最高位D DN-1N-1为为l l，其余位清，其余位清0 0，N N位寄存器的内容位寄存器的内容经经D DA A转换后得到整个量程转换后得到整个量程半的模拟电压半的模拟电压VnVn，与输入电压与输入电压VxVx比较。比较。l若若VxVxVnVn时，则保留时，则保留D DN-1N-1=1=1，l若若VxVxVnVn时时,则则D DN-1N-1清清0 0。l然后，控制逻

4、辑使寄存器下一位然后，控制逻辑使寄存器下一位D DN-2N-2置置1,1,与上次的结与上次的结果一起经果一起经D DA A转换后与转换后与VxVx比较，重复上述过程比较，重复上述过程,直至判别出直至判别出D0D0取取1 1还是还是0 0为止，此时为止，此时DONEDONE发出发出信号表示转换结束。信号表示转换结束。第5页，本讲稿共29页l这样，经过这样，经过N N次比较后，次比较后，N N位寄存器的状位寄存器的状态就是转换后的数字量，经输出缓冲器态就是转换后的数字量，经输出缓冲器读出。读出。l整个转换过程就是这样对分搜索比较逼整个转换过程就是这样对分搜索比较逼近实现的，其转换速度由时钟频率决定

5、，近实现的，其转换速度由时钟频率决定，一般在几微秒到上百微秒之间。一般在几微秒到上百微秒之间。l例如例如ADC0809，当时钟频率为，当时钟频率为640kHz时，时，转换时间为转换时间为64s。第6页，本讲稿共29页二、双积分二、双积分A AD D转换器原理转换器原理 双积分双积分AD转换器是基于间接转换器是基于间接测量原理，将被测电压值测量原理，将被测电压值Vx转转换成时间常数，由测量时间常数换成时间常数，由测量时间常数得到未知电压值的，得到未知电压值的，第7页，本讲稿共29页其原理见下图所示：其原理见下图所示：第8页，本讲稿共29页l所谓双积分，就是进行一次所谓双积分，就是进行一次AD转换

6、需转换需要二次积分。要二次积分。定时积分：控制门通过电子开关把被测定时积分：控制门通过电子开关把被测电压电压Vx加到积分器的输入端，在固定时加到积分器的输入端，在固定时间间T0内对内对Vx积分，积分输出终值与积分，积分输出终值与Vx成成正比；正比；控制门将电子开关切换到极性与控制门将电子开关切换到极性与Vx相反相反的基准电压的基准电压Vr上，进行反相积分，由于上，进行反相积分，由于基准电压基准电压Vr恒定，所以积分输出将按恒定，所以积分输出将按T0期间积分的值以恒定的斜率下降期间积分的值以恒定的斜率下降(称定值称定值积分积分),由比较器检测积分输出过零时，由比较器检测积分输出过零时，停止积分器

7、工作。停止积分器工作。第9页，本讲稿共29页反相积分的时间反相积分的时间Tx与定值积分的初值与定值积分的初值(即定即定时积分的终值时积分的终值)成比例关系，成比例关系，故可以通过测量反相积分时间故可以通过测量反相积分时间TxTx计算出计算出VxVx，即即 ：Vx=(Tx/T0)Vr Vx=(Tx/T0)Vr反相积分时间反相积分时间T1由计数器对时钟脉冲计数由计数器对时钟脉冲计数得到。得到。第10页，本讲稿共29页下图表示出了两种不同输入电压下图表示出了两种不同输入电压(VxV)的积分情况：的积分情况：显然显然V值小，在值小，在T0定时积分期间积分器输出终值也就小，而下降斜率相同，定时积分期间积

8、分器输出终值也就小，而下降斜率相同，故反相积分时间故反相积分时间T也就小。也就小。第11页，本讲稿共29页l由于双积分方法二次积分时间比较长。所以由于双积分方法二次积分时间比较长。所以A AD D转换速度慢，但精度可以做得比较高；转换速度慢，但精度可以做得比较高；l对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。比较好。l目前国内外双积分目前国内外双积分A/D转换器集成电路芯片很多，大部转换器集成电路芯片很多，大部分是应用于数字测量仪器上。分是应用于数字测量仪器上。l适用单片机接口的有适用单片机接口的有3位半双积分位半双积分AD转换器转换器MC144

9、33(精度相当于精度相当于1l位二进制数位二进制数)和和4位半双积位半双积分分AD转换器转换器ICL7135(精度相当于精度相当于14位二进制数位二进制数)。第12页，本讲稿共29页三、三、AD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 l 1 1分辨率分辨率(Resolution)(Resolution)对于对于ADCADC来说，分辨率表示输出数字量变化一个相来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。邻数码所需输入模拟电压的变化量。转换器的分辨率定义为满刻度电压与转换器的分辨率定义为满刻度电压与2n之比值，其中之比值，其中n为为ADC的位数。的位数。例如：具有例如：具

10、有12位分辨率的位分辨率的ADC能够分辨出满刻度能够分辨出满刻度的的1212或满刻度的或满刻度的0.0245 一个一个10v满刻度的满刻度的12位位ADC能够分辨输入电压变化的能够分辨输入电压变化的最小值为最小值为24mv。第13页，本讲稿共29页2转换速率转换速率(ConversionRate)ADC的转换速率就是能够重复进行数的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次而完成一次A/D转换所需的时间转换所需的时间(包括包括稳定时间稳定时间)是转换速率的倒数。是转换速率的倒数。第14页，本讲稿共29页 3线性度线性度(Linearit

11、y)l 线性度有时又称为非线线性度有时又称为非线性度性度(Non-Linearity)(Non-Linearity)，它是指转换器实际的转它是指转换器实际的转移函数与理想直线的最移函数与理想直线的最大偏移。大偏移。l理想直线可以通过理想理想直线可以通过理想的转移函数的所有点来的转移函数的所有点来描述。描述。lADCADC的线性度如图所示，的线性度如图所示，l其典型值是土其典型值是土1 12LSB2LSB。第15页，本讲稿共29页9.4 MCS-51单片机与单片机与A/D转换器接口转换器接口 一、一、ADC0809 AADC0809 AD D转换芯片转换芯片 ADC0809 ADC0809是是C

12、MOSCMOS工艺、采用逼近法的工艺、采用逼近法的8 8位位A AD D转换芯片，转换芯片，l2828引脚双列直插式封装，片内除引脚双列直插式封装，片内除A AD D转转换部分外还有多路模拟开关部分。换部分外还有多路模拟开关部分。l有有8路模拟量输入端，最多允许路模拟量输入端，最多允许8路模拟路模拟量分时输入，共用一个量分时输入，共用一个AD转换器进行转换器进行转换。转换。第16页，本讲稿共29页ADC0809的内部结构逻辑图的内部结构逻辑图 第17页，本讲稿共29页引脚功能说明引脚功能说明 lIN0IN0IN7IN7：8 8路输入通道的模拟输入端。路输入通道的模拟输入端。lDB0DB0一一D

13、B7DB7：8 8位数字量输出端。位数字量输出端。lSTARTSTART：启动信号。加上正脉冲后，：启动信号。加上正脉冲后，A AD D转换开始进行。转换开始进行。lALEALE：地址锁存信号，高电平时把三：地址锁存信号，高电平时把三个地址信号送入地址锁存器，并经译个地址信号送入地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。拟输入通道。lADDA、ADDB、ADDC：地址线：地址线 第18页，本讲稿共29页lEOCEOC：转换结束信号，是芯片的输出信：转换结束信号，是芯片的输出信号。转换开始后，号。转换开始后，EOCEOC信号变低；转换信号变低；

14、转换结束时。结束时。EOCEOC返回高电平。这个信号可返回高电平。这个信号可以作为以作为A AD D转换器的状态信号来查询。转换器的状态信号来查询。也可以直接用作中断请求信号。也可以直接用作中断请求信号。lOEOE：输出允许控制端。：输出允许控制端。lCLKCLK：时钟信号，最高允许值为：时钟信号，最高允许值为640kHz640kHz。lVref(+)Vref(+)、Vref(-)Vref(-)，：，：A AD D转换器的参考转换器的参考电压。电压。lVccVcc：电源电压。由于是：电源电压。由于是CMOSCMOS芯片，允芯片，允许的电源范围较宽，可从十许的电源范围较宽，可从十5 5 十十15

15、V15V。第19页，本讲稿共29页8位模拟开关的地址输入通道的关系：位模拟开关的地址输入通道的关系：ADDC ADDB ADDA输入通道 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页，本讲稿共29页ADC0809的时序图的时序图:第21页，本讲稿共29页l在在ALE1期间，模拟开关的地址期间，模拟开关的地址(ADDA，ADDB，ADDC)存入地址锁存器；存入地址锁存器；l在在ALEO时，地址锁存。输入启动信号时，地址锁存。输入启动信号START的上升沿复位的上升沿复位ADC

16、0809，它的下降，它的下降沿启动沿启动AD转换。转换。lEOC为输出的转换结束信号，正在转换时为输出的转换结束信号，正在转换时为为“0”，转换结束时为，转换结束时为“1”。lOE为输出允许控制端，在转换完成后用来为输出允许控制端，在转换完成后用来打开输出三态门，以便从打开输出三态门，以便从0809输出这次转输出这次转换结果。换结果。第22页，本讲稿共29页 二、二、ADC0809与与8031接口接口 l ADC0809 ADC0809与与80318031连接可采用查询方式，也可采用中连接可采用查询方式，也可采用中断方式，图为中断方式连接电路图。断方式，图为中断方式连接电路图。l由于由于ADC

17、0809ADC0809片内有三态输出锁存器，因此可直片内有三态输出锁存器，因此可直接与接与803l803l接口。接口。这里将这里将ADC0809作为一个外部扩作为一个外部扩展并行展并行IO口，采用线选法寻址口，采用线选法寻址l由由P27和和WR联合控制启动转换信号端联合控制启动转换信号端(START)和和ALE端，低三位地址线加到端，低三位地址线加到ADC0809的的ADDA、B、C端，端，l所以选中所以选中ADC0809的的IN0通道的地址为通道的地址为7FF8H。第23页，本讲稿共29页中断方式连接电路图中断方式连接电路图第24页，本讲稿共29页l送通道号地址到送通道号地址到ADDAADD

18、A、B B、C C，由，由ALEALE信号锁存通道号地址。信号锁存通道号地址。l让让STARTSTART有效启动有效启动A AD D转换即执行一转换即执行一条条MOVX MOVX DPTRDPTR，A A指令指令,产生产生WRWR信信号，使号，使ALEALE、STARTSTART有效，锁存通道号有效，锁存通道号并启动并启动A AD D转换。转换。lA AD D转换完毕，转换完毕，EOCEOC端发出一正脉冲。端发出一正脉冲。l最后执行最后执行MOVX A，DPTR产生产生RD信信号使号使OE端有效，打开输出锁存器三态门，端有效，打开输出锁存器三态门，8位数据就读入位数据就读入CPU的累加器的累加

19、器A中。中。启动启动ADC0809ADC0809的工作过程的工作过程:第25页，本讲稿共29页软件编程如下：软件编程如下：ORG 0013HAJMPSINT1;ADC:SETBIT1 ;设置外部中设置外部中 断源断源1为边沿触发为边沿触发SETB EX1 ;允许允许INT1中断中断SETB EA ;开放总中断开放总中断MOVDPTR,#7FF8H ;选中选中0通道通道MOVX DPTR,A ;启动启动ADC0809 SJMP$;第26页，本讲稿共29页中断服务程序：中断服务程序：SINT1:MOVDPTR,7FF8H ;读一次读一次A/D转换结果转换结果MOVX A;DPTR;MOV50H,A

20、;存入内部存入内部 RAM 50H中中CLREX1;关中断关中断RETI;中断返回中断返回第27页，本讲稿共29页MCS-51与与8051的另外一种接口方式：的另外一种接口方式：第28页，本讲稿共29页采用查询方式，软件编程如下：采用查询方式，软件编程如下：ADC:MOV DPTR,#7FFFH;选中选中ADC0809MOVA,#00H;选选0通道通道MOVX DPTR,A;启动启动SETBP3.3;置置P3.3为输入口为输入口NOP;JNBP3.3,$;等待等待A/D转换结束转换结束MOVX A,DPTR;读转换结果读转换结果MOV50H,A;存入内部存入内部RAM中中 第29页，本讲稿共29页