快速AD转换器原理研究与设计.doc

存档日期： 存档编号： 徐 州 师 范 大 学毕业设计报告题 目： 快速A/D转换器原理研究与设计 子 课 题： 快速A/D转换器电路设计 学 号： 姓 名： 院 系： 计算机科学与技术学院 专业、年级、班组： 计算机科学与技术专业（计算机应用） 指 导 教 师： 徐州师范大学教务处印制徐州师范大学计算机学院学士学位毕业设计报告原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计报告快速A/D转换器原理研究与设计快速A/D转换器电路设计是本人在导师指导下，在徐州师范大学计算机学院学习期间，进行毕业设计时取得的成果。本人知道，除文中已经标明引用的内容外，本毕业设计报告不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。班级： 学号： 学生签名： 2011 年 05 月 23 日快速A/D转换器原理研究与设计快速A/D转换器电路设计摘 要： 由于数字电子技术的迅速发展，尤其是数字计算和信号处理技术在医疗成像、仪器仪表、通讯等领域的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况日益普遍。所以模拟信号数字化是信息技术的发展趋势，本项目通过研究A/D转换器的工作原理，设计出快速A/D转换器。报告首先介绍了ADC的应用、技术前景和分类，对ADC的主要术语、参数进行了介绍和评述。同时，本报告在阐述不同结构模数转换器优缺点的基础上，叙述了将双积分结构的ADC作为研究对象的理由。设计报告分析了基本双积分结构ADC的工作原理之后，对本设计的各个模块进行了分析和设计。在模拟部分，利用三极管取代逻辑开关；在数字方面，A/D转换的精度由计数器位数确定，所以可以轻松做出16位A/D转换器；同时，整个系统对电源电压要求很低，不要求电源的高精度，只要其有足够的稳定性即可。在此基础上介绍了电路的应用及简单测试结果并得出了结论。 关键词： 模数转换器；双积分；运算放大器 Research and Design of Fast Analog-to-Digital Converter Circuit DesignAbstract: With the high-speed development of digital technology, especially the increasing use of digital computing and signal processing technology in applications such as medical imaging instrumentation and telecommunications, it is becoming more and more popular to deal with analog signal with digital circuits. So digitalizing analog signal is the trend of information technology. Based on studying the way ADC works, we designed a fast A/D converter.Firstly, this report states the main terms, parameters of ADC as well as introducing function, classification and technical prospect of ADC in the future. The reasons why we choose the duel-slope ADC were described on the basis of explaining both advantages and disadvantages of different ADC. This report analyzes the working principle of a basic duel-slope ADC before the analysis and design of the modules. As with analog part, the on and off of a triode is used to replace the logical switch. While in the digital part, the accuracy of the converter is determined by the bits of the counter, and this makes it possible to design a 16-bit ADC. The whole system requirements low voltage supply, especially in accuracy, all that is needed is just a stable voltage. The author finishes the application notes and the test result. Finally the conclusion comes out. Keywords: analog-to-digital converter; duel-slope; operational amplifier目 录第1章 绪 论11.1 ADC现状概述11.1.1 ADC的应用11.1.2 ADC的分类11.2本设计研究内容及主要贡献11.2.1本设计的主要工作模块11.2.2本文所做的工作2第2章 双积分型ADC的知识简介32.1 ADC相关术语32.2模拟部分主要元件介绍42.2.1电源模块主要芯片42.2.2模拟信号处理模块相关芯片42.3双积分型ADC5第3章 模拟部分电路设计73.1电源模块电路实现73.2模拟部分设计73.2.1运放的性能参数73.2.2运放性能对系统的影响83.2.3积分器工作原理93.2.4比较器工作原理103.3本章小结11第4章 数字部分设计124.1单片机STC12C5410AD124.1.1 STC12C5410AD概述124.1.2 STC12C5410AD中断优先级134.1.3 STC12C5410AD的定时器与UART串口134.1.4 STC12C5410AD的内部/外部工作时钟144.1.5 STC12C5410AD的I/O口结构154.2 LED驱动芯片CH423154.2.1 CH423芯片概述154.2.2 CH423驱动LED164.3键盘控制模块174.4本章小结18第5章 ADC功能测试195.1键盘模块测试195.2显示程序215.3本章小结24第6章 总结与展望256.1总结256.2展望25毕业设计体会26致 谢27参考文献28英文翻译资料2933第1章 绪 论1.1 ADC现状概述1.1.1 ADC的应用ADC的功能就是将模拟信号转换成数字信号。随着计算机技术、通信技术和微电子技术的高速发展，信息技术已渗透到军事、民用领域的各个角落。高速、高分辨率ADC已经成为现代先进的电子设备或电子系统中不可或缺的重要组成部分，广泛应用于雷达、声纳、高分辨率视频和图像显示、军事和医疗成像、高性能的控制器与传感器、数字化仪表、各种检测控制系统以及包括无线电话和基站接收机在内的数字通讯系统等领域 1,2。近年来，随着工艺水平的提高和数字信号处理技术的推广，ADC的种类也骤然增多。各类之间彼此互相取长补短，衍生出形式各样的ADC，满足各个领域从中低频到高频的需求，比如：1) 高速度高精度的ADC应用在雷达系统、医疗领域、光波侦测及定位、无线收发器等要求测量精度较高的领域；2) 高速多路采样的ADC应用在3G/3.5G等领域，以便系统能够对更宽的带宽进行采样，从而缓解无线数字业务不断增加的吞吐量和可靠性要求的压力；3) 低功耗小尺寸低成本的ADC应用在便携设备中，这种ADC对功耗和尺寸的要求更加严格。1.1.2 ADC的分类按照不同的标准，ADC有多种分类方法：按ADC的采样频率可将其划分为：奈奎斯特(Nyquist)采样型ADC和过采样型ADC(Over Sampled ADC)3。其中奈奎斯特采样型又可细分为高速ADC、中速ADC和低速ADC4；按ADC的性能可将其划分为：高速ADC和高精度ADC；按ADC的结构可将其划分为：串行ADC、并行ADC和串并行ADC。目前，市场上常用的ADC主要有双积分型(Dual Slope-ADC)、逐次逼近型(SAR-ADC即Successive Approximation Register ADC)、并行(Flash-ADC包括全并行、闪烁型和折叠插入型)、流水线型(Pipelined-ADC)和过采样型(即-型ADC)5。各种结构ADC有各自不同的特点与用途6,7：1)双积分型ADC精度高功耗低价格优，多用于数字仪表、传感器等测量领域；2)逐次逼近型ADC转换成本低转换时间确定，多用于无线传感网络、生物测定学、工业控制以及便携设备中；3)并行ADC是实现方法最直接的模数转换器类型，具有结构简单、速度快、延迟小等优点，多用于接收机、雷达；4)流水线型ADC的特点是速度快、精度高，多用于视频设备、高速数据采集和无线通信领域；5)过采样型ADC精度最高信噪比较高，同时还具有低成本的优点，多用在音频设备、多媒体和地震勘测中5。1.2本设计研究内容及主要贡献1.2.1本设计的主要工作模块在以上列举的五类ADC中，双积分型ADC的应用非常广泛，且具有高精度、低功耗、价格低廉等优点，所以本设计采用双积分型。它主要由模拟信号处理模块、数字信号处理模块、电源模块、键盘控制和数字显示模块构成。通过两次积分将输入的模拟信号转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时，利用单片机中断处理程序控制其定时器进行计数，从而实现A/D转换。1.2.2本文所做的工作本文主要分析了本设计（即双积分型ADC）的实现原理。包括模拟信号处理电路、数字信号处理电路、电源电路、键盘控制单元和LED显示单元的工作过程。其中，模拟信号处理部分的电路设计决定着整个ADC设计的成败，是本设计的重点内容。报告还包含章节具体如下：第二章主要介绍ADC领域的常用术语和双积分型ADC中模拟信号处理部分所用的放大器、积分器、比较器等元件。第三章重点分析模拟信号处理模块的设计思想与电路结构，附带介绍电源模块。第四章将要介绍数字信号处理模块、键盘控制及显示模块的工作原理，同时还包含主要芯片的简介。第五章给出本设计的部分测试结果，并对测试结果进行分析说明。第六章会对本设计所做的工作进行总结和展望，找出设计中的不足之处，以期改进。第2章 双积分型ADC的知识简介2.1 ADC相关术语ADC在日常生活中的应用非常广泛，但人们对它们的了解却不是很多，本小节将简单介绍部分常用术语8,9。1) 位Bit“位”是指二进制的一位，通常N位ADC指转换结果为N位二进制数。2) 分辨率ResolutionADC在转换中所能分辨的最小量，习惯上用转换结果的位数表示。例如：称12位ADC具有12位分辨率。分辨率有时也用最低有效位LSB（Least Significant Bit）的步长来表示，例如：把12位ADC的分辨率说成1/212或1/4096。3) 最低有效位（LSB）二进制数中权最小的位。在N位二进制数中，1LSB对应的模拟输入量是满度范围（通常等于参考电压Vref）的1/2，也就是量化单位。在某些场合常把1LSB对应的模拟输入量简称1LSB。4) 精度Accuracy产生各输出代码所需的模拟量（严格地说指该代码中点值）的实际值与理论值之差的最大值称为精度。精度是增益误差、积分线性误差、微分线性误差等综合因素引起的总误差，可以用LSB的倍率表示，也可以用相对于满刻度范围的百分比表示。一般来说分辨率高的ADC精度也比较高，但精度高的分辨率未必高。精度是指转换器实际值与理论值之间的偏差，而分辨率是指对相邻数值加以区分的能力。有时候对信号处理的精度要求并不高，但需要所处理的信号动态范围很宽，那么一种分辨率高而精度不很高的ADC是比较合适的，因为它的价格比高分辨率高精度的ADC低很多。5) 转换时间和转换速率Conversion time and conversion rateADC完成一次转换所需要的时间称为转换时间（模数转换从启动到结束所用的时间）。对于大多数ADC来说，转换时间的倒数即为转换速率。6) 满度范围Full-scall range又称量程、输入范围、输入量程，均指模拟输入量的最大允许值与最小允许值之差，英文缩写为FSR。7) 量化误差Quantization error又称量化不确定度，是模拟输入量在量化取整过程中所引起的误差。它是ADC固有的，大小与分辨率直接相关，通常为1/2LSB模拟输入量。8) 量化噪声Quantization noise当ADC输入一个线性增加的模拟电压时，其输出的数字量是一个逐步增长的阶梯。如果用一个理想数模转换器（DAC）把输出的数字量恢复成模拟电压，这个模拟电压与ADC的模拟输入电压之间存在误差电压，该误差电压有效值即为量化噪声。9) 增益误差Gain error实际ADC在量程内的最后一次变迁与第一次变迁对应的模拟输入量之差与理想值之间的偏差，通常用该偏差值相对于满度范围的百分比表示，也常用LSB的倍率表示。增益误差也可以定义为模数转换特性曲线的实际斜率与理想斜率之间的偏差。多数ADC可以通过外部电路的调整，使增益误差减小到接近零。10) 微分线性误差Differential Nonlinearity error（DNL）ADC的实际代码宽度与理想代码宽度之间的最大偏差称为微分线性误差，常简称为微分非线性，以LSB为单位。11) 积分线性误差Integral Nonlinearity error（INL）常简称为积分非线性。理想的模数转换曲线的代码中点的连线是一条直线，实际模数转换曲线的代码中点与这条直线之间的最大偏差就是积分线性误差。12) 信噪比Signal to Noise Ratio（SNR）指ADC输出端的信号与噪声之比，通常用dB表示，记作S/N或SNR。其中信号指基波分量的有效值，噪声指奈奎斯特频率下全部非基波分量，但不包括直流分量的总有效值。对于理想ADC来说，噪声主要来自量化噪声，对于正弦输入信号，信噪比的理论值为：其中N为ADC的位数。2.2模拟部分主要元件介绍对模拟信号处理是ADC能否达到性能优良的关键，也是本设计的重点，对其中用到的电子元件要求也比较高。下面简要介绍此部分所用到的主要元件：2.2.1电源模块主要芯片1) LM7808+8V输出三端稳压器10LM7808三端集成稳压器内部有过热、过流保护电路，外围元件少，性能优良、体积小、价格低，故在很多电路中广泛应用，此处用于输出+8V电压。其引脚定义如表2.1。表2.1 LM7808引脚定义 序号引脚名功能1Input输入2GND接地3Output输出2) MD7150正电压型电压稳压电路11MD7150是使用CMOS 技术开发的低压差，高精度输出电压，超低功耗电流的正电压型稳压电路。由于内置有低通态电阻晶体管，因而输入输出压差低。同时具有高输入电压承受能力，最高工作电压可达15V。在电源模块中它用于输出+5V电压，并起到稳压作用，引脚定义如表2.2。表2.2 MD7150引脚定义序号引脚名功能1GND接地2VIN输入3VOUT输出2.2.2模拟信号处理模块相关芯片1) LM324四运算放大器12LM324系列器件为物美价廉的带有真差动输入的四运算放大器。电源电压范围宽，静态功耗小，价格低廉，可单电源使用。LM324可以工作在低到3.0V或者高到32V的电源下。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。LM324的引脚定义见表2.3。表2.3 LM324引脚定义序号引脚名功能1outA输出2inA-反相输入3inA+同相输入4VCC正电源5InB+同相输入6InB-反相输入7outB输出8OutC输出9inC-反相输入10inC+同相输入11GND，VEE接地或负电源12InD+同相输入13InD-反相输入14outD输出本设计中，LM324的四个运算放大器各自独立使用，其具体功能将在后文介绍。2) OP07运算放大器13OP07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性高精度运算放大器集成电路。它具有非常低的输入失调电压，所以在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07适用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大。所以，在模拟信号处理电路中选用OP07来放大输入信号量，其引脚定义见表2.4。表2.4 OP07引脚定义序号引脚名功能1、8OA1 、OA2或Offset Null 1、 Offset Null 2调零端，偏置平衡2IN-，Inverting Input反相输入3IN+，Non-inverting Input同相输入4V-，VCC-接地或负电源5NC，N.C空脚6OUT，Output输出7V+，VCC+正电源2.3双积分型ADC图2.1 双积分ADC的基本结构框图14如图2.1所示，双积分ADC的工作原理如下：开始 Vint等于0，输入被采样并保持（V*in是正的）。复位正积分器，对一个正电压进行积分直到它的输出等于比较器的阈值电压Vth。接着闭合开关1，V*in在NREF个时钟周期内进行积分。图2.2给出了转换过程。可以看到Vint处的电压斜率和V*in的幅度成比例。在t=t1时电压Vint(t1)的值为：其中，T是时钟周期。在NREF计数结束时，计数器的进位输出被送到开关2，并使VREF被送到积分器。因为VREF是个常数，所以积分器开始按照固定的斜率进行负积分。当Vint (t)小于Vth时，计数器停止计数，二进制数被转换成码字。这可以通过分析Vint (t)等于Vth来验证。在t 1+ t2时积分器的电压为：将式（2-2）代入式（2-3）得： 故Nout为：图2.2 双积分型ADC的转换过程可见Nout是NREF的一部分，它与V*in和VREF的比值有关，而与比较器的阈值电压、积分器的斜率或时钟速率无关。第3章 模拟部分电路设计此处主要包括电源模块和模拟信号处理模块，电源电路是想要得到比较稳定的低压电源，而模拟信号处理电路是对输入信号进行处理，经过放大、积分比较等将模拟信号量转化成对应成正比例的时间间隔。 3.1电源模块电路实现图3.1 电源模块结构框图如图3.1所示，从插座J1流入的220V市电经LM7808降压电路处理后转变成+8V直流电，再经由MD7150稳压电路稳压，我们就得到整个系统工作所需要的稳定的+5V电源电压。3.2模拟部分设计双积分模数转换器系统的基本组成单元是运算放大器，它构成系统的关键部分放大器、积分器和比较器。下面将对运放作以简要的讨论。3.2.1运放的性能参数本文中所涉及的运放运用于放大器、积分器和比较器等模块，设计该系统时往往只需要满足其中的几个指标就足够了，因此现在简要介绍运放的部分性能参数15,16。1) 增益Gain运放的开环增益确定了使用运放的反馈系统的精度。所要求的增益根据应用可以有四个数量级的变化。如果综合考虑速度与输出电压摆幅这一类参数，则必须知道所需要的最小增益。2) 单位增益带宽Unite Gain Bandwidth运放的高频特性在许多应用中起重要作用。当频率增加时，开环增益开始下降，当输出端电压增益下降3dB所对应的信号频率称作单位增益带宽。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。3) 共模抑制比CMRR共模抑制比被定义为运放的差模增益与共模增益的比值。因为使用运放的目的就是抑制共模输出，放大差模输出。所以共模抑制比应越大越好。3.2.2运放性能对系统的影响1) 运放带宽对系统的影响：放大器的输出直接连接到积分器的输入，所以它的误差就直接反映到数字输出的误差；另外，对于放大器来讲，它的主要作用是放大和传递输入信号，在开关突然导通时要及时在可以接受的误差范围内将输入信号传递到积分器的输入端。系统工作的时钟周期是80s，因此对放大器的要求是它的阶跃响应在40s(即半个时钟周期)内达到误差允许范围。将放大器中的运放等效为一阶传递函数，即：则根据反馈原理，放大器的等效传递函数为：利用信号与系统知识，放大器的阶跃响应为：即：由于当t =8=8/Avp时满足系统要求，所以放大器的带宽为：2) 运放CMRR对系统的影响输入信号存在变化，所以系统对内部的运放的CMRR有一定的要求。根据文献17得：化简得：结合模数转换位数，放大器的传递误差要小于1/20000，即：所以：一般说来，对运放的性能要求是：高的开环增益、大的单位增益带宽、高的共模抑制比和大的输入输出摆幅等。但是必须清楚的是，某一方面性能的提高是以牺牲其他性能为代价的。在本文中，运放主要用于放大器和积分器的构建，因此就要求增益足够大以达到足够的精度， 故而高精度高开环增益的OP07是本设计的首选。3.2.3积分器工作原理前面介绍的运放主要用来构建积分器和比较器等，接下来将详细介绍积分器和比较器，本节首先介绍积分器工作原理，如图3.2所示。图3.2 积分器工作原理1) 电源接通后，电路首先进行初次正向积分，积分初值为UB，积分电压为Ui，积分时间由定时器0设定为常数T，则积分器输出电压UO为：2) 当时间到时，(3-10)式成为充电电压终值，同时也是后续放电电压初值，此时，定时器0产生中断，令P3.4=1电路自动转换为反向积分，积分电压为UB，此时输出电压：3) 当UO增至比较电压UA时，读计数器值t，将中断信号由P3.2送入计算机，使P3.4=0，重新进入正向积分，此时正向积分初值已成为稳定值UA，(3-10)式中的UB变成UA，即：4) 当充电时间到时，重复过程2)，但在(3-12)式的基础上反向积分。将(3-11)式的UB变为UA，输出电压：上式为稳定时的放电方程，当放电至UO=UA时，读出计数器值t，此为准确值。重复3)、4)过程。UO=UA时，由(3-13)得：同理可得：即传感器电压Ui与放电时间t成线性关系。图3.2中，LM324、R1、R2、C16构成积分电路，R1、R2是积分电阻，R3、R4、R5构成分压器，给UA、UB提供电压基准。3.2.4比较器工作原理对于比较器我们最关心的是它的速度、精度以及失调，下面简要介绍这些指标18。1) 精度比较器的精度被定义为：其中，VOH、VOL分别是比较器输出的高电平和低电平，AV(0)是比较器的增益。由此可见AV(0)的值越大，比较器的精度就越高，越接近于比较器的理想传输特性。如图3.3所示。图3.3 理想和有限增益比较器输入输出特性两个输出状态通常被设定为由比较器驱动的数字电路输入所要求的状态。电平VOH和VOL必须达到后续数字电路要求的VIH和VIL。在CMOS技术中，这两个值通常分别为电源电压的70和3019。2) 失调电压失调电压是指比较器的同相输入端in+和反相输入端in-相连时，为使输出VOUT等于零而加的电压的大小，如图3.4所示。由于比较器的输入电压可以变化，因此比较器的输入电压范围也相当重要，必须谨慎选择以保证比较器能连续分辨出所有输入电压的差值，本设计选LM324足矣。3) 传输延时比较器的传输延时即从输入激励到输出响应的延时。如图3.5所示。它是输入达到阈值后，其输出状态改变快慢程度的量度，也是ADC系统中转换速度受限制的一个非常重要的参数。在比较器中传输延时的大小随输入幅度大小变化。比较器的小信号动态特性由频率响应来分析18：其中， 是比较器频率响应的-3dB频率点。可以推出，当比较器输入为可分辨的最小电压时：因此，当输入为Vin(min)时，传输延时的大小为：对于当输入电压为最小输入电压的k倍时，传输延时的表达式为：可以看出，传输延时通常与输入信号幅值、曲线的陡度以及共模值有关。输入信号幅值较大或波形较陡时，其传输时间通常较小。本设计中比较器的简化结构图如图3.6。图3.6 比较器的简化结构图比较器工作原理比较简单，此处不作赘述。3.3本章小结本章主要介绍的是模拟信号处理部分。重点介绍了处理模拟电路中积分器和比较器的相关指标和工作原理，当然，在此之前首先介绍构了建它们的运算放大器的性能指标及其对系统整体性能的影响。同时，本章还描述了系统工作电源的获取过程，具体实现过程可以实物验证。第4章 数字部分设计前面已经确定了设计的主要工作过程，实现了A/T（模拟信号/时间）转换，那么接下来要考虑的是数字处理模块，我们需要一款高速可靠物美价廉的单片机来主宰最小系统，同时，需要灵敏元件驱动LED数码管来显示转换结果，需要键盘调控报警工作。此处我们选取目前市场上流行的STC12C5410AD单片机和两线远程I/O扩展芯片CH423。为了让读者对数字模块有个基本的认识，本章将首先介绍这两大主要芯片，继而介绍键盘控制模块。4.1单片机STC12C5410AD 4.1.1 STC12C5410AD概述STC12C5410AD单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，其引脚排列见图4.1，引脚定义见表4.1，主要特点如下20：1)工作电压在5.5V到3.5V之间(5V单片机)；2)工作频率范围0-35MHZ，相当于普通8051的0-420MHZ：3)片上集成512字节RAM；4)通用I/O口23个，复位后为准双向口/弱上拉，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不超过55mA；5)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器和专用仿真器，可通过串口直接下载用户程序，数秒即可完成；6)EPRROM功能；7)看门狗；8)内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，可省外部复位电路）；9)时钟源可以是外部高精度晶体/时钟，或内部RC振荡器，用户在下载用户程序时，可选择是使用内部RC振荡器还是外部晶体/时钟，常温下，内部RC振荡器频率为5.2MHZ6.8MHZ，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有时制造误差和温漂，应认为是4MHZ8MHZ；10)共6个16位定时器/计数器，两个专用16位定时器T0和T1，再加上PCA模块可再实现4个16位定时器；外部中断2路；11)下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断唤醒；12)4路PWM/4路PCA，也可当4路D/A使用，或实现4个定时器，再或实现4个外部中断，可分别或同时支持上升沿中断/下降沿中断；13)8路10位高精度A/D转换；14)通用全双工异步串行口(UART)，由于STC1212C5410AD是高速的8051，也可用定时器软件实现多串口；15)SPI同步通信口，主模式/从模式；16)工作温度范围在0-75/-40-+85；18）SKDIP-28封装，若I/O口不够用可用两三根I/O口线外接74HC164等来级联扩展I/O口。图4.1 28针STC12C5410AD（窄体）引脚图序号引脚名称功能27、1、2P2.1、P2.2、 P2.3标准I/O口3RST复位脚4P3.0/RXD标准I/O口,串口数据接收端5P3.1/TXD标准I/O口,串口数据发送端6XTAL2内部时钟电路反相放大器的输入端，接外部晶振的另一端。直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空。7XTAL1内部时钟电路反相放大器的输入端，接外部晶振的一端。直接使用外部时钟源，此引脚是外部时钟源的输入端。8P3.2/INTO标准I/O口，外部中断09P3.3/INT1标准I/O口，外部中断110P3.4/T0标准I/O口，定时器/计数器0的外部输入11P3.5/T1/PWM1/PCA3标准I/0口，定时器/计数器1的外部输入,脉宽调制输出1，可编程阵列输出112P2.4/PWM3/PCA3标准I/O口,脉宽调制输出3，可编程阵列输出314GND电源负极，接地13、15、16P2.5、P2.6、 P2.7标准I/O口17P3.7/PWM0/PCA0标准I/O口,脉宽调制输出0，可编程阵列输出018至25P1.0/ADC0至 P1.7/ADC7标准I/O口，ADC输入通道-0至 ADC输入通道-726P2.0/PWM2/PCA2标准I/0口，脉宽调制输出2，可编程阵列输出228VCC电源正极表4.1 28针STC12C5410AD引脚定义4.1.2 STC12C5410AD中断优先级通过设置新增加的特殊功能寄存器IPH中的相应位，可将中断优先级设为四级，如果只设置IP，那么中断优先级就只有两级，与传统8051单片机两集中断优先级完全兼容。如果使用C语言编程，中断查询次序号就是中断号，例如：Void Int0_Routine(void) interrupt 0;VoidUART_Routine(void) interrupt 4;VoidADC_SPI_Routine(void) interrupt 5;VoidPCA_LVD_Routine(void) interrupt 6;4.1.3 STC12C5410AD的定时器与UART串口定时器0和定时器1：STC12C5410AD是 1T 的8051单片机，定时器0和定时器1复位后是传统8051 的速度，即12 分频，这是为了兼容传统8051，但也可不进行12 分频，实现真正的1T。T0x12: 0, 定时器0 是传统8051 速度，12 分频；1, 定时器0 的速度是传统8051 的12 倍，不分频T1x12: 0, 定时器1 是传统8051 速度，12 分频；1, 定时器1 的速度是传统8051 的12 倍，不分频若UART串口用定时器1做波特率发生器，T1x12位就可控制UART串口是12T 还是1T 了。UART串口模式0：UART_M0x6: 0, UART 串口的模式0是传统12T 的8051 速度，12 分频；1, UART串口的模式0的速度是传统12T的8051的6倍，2分频如果用定时器T1做波特率发生器时，UART串口的速度由T1的溢出率决定EADCI: 0, 禁止A/D 中断； 1，允许A/D中断ESPI: 0, 禁止SPI 中断； 1，允许SPI中断ELVDI: 0, 禁止低压中断； 1，允许低压中断如ELVDI=1（允许低压中断），则会产生低压中断，现版本无低压检测中断，是低压复位，UART 串口复位后是兼容传统8051 的。4.1.4 STC12C5410AD的内部/外部工作时钟STC12C5410AD出厂标准配置是使用芯片内部的R/C振荡器，5V 单片机常温下频率是5MHz - 6.9MHz，因为随着温度的变化，内部R/C 振荡器的频率会有一些温漂，再加上制造误差，应认为是4MHz - 8MHz，故内部R/C 振荡器只适用于对时钟频率要求不高的场合。在对STC12C5410AD单片机进行ISP下载用户程序时，可以在选项中选择： “下次冷启动后时钟源为外部晶体或时钟”这样下载完用户程序后，停电，再冷启动后单片机的工作时钟使用的就不是内部R/C振荡器，而是外部晶体振荡后产生的高精度时钟了，也可以直接从XTAL1 脚输入外部时钟，XTAL2 脚浮空。如果已被设置成用外部晶体或时钟工作的单片机，还要再回到使用内部R/C振荡器工作的状态， 则需给单片机外接晶体或时钟，再对STC12C5410AD单片机进行ISP下载用户程序时在选项中选择，选择下次冷启动后时钟源为： 2.外部晶体或时钟，如图4.2所示。下载用户程序成功后，新的设置就设置进单片机内部了，但必须停电后再上电单片机才会用新的设置工作。图4.2 ISP下载用户程序时对时钟的设置4.1.5 STC12C5410AD的I/O口结构STC12C5410AD单片机的所有I/O口均可由软件配置成四种工作类型之一， 即准双向口（标准 8051 输出模式）、推挽输出、仅为输入（高阻）或开漏输出功能。每个口由2个控制寄存器中的相应位控制每个引脚工作类型。单片机上电复位后为准双向口模式。2V 以上时为高电平，0.8V 以下时为低电平。虽然每个I/O口在弱上拉时都能承受20mA的灌电流(还是要加限流电阻)，在强推挽输出时都能输出20mA的拉电流（也要加限流电阻），但整个芯片的工作电流推荐不要超过55mA。即从MCU-VCC流入的电流不超过55mA，从MCU-GND流出电流不超过55mA，整体流入/流出电流都不能超过55mA。在做行列矩阵按键扫描电路时尤其需要注意。若没有加限流电阻，实际工作时可能出现2个I/O口均输出为低，并且在按键按下时，短接在一起,我们知道一个CMOS电路的2个输出脚不应该直接短接在一起，按键扫描电路中，此时一个口为了读另外一个口的状态，必须先置高才能读另外一个口的状态，而8051单片机的弱上拉口在由0变为1时，会有2个时钟的强推挽高输出电流，输出到另外一个输出为低的I/O口，就有可能造成I/O口损坏。建议在其中的一侧加1K限流电阻，或者在软件处理上，不要出现按键两端的I/O口 同时为低的现象。4.2 LED驱动芯片CH4234.2.1 CH423芯片概述CH423是两线串行接口的通用远程I/O扩展芯片。它提供8个双向输入输出引脚和16个开漏输出引脚，支持输入电平变化中断；内置电流驱动电路，可以静态驱动24只LED发光管或者片选译码驱动128只LED（相当于16只数码管）；通过两线串行口接口与单片机等交换数据，如图4.3所示21。图4.3 CH423与单片机交换数据示意图跟单片机STC12C5410AD类似，两线远程I/O扩展芯片CH423也是28脚双列直插封装的，它具有以下这些特点：1)通过两线串行接口远程扩展出8个通用输入输出引脚GPIO和16个通用输出引脚GPO；2)内置电流驱动级，连续驱动电流不小于15mA，开漏输出1/16脉冲灌电流不小于120mA；3)静态显示驱动方式支持24只发光管LED或者3位共阳数码管；4)动态显示驱动方式或者片选译码驱动方式支持128只发光管LED或16位共阴数码管；5)双向I/O引脚在输入方式下有输入电平变化时产生中断的功能，中断输出低电平有效；6)支持3V5V电源电压，开漏输出支持8V耐压；7)高速2线串行接口，时钟速度从0到1MHZ，兼容两线I2C总线，节约引脚；8)提供SDIP28和SOP28两种无铅封装，兼容ROHS；具体引脚定义参见表4.2。表4.2 两线远程I/O扩展芯片CH423引脚定义引脚号引脚名称引脚说明25VCC正电源，持续电流不小于150mA11GND公共接地，持续电流不小于150mA2324、2628、13IO0IO7三态输出及输入，双向输入输出，内置弱上拉电阻；共阴数码管的段驱动，高电平有效48、1222OC0OC15开漏输出，无法输出高电平，低电平有效；共阴数码管的字驱动，低电平有效10SDA开漏输入及输出，2线串行接口的数据输入和输出，内置上拉电阻9SCL2线串行接口的数据时钟4.2.2 CH423驱动LED本设计采用CH423驱动16位共阴极LED数码管来显示模数转换的结果21。如图4.5所示，CH423 用动态显示驱动方式驱动16只共阴极数码管，所有数码管的相同段引脚（a段g段及小数点dp段）并联后，通过串接的8只限流电阻(图中R1R8)连接CH423 的段驱动引脚IO0IO7，其中a段对应段驱动引脚IO0，g段对应段驱动引脚IO6，dp段对应段驱动引脚IO7。各数码管的公共阴极分别由CH423的OC15OC0引脚进行驱动。段引脚串接的电阻用于限制和均衡段驱动电流，串接电阻的阻值越大那么段驱动电流越小，数码管的显示亮度越低，电阻的阻值一般在100至1K之间，一般优先选择较大的阻值。CH423内部具有16个8位的数据寄存器，用于保存16个字数据，分别对应于CH423所驱动的16个数码管。数据寄存器中字数据的位7位0分别对应8个数码管的小数点dp段和a段g段。当数据位为1时，对应的数码管的段就会点亮；当数据位为0 时，则对应的数码管的段就会熄灭。例如，第三个数据寄存器的位0为1，所以对应的第三个数码管的段A点亮。图4.4是数码管的段名称。图4.4 SEG0至SEG7与数码管对应LED(Light Emitting Diode)是发光二极管的缩写。LED 数码管里面有8只发光二极管，分别记作 abcdefgdp，其中 dp 为小数点段，每一只发光二极管都有两根电极，其中一根电极引到外部引脚上，八只发光二极管的另外一只引脚连接在一起之后同样也引到外部引脚上，作为公共端。本设计使用共阴极数码管，即数码管里面的发光二极管的阴极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源负极。当发光二极管的阳极接高电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示，而输入低电平的段则不能被点亮。如图4.5所示，启动以后由单片机定时发出设置双向输入输出命令，每次命令的字节1中的地址加1，使地址从0 到15循环，分时选中各个数码管，字节2为对应地址的数码管显示数据。单片机的定时周期可以设为 2mS（100uS3mS 范围），扫描 16 只数码管需要32mS，如果需要特别加亮某个数码管，那么单片机可以增加该数码管的驱动时间。显示全亮时每个段电流约为13mA，字电流约为100mA。在加载完相应的字数据后，CH423 能够自动显示扫描，无需单片机