单片机相关课件模数转换器

单片机原理与接口应用A／D转换器接口技术

华中科技大学光电子工程系MCS—51A／D转换器接口技术

模／数(A／D)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。选择A／D转换器件主要是从速度、精度和价格上考虑。我们主要学习后二种典型A／D电路芯片与8051单片机的接口以及程序设计方法。逐次逼近法A／D转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的A／D转换器件。双积分A／D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域中也得到广泛应用。

一、逐次逼近型A／D转换器原理

逐次逼近法A／D转换器是一种速度较快、精度较高的A／D转换器，它是通过最高位DN—1至最低位D0的逐次检测来逼近被转换的输入电压。

一个N位的逐次逼近法A／D转换器的原理图如下所示：

其转换原理如下：

在启动信号控制下．置数控制逻辑电路置N位寄存器最高位DN-1为l，其余位清0，N位寄存器的内容经D／A转换后得到整个量程—半的模拟电压Vn，与输入电压Vx比较。若Vx＞Vn时，则保留DN-1=1，若Vx＜Vn时,则DN-1清0。然后，控制逻辑使寄存器下一位DN-2置1,与上次的结果一起经D／A转换后与Vx比较，重复上述过程,直至判别出D0取1还是0为止，此时DONE发出信号表示转换结束。这样，经过N次比较后，N位寄存器的状态就是转换后的数字量，经输出缓冲器读出。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，一般在几微秒到上百微秒之间。例如ADC0809，当时钟频率为640kHz时，转换时间为64μs。

二、双积分A／D转换器原理

双积分A／D转换器是基于间接测量原理，将被测电压值Vx转换成时间常数，由测量时间常数得到未知电压值的，

其原理见下图所示：所谓双积分，就是进行一次A／D转换需要二次积分。①定时积分：控制门通过电子开关把被测电压Vx加到积分器的输入端，在固定时间T0内对Vx积分，积分输出终值与Vx成正比；②控制门将电子开关切换到极性与Vx相反的基准电压Vr上，进行反相积分，由于基准电压Vr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(称定值积分),由比较器检测积分输出过零时，停止积分器工作。反相积分的时间Tx与定值积分的初值(即定时积分的终值)成比例关系，故可以通过测量反相积分时间Tx计算出Vx，即：

Vx=(Tx/T0)×Vr反相积分时间T1由计数器对时钟脉冲计数得到。

下图表示出了两种不同输入电压(Vx＞Vˊ)的积分情况：显然Vˊ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，故反相积分时间Tˊ也就小。

由于双积分方法二次积分时间比较长。所以A／D转换速度慢，但精度可以做得比较高；对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。

目前国内外双积分A/D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。适用单片机接口的有3位半双积分A／D转换器MC14433(精度相当于1l位二进制数)和4位半双积分A／D转换器ICL7135(精度相当于14位二进制数)。

三、A／D转换器的主要技术指标

1．分辨率(Resolution)

对于ADC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。

转换器的分辨率定义为满刻度电压与2n之比值，其中n为ADC的位数。例如：具有12位分辨率的ADC能够分辨出满刻度的1／212或满刻度的0.0245％一个10v满刻度的12位ADC能够分辨输入电压变化的最小值为2．4mv。

2．转换速率(Conversion

Rate)

ADC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。而完成一次A/D转换所需的时间(包括稳定时间)是转换速率的倒数。

3．线性度(Linearity)

线性度有时又称为非线性度(Non-Linearity)，它是指转换器实际的转移函数与理想直线的最大偏移。理想直线可以通过理想的转移函数的所有点来描述。ADC的线性度如图所示，其典型值是土1／2LSB。

9.4MCS-51单片机与A/D转换器接口

一、ADC0809A／D转换芯片ADC0809是CMOS工艺、采用逼近法的8位A／D转换芯片，28引脚双列直插式封装，片内除A／D转换部分外还有多路模拟开关部分。

有8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A／D转换器进行转换。

ADC0809的内部结构逻辑图

引脚功能说明

IN0—IN7：8路输入通道的模拟输入端。DB0一DB7：8位数字量输出端。START：启动信号。加上正脉冲后，A／D转换开始进行。ALE：地址锁存信号，高电平时把三个地址信号送入地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。ADDA、ADDB、ADDC：地址线

EOC：转换结束信号，是芯片的输出信号。转换开始后，EOC信号变低；转换结束时。EOC返回高电平。这个信号可以作为A／D转换器的状态信号来查询。也可以直接用作中断请求信号。OE：输出允许控制端。CLK：时钟信号，最高允许值为640kHz。Vref(+)、Vref(-)，：A／D转换器的参考电压。Vcc：电源电压。由于是CMOS芯片，允许的电源范围较宽，可从十5——

十15V。

8位模拟开关的地址输入通道的关系：

ADDCADDBADDA输入通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809的时序图:

在ALE＝1期间，模拟开关的地址(ADDA，ADDB，ADDC)存入地址锁存器；在ALE＝O时，地址锁存。输入启动信号START的上升沿复位ADC0809，它的下降沿启动A／D转换。EOC为输出的转换结束信号，正在转换时为“0”，转换结束时为“1”。OE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0809输出这次转换结果。

二、ADC0809与8031接口

ADC0809与8031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。由于ADC0809片内有三态输出锁存器，因此可直接与803l接口。这里将ADC0809作为一个外部扩展并行I／O口，采用线选法寻址．由P2．7和WR联合控制启动转换信号端(START)和ALE端，低三位地址线加到ADC0809的ADDA、B、C端，所以选中ADC0809的IN0通道的地址为7FF8H。

中断方式连接电路图送通道号地址到ADDA、B、C，由ALE信号锁存通道号地址。让START有效启动A／D转换．即执行一条MOVX＠DPTR，A指令,产生WR信号，使ALE、START有效，锁存通道号并启动A／D转换。A／D转换完毕，EOC端发出一正脉冲。最后执行MOVXA，＠DPTR产生RD信号使OE端有效，打开输出锁存器三态门，8位数据就读入CPU的累加器A中。

启动ADC0809的工作过程:软件编程如下：

ORG 0013H AJMP SINT1;ADC: SETB IT1 ;设置外部中断源1为边沿触发

SETB EX1 ;允许INT1中断

SETB EA ;开放总中断

MOV DPTR,#7FF8H;选中0通道

MOVX @DPTR,A ;启动ADC0809 ┅┅┅┅ SJMP $ ;中断服务程序：SINT1: MOV DPTR,7FF8H ;读一次A/D转换结果

MOVXA;@DPTR ; MOV 50H,A ;存入内部

RAM50H中

CLR EX1 ;关中断

RETI ;中断返回MCS-51与8051的另外一种接口方式：

采用查询方式，软件编程如下：