10.1A/D轉(zhuǎn)換器接口

10.2數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)與制作

10.3習(xí)題實(shí)例十模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)◆理解數(shù)字電壓表的工作原理?！衾斫釧/D轉(zhuǎn)換的工作原理，掌握設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換接口電路的方法。工作任務(wù)◆設(shè)計(jì)與制作數(shù)字電壓表。10.1A/D轉(zhuǎn)換器接口學(xué)習(xí)目標(biāo)◆理解A/D轉(zhuǎn)換的工作原理，掌握設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換接口電路的方法。

工作任務(wù)◆設(shè)計(jì)TLC0834與單片機(jī)的接口。

10.1.1A/D轉(zhuǎn)換原理

A/D轉(zhuǎn)換器可分成直接并行比較式、逐次逼近式、雙積分式、跟蹤比較式等多種。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器易于用集成工藝實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨率和速度，應(yīng)用最為廣泛。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器由電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、控制邏輯電路、逐次逼近寄存器等組成，如圖10-1所示。轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若ui<uo，則說明數(shù)字過大，故將最高位的1清除；若ui＞uo，則說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個(gè)1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。理解：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程其實(shí)與我們用天平稱量物品的過程非常相似。用天平稱量物品時(shí)，我們將待稱物品放在天平的左盤中，在天平的右盤里放砝碼，首先我們會(huì)大致估計(jì)一下物品的重量，然后選擇一個(gè)最接近其重量但比它小的砝碼，之后依次選擇小一些的砝碼試稱，如果砝碼的總重量大于物品，則將最小的砝碼再換小一些的砝碼，如果砝碼的總重量小于物品，則保留該砝碼，并選擇一個(gè)更小一些的砝碼試稱，如果通過調(diào)整砝碼已不能達(dá)到平衡，則調(diào)整游標(biāo)來(lái)使天平平衡。圖10-1逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器10.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

(1)分辨率：指輸出的單位數(shù)字量變化對(duì)應(yīng)的輸入模擬量的變化，也通常定義為滿量程值的1/2n，同DAC的分辨率。

(2)轉(zhuǎn)換精度：指與輸出數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。ADC的轉(zhuǎn)換精度除了跟本身的元器件誤差有關(guān)之外，還取決于分辨率。一般來(lái)講，分辨率越高，轉(zhuǎn)換精度也越高。

(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間：指從模擬量輸入到二進(jìn)制數(shù)輸出所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間。時(shí)間越短，速度越快。10.1.3TLC0834

本節(jié)以逐次逼近式8位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC0834為例，簡(jiǎn)單說明串行A/D轉(zhuǎn)換器與MCS-51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)方法。

1．內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能

TLC0834的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖10-2所示。TLC0834共有4路模擬輸入通道(TLC0838共有8路模擬輸入通道)，輸入電壓有單端(SGL)和差分(DIF)兩種方式。其中，選擇差分輸入方式時(shí)，極性也可以選擇。這些都可通過模擬開關(guān)地址信號(hào)的設(shè)置來(lái)控制，參見表10-1。

注意：當(dāng)正極輸入端電壓小于負(fù)極輸入端電壓時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出全部為“0”。圖10-2TLC0834的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖表中，“L”表示低電平，“H”表示高電平，“+”表示正極，“-”表示負(fù)極。

TLC0834有多種封裝形式，其中常見的是D或N封裝，如圖10-3所示。圖10-3TLC0834的引腳圖圖10-3所示的TLC0834的引腳功能如下：

NC：空腳，不連接。

：片選信號(hào)輸入端，轉(zhuǎn)換過程中必須保持低電平。

CH0～CH3：4路模擬輸入通道。

DGTLGND：數(shù)字地。

ANLGGND：模擬地。

REF：基準(zhǔn)電壓輸入端。

DO：串行數(shù)據(jù)輸出端。

SARS：轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端。該端為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；該端為低電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換完成。

CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。

DI：串行數(shù)據(jù)輸入端。該端僅在多路器(模擬開關(guān))尋址時(shí)才被檢測(cè)。

VCC：+5V電源電壓輸入端。

2．操作時(shí)序

TLC0834的操作時(shí)序如圖10-4所示。圖10-4TLC0834的操作時(shí)序首先將端置低電平，且在轉(zhuǎn)換過程中必須保持低電平。一旦信號(hào)有效，DI端即在CLK的上升沿依次將多路器的地址信號(hào)寫入移位寄存器，第一位是起始位(高電平)，第二位是單端/差分位(SGL/

)，第三位是奇/偶位(ODD/

)，第四位是選擇位(SELECTBIT1)。第4個(gè)時(shí)鐘脈沖結(jié)束，待轉(zhuǎn)換的模擬輸入通道選定，SARS立即由低電平變?yōu)楦唠娖?，A/D轉(zhuǎn)換器正式開始轉(zhuǎn)換，同時(shí)DI端轉(zhuǎn)為高阻狀態(tài)，DO端則從高阻狀態(tài)變?yōu)榈碗娖?。至?個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿，即可開始從DO端讀取轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量，一個(gè)時(shí)鐘脈沖讀取一位，高位(MSB)在前，低位(LSB)在后。經(jīng)過8個(gè)時(shí)鐘脈沖之后，8位數(shù)據(jù)從高位到低位輸出完畢，SARS從高電平變?yōu)榈碗娖?，轉(zhuǎn)換完成。同時(shí)，TLC0834又以低位在前、高位在后的順序開始重新輸出轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)據(jù)(最低位共用)。當(dāng)然，用戶可以根據(jù)需要，在第12個(gè)時(shí)鐘脈沖結(jié)束時(shí)就置為高電平，直接結(jié)束這一次轉(zhuǎn)換周期。

3．TLC0834與MCS-51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)

圖10-5是MCS-51單片機(jī)與TLC0834的接口電路。圖中，P1.0為TLC0834提供時(shí)鐘信號(hào)，P1.1作為多路器地址信號(hào)的輸入端和轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出端(因?yàn)镈I和DO不會(huì)同時(shí)有效，所以不會(huì)沖突)，P1.2作為查詢一次轉(zhuǎn)換結(jié)束與否的標(biāo)志端，P1.3控制片選信號(hào)。假設(shè)待轉(zhuǎn)換的模擬量從CH2通道輸入，下面簡(jiǎn)單說明該工作過程：首先將P1.3置低電平，使片選信號(hào)保持有效；然后通過P1.0輸出時(shí)鐘脈沖信號(hào)，并在時(shí)鐘脈沖的上升沿通過P1.1向DI依次寫入1101(為什么是1101？請(qǐng)讀者根據(jù)表10-1自行分析)；再檢測(cè)P1.2的狀態(tài)，一旦檢測(cè)到該引腳信號(hào)從高電平變?yōu)榈碗娖?，即可從P1.1依次讀取轉(zhuǎn)換好的8位數(shù)字量，且低位在前，高位在后；最后將P1.3置高電平，使片選信號(hào)無(wú)效，完成一次A/D轉(zhuǎn)換。圖10-5MCS-51單片機(jī)與TLC0834的接口電路

【練習(xí)】

項(xiàng)目：TLC0834與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目編號(hào)：EX10_1。

任務(wù)要求：利用Proteus仿真軟件繪制TLC0834與單片機(jī)的接口連接圖(假設(shè)待轉(zhuǎn)換的模擬量從CH1通道輸入)。

結(jié)果：1110(接口連接圖請(qǐng)讀者自行繪制)。10.2數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)與制作學(xué)習(xí)目標(biāo)◆理解數(shù)字電壓表的工作原理?！衾斫釧/D轉(zhuǎn)換的工作原理，掌握設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換接口電路的方法。工作任務(wù)◆設(shè)計(jì)與制作數(shù)字電壓表。

設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表，要求能測(cè)量0～5?V之間的直流電壓值，結(jié)果用四位數(shù)碼管顯示。

1．任務(wù)分析

將模擬電壓信號(hào)(直接由5V直流電源提供)經(jīng)串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC0834轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，信號(hào)送單片機(jī)處理后通過四位數(shù)碼管顯示。顯示最大值為5000mV(5?V)，分辨率為20mV。簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的整體電路比較簡(jiǎn)單，由單片機(jī)最小系統(tǒng)、TLC0834模塊和數(shù)碼管顯示模塊組成。模擬電壓信號(hào)經(jīng)串行A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，將此信號(hào)線性調(diào)整為電壓值，并轉(zhuǎn)換為BCD碼形式，依次送數(shù)碼管顯示。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可采用74LS48芯片進(jìn)行BCD碼與七段碼(共陰極數(shù)碼管)之間的解碼，即將待顯示的數(shù)字電壓值(BCD碼)直接通過74LS48轉(zhuǎn)換就可得到共陰極數(shù)碼管顯示所需的七段碼。例如，DCBA四個(gè)輸入端輸入0111，則QG～QA七個(gè)輸出端輸出“7”的字段碼0000111(見圖10-6)。

2．設(shè)計(jì)步驟

1)硬件設(shè)計(jì)

由于有些版本的Proteus仿真軟件的基本元件庫(kù)中沒有TLC0834，為了使用方便，我們?cè)诜抡嬖O(shè)計(jì)中可采用ADC0834來(lái)替代。仿真圖如圖10-6所示。

2)軟件設(shè)計(jì)

(1)流程圖如圖10-7所示。圖10-6數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)仿真圖圖10-7數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)流程圖

(2)參考程序代碼如下：

;*******************************************

DAT BIT P3.0 ;數(shù)據(jù)線

CLK BIT P3.1 ;時(shí)鐘線

CS BIT P3.5 ;片選

DZCC EQU 39H

CCBCDH EQU 3AH ;BCD高字節(jié)

CCBCDL EQU 3BH ;BCD低字節(jié)

;******************************************

ORG 0000H

SJMP MAIN

ORG 0030H

MAIN: MOV 30H,#1 ;顯示單元初始化

MOV 31H,#2

MOV 32H,#3

MOV 33H,#4

MAIN_LL: ;主程序循環(huán)

LCALL DISP ;調(diào)用顯示子程序

LCALL TLC ;調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換初始化

LCALL READ ;調(diào)用讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果子程序

LCALL BCD ;調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

SJMP MAIN_LL ;跳轉(zhuǎn)至MAIN_LL循環(huán)

;******************************************

;A/D轉(zhuǎn)換初始化子程序，時(shí)鐘上升有效

;******************************************

TLC: CLR CLK ;清時(shí)鐘

CLR DAT

SETB CS ;片選高

CLR CS ;片選低

SETB DAT ;1起始位

SETB CLK

CLR CLK

SETB DAT ;1 SETB CLK

CLR CLK

CLR D AT;0

SETB CLK

CLR CLK

CLR DAT ;0，CH0

SETB CLK

CLR CLK ;通道0，單端輸入

SETB CLK

SETB DAT ;由輸出端改為輸入狀態(tài)

RET

;*************************************************

;讀數(shù)據(jù)子程序

;*************************************************

READ: MOV R0,#8

READ0: CLR CLK

MOV C,DAT ;讀轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)

RLC A ;累加器A左移將結(jié)果逐位移入A中

SETB CLK

DJNZ R0,READ0

MOV DZCC,A

MOV R0,#9

READ1: CLR CLK

SETB CLK

DJNZ R0,READ1

SETB CS ;片選置高

RET ;一次轉(zhuǎn)換結(jié)束

;*********************************************

;顯示子程序第0組R1

;*********************************************

DISP: MOV A,#0FBH

MOV R1,#30H

XS_LL: MOV P2,A

MOV P0,@R1

LCALL DELAY

INC R1

RL A

CJNE R1,#34H,XS_LL

RET

;*************************************************

;延時(shí)子程序第0組R2、R3

;*************************************************

DELAY: MOV R3,#30H

YS_LL: MOV R2,#20H

DJNZ R2,$

DJNZ R3,YS_LL

RET

;*************************************************

;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序第0組R2、R3、R4、R7

;************************************************

BCD: MOV A,DZCC

MOV B,#40

MUL AB

MOV CCBCDH,B

MOV CCBCDL,A

MOV R2,#0

MOV R3,CCBCDH

MOV R4,CCBCDL

MOV R7,#100

;**********************************************

;單字節(jié)無(wú)符號(hào)除法程序(R2R3R4/R7)=(R2)R3R4余數(shù)R7

;入口:R2,R3,R4,R7

;占用資源:ACC,B,F0

;堆棧需求:3字節(jié)

;出口:(R2),R3,R4,R7,OV

;**********************************************

NDIV31: MOV A,R2

MOV B,R7

DIV AB

PUSH ACC

MOV R2,B

MOV B,#10H

NDV311: CLR C

MOV A,R4

RLC A

MOV R4,A

MOV A,R3

RLC A

MOV R3,A

MOV A,R2

RLC A

MOV R2,A

MOV F0,C

CLR C

SUBBA,R7

JB F0,NDV312

JC NDV313

NDV312: MOV R2,A

INC R4

NDV313: DJNZ B,NDV311

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