1、提高項目151單片機連接A/D的應(yīng)用實例1.1 A/D轉(zhuǎn)換器的分類下面簡要介紹常用的幾種A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理及特點：積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、-調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。1）積分型（如TLC7135）積分型A/D工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片A/D轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。2）逐次比較型（如TLC0831）逐次比較型A/D由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從

2、MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辯率（12位）時價格很高。3）并行比較型/串并行比較型（如TLC5510）并行比較型A/D采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉(zhuǎn)換，又稱FLash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也 高，只適用于視頻A/D轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。串并行比較型A/D結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型A/D轉(zhuǎn)換器配合D/A轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實行轉(zhuǎn)換，所以稱為Half flash(半快速

3、)型。還有分成三步或多步實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型A/D，而從轉(zhuǎn)換時序角度又可稱為流水線（Pipelined）型A/D，現(xiàn)代的分級型A/D中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類A/D速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。4）-調(diào)制型（如AD7705）-型A/D由積分器、比較器、1位D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。5）電容陣列逐次比較型電容陣列逐次比較型A/D在內(nèi)置D/A

4、轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列D/A 轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片A/D轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。6）壓頻變換型（如AD650）壓頻變換型（Voltage-Frequency Converter）是通過間接轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種A/D的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辯率高、功耗低、價格低，

5、但是需要外部計數(shù)電路共同完成A/D轉(zhuǎn)換。1.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率(Resolution)指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。 轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的A/D轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型A/D的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速A/D，逐次比較型A/D是微秒級屬中A/D，全并行/串并行型A/D可達(dá)到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同

6、于采樣速率也是可以接受的。常用單位是Ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬次（Kilo / Million Samples per Second）。 量化誤差(Quantizing Error)由于A/D的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率A/D的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辯率A/D（理想A/D）的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。 偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。滿刻度誤差(Full Scale Error)滿度輸出時對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差。線

7、性度(Linearity) 實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。其他指標(biāo)還有絕對精度(Absolute Accuracy)，相對精度(Relative Accuracy)，微分非線性，單調(diào)性和無錯碼總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫THD）和積分非線性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是將模擬輸入信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行 信號處理，最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。該系統(tǒng)的簡單框圖如下所示。模擬信號輸入模擬信號輸出DAC數(shù)字信號處理ADC圖1-1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡單框圖正如上圖所示，A/D轉(zhuǎn)換器就是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心， 下面結(jié)合TLC549

8、串行A/D轉(zhuǎn)換器介紹單片機在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用以及基于C51語言的程序設(shè)計。1.3 TLC549的結(jié)構(gòu)及工作原理1）TLC549芯片概述TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過I/O CLOCK、CS、DATA OUT三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17s， TLC549允許的最高轉(zhuǎn)換速率為40000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，VREF- 接地，VREF+VREF-1V，可用于較小信號的采樣。圖1-2TLC549

9、引腳圖2）TLC549工作原理簡介TLC549有片內(nèi)系統(tǒng)時鐘，該時鐘與I/O CLOCK是獨立工作的，無須特殊的速度或相位匹配。其工作時序如圖8-3所示。圖1-3TLC549工作時序圖當(dāng)CS為高時，數(shù)據(jù)輸出(DATA OUT)端處于高阻狀態(tài)，此時I/O CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時使用多片TLC549時，共用I/O CLOCK，以減少多(片)A/D并用時的I/O控制端口。一組通常的控制時序為： 將CS置低。內(nèi)部電路在測得CS下降沿后，再等待兩個內(nèi)部時鐘上升沿和一個下降沿后，然后確認(rèn)這一變化，最后自動將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位輸出到DATA OUT端上； 前四個I/O

10、CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4 和第5個位(D6、D5、D4、D3)，片上采樣保持電路在第4個I/O CLOCK下降沿開始采樣模擬輸入； 接下來的3個I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉(zhuǎn)換位； 最后，片上采樣保持電路在第8個I/O CLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉(zhuǎn)換位。保持功能將持續(xù)4個內(nèi)部時鐘周期，然后開始進(jìn)行32個內(nèi)部時鐘周期的A/D轉(zhuǎn)換。第8個I/O CLOCK后，CS必須為高， 或I/O CLOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持36個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成如果CS為低時I/O CLOCK上出

11、現(xiàn)一個有效干擾脈沖，則微處理器/控制器將與器件的I/O時序失去同步；若CS為高時出現(xiàn)一次有效低電平，則將使引腳重新初始化，從而脫離原轉(zhuǎn)換過程。在36個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期結(jié)束之前，實施步驟 ，可重新啟動一次新的A/D轉(zhuǎn)換，與此同時，正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換終止，此時的輸出是前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果而不是正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換結(jié)果。若要在特定的時刻采樣模擬信號，應(yīng)使第8個I/O CLOCK時鐘的下降沿與該時刻對應(yīng)，因為芯片雖在第4個I/O CLOCK時鐘下降沿開始采樣，卻在第8個I/O CLOCK 的下降沿開始保存。3） TLC549應(yīng)用接口及程序TLC549可方便地與具有串行外圍接口(SPI)的單片機 或微處理器配合使用，

12、也可與51系列通用單片機連接使用。與51系列單片機的接口如圖8-4所示。其采樣程序框圖如圖6-5所示：圖1-4 TLC549與AT89C51單片機的接口示意圖初始化：/CS為高，I/O CLOCK為低，移位計數(shù)為零是第8位嗎？ Y/CS置高讀數(shù)據(jù)，置位I/O CLOCK為高1.4uS后，置位I/O CLOCK為高TLC549的/CS為低N結(jié)束圖1-5 TLC549程序流程圖其中單片機的P13腳與TLC549的CS連接，作為片選信號端口；P14與DOUT連接作為數(shù)據(jù)接收端口；P15與CLK連接作為脈沖時鐘端口。實際應(yīng)用程序如下（程序僅供參考）：/* #include #include intri

13、ns.h#define uchar unsigned char#define uintunsigned intuchar code tb10 = 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; uchar code seg_bit_scan4 = 0xef,0xdf,0xbf,0x7f ; /各個數(shù)碼管對應(yīng)的位選數(shù)據(jù)sbit data_temp = P14;/數(shù)據(jù)線sbit cs = P13;/片選sbit sclk = P15;/io口時鐘uchar qian,bai,shi,ge; uint j;void chuli(uint num)

14、/顯示程序qian=num/1000;/千，百，十，個處理bai=num/100%10; shi=num/10%10; ge=num%10;uint ad_549()/TLC549處理uchar i;uint data_ad = 0;cs = 1;/初始化，啟動sclk = 0; cs = 0;_nop_();for(i = 0;i 8;i+)/讀取采集數(shù)據(jù)，讀取的是上一次采集數(shù)據(jù)sclk = 1; if(data_temp)data_ad |= 0x01; sclk = 0; data_ad = data_ad = 4)j = 0;/循環(huán)顯示1次，j清零TR0 = 1;void timer0

15、_init (void)/ timer0中斷初始化函數(shù)EA = 0; TMOD = 0x01; TR0 = 0; TL0 = (65536-10000)%256;TH0 = (65536-10000)/256; PT0 = 1; ET0 = 1; EA = 1; TR0 = 1; void main(void)/主程序 uint i; timer0_init (); while(1) i = ad_549();chuli(i);/顯示最終結(jié)果P0=0xff;switch(j)case 0: P0 = tbge; break; case 1: P0 = tbshi; break; case 2: P0 = tbbai&0x7f; break; case 3: P0 = tbqian; break; P2 = seg_bit_