項(xiàng)目8_AD的應(yīng)用實(shí)例

1、 項(xiàng)目8 51單片機(jī)連接單片機(jī)連接A/D的應(yīng)用實(shí)例的應(yīng)用實(shí)例 8.18.1任務(wù)說明任務(wù)說明8.2 A/D8.2 A/D轉(zhuǎn)換器的分類轉(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(diǎn)：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(shí)間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)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（

2、如TLC0831） 逐次比較型A/D由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從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(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辯率（12位）時(shí)價(jià)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(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)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(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)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(gè)n/2位的并行

3、型A/D轉(zhuǎn)換器配合D/A轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱為Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型A/D，而從轉(zhuǎn)換時(shí)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(yùn)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(shí)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

4、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(shí)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(jì)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

5、增加，只要采樣的時(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成A/D轉(zhuǎn)換。8.3 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)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(gè)最小量時(shí)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(shí)間的倒數(shù)。積分型A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間則是另外一個(gè)概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間

6、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(gè)或半個(gè)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(shí)輸出信號不為零

7、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(shí)對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差。 線性度(Linearity) 實(shí)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(cuò)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。圖圖8-1 8-1 數(shù)據(jù)采

8、集系統(tǒng)簡單框圖數(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(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，下面結(jié)合TLC549串行A/D轉(zhuǎn)換器介紹單片機(jī)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(jì)。6.1.3 TLC549的結(jié)構(gòu)及工作原理的結(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(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長17s，TLC549允許的最高轉(zhuǎn)換速率為40000次/s?？偸д{(diào)誤差圖圖8-2 TLC549引腳圖引腳圖最大為0.5LSB，

9、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。 2）TLC549工作原理簡介 TLC549有片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘與I/O CLOCK是獨(dú)立工作的，無須特殊的速度或相位匹配。其工作時(shí)序如圖8-3所示。圖圖8-3 TLC549工作時(shí)序圖工作時(shí)序圖 當(dāng)CS為高時(shí)，數(shù)據(jù)輸出(DATA OUT)端處于高阻狀態(tài)，此時(shí)I/O CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時(shí)使用多片TLC549時(shí)，共用I/O CLOCK，以減少多(片)A/D并用時(shí)的I/O控制端口。一組通常的控制時(shí)序?yàn)椋?將CS置低。內(nèi)部電路在測得

10、CS下降沿后，再等待兩個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘上升沿和一個(gè)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(gè)I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5個(gè)位(D6、D5、D4、D3)，片上采樣保持電路在第4個(gè)I/O CLOCK下降沿開始采樣模擬輸入； 接下來的3個(gè)I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)個(gè)轉(zhuǎn)換位； 最后，片上采樣保持電路在第8個(gè)I/O CLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個(gè)轉(zhuǎn)換位。保持功能將持續(xù)4個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期，然后開始進(jìn)行32個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期的A/D轉(zhuǎn)換。第8個(gè)I/O CL

11、OCK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(gè)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘周期以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成如果CS為低時(shí)I/O CLOCK上出現(xiàn)一個(gè)有效干擾脈沖，則微處理器/控制器將與器件的I/O時(shí)序失去同步；若CS為高時(shí)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(gè)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘周期結(jié)束之前，實(shí)施步驟 ，可重新啟動一次新的A/D轉(zhuǎn)換，與此同時(shí)，正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換終止，此時(shí)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(shí)刻采樣模擬信號，應(yīng)使第8個(gè)I/OCLOCK時(shí)鐘的下降沿與該時(shí)刻對應(yīng)，因?yàn)樾酒m在第4個(gè)I/O CLOCK時(shí)鐘下降沿開始采樣，

12、卻在第8個(gè)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(jī)或微處理器配合使用，也可與51系列通用單片機(jī)連接使用。與51系列單片機(jī)的接口如圖8-4所示。其采樣程序框圖如圖6-5所示：圖圖8-4 TLC5498-4 TLC549與與AT89C51AT89C51單片機(jī)的接口示意圖單片機(jī)的接口示意圖 圖圖8-5 TLC5498-5 TLC549程序流程圖程序流程圖 其中單片機(jī)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(shí)鐘端口。實(shí)際應(yīng)用程序清單如下（程序

13、僅供參考）：/*#include #include intrins.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code tb10 = 0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90;uchar code seg_bit_scan4 = 0 xef,0 xdf,0 xbf,0 x7f ; /各個(gè)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(shí)鐘u

14、char qian,bai,shi,ge;uint j;void chuli(uint num) /顯示程序qian=num/1000; /千，百，十，個(gè)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 |= 0 x01; sclk =

15、0; data_ad = data_ad = 4)j = 0; /循環(huán)顯示1次，j清零 TR0 = 1;void timer0_init (void) / timer0中斷初始化函數(shù)EA = 0; TMOD = 0 x01; 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=0 xff;switch(j)case 0: P0 = tbge; break; case 1: P0 = tbshi; break; case 2: P0 = tbbai&0 x7f; break;case 3: P0 = tbqian; break; P2 = seg_b