位AD轉(zhuǎn)換器與單片機的接口電路設計

1、課程設計任務書2012/2013 學年第 1 學期學 院：電子與計算機科學技術(shù)學院專 業(yè)：學 生 姓 名：學 號：課程設計題目：12位A/D轉(zhuǎn)換器與單片機的接口電路設計起 迄 日 期:課程設計地點:指 導 教 師:系主任：下達任務書日期: 2012年 12月 19日課 程 設 計 任 務 書1設計目的：1掌握電子電路的一般設計方法和設計流程；2學習簡單電路系統(tǒng)設計，掌握Protel99的使用方法；3掌握8051單片機、12位A/D芯片AD574的應用；4學習掌握硬件電路設計的全過程。2設計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設計要求等）：1學習掌握8051單片機的工作原理及應用；2. 學

2、習掌握12位A/D芯片AD574的工作原理及應用；2. 設計基于AD574的12位模擬信號采集器的工作原理圖及PCB版圖；3. 整理設計內(nèi)容，編寫設計說明書。4.Protues仿真。3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：1該設計理論上可以實現(xiàn)某種功能。2本課程設計說明書。3硬件原理圖及PCB圖。 課 程 設 計 任 務 書4主要參考文獻： 童詩白模擬電子技術(shù)基礎北京：高等教育出版社，2002 張建華數(shù)字電子技術(shù)北京：機械工業(yè)出版社，2004 陳汝全電子技術(shù)常用器件應用手冊北京：機械工業(yè)出版社，2005 畢滿清電子技術(shù)實驗與課程設計北京：機械工業(yè)出版社，2

3、005 潘永雄電子線路CAD實用教程西安：西安電子科技大學出版社，2002 張亞華電子電路計算機輔助分析和輔助設計北京：航空工業(yè)出版社，2004 5設計成果形式及要求：提交內(nèi)容：課程設計說明書（原理設計、PCB制作過程要在設計說明書詳細說明）?；疽螅涸O計的原理圖滿足任務書的設計要求。6工作計劃及進度：2012年12月19日 12月24日 查閱資料，熟悉任務要求，理解設計原理2012年12月25日 12月27日 方案設計 2012年12月28日 12月31日 電路原理圖，PCB圖2013年01月01日 01月13日 電路仿真2013年01月14日 01月15日 整理設計說明書2013年01月

4、16日 設計答辯與考核系主任審查意見： 簽字： 年 月 日目錄第一章 設計任務及功能要求.51.1 摘要51.2 設計課題及任務51.3 功能要求及說明.5第二章 硬件設計.62.1系統(tǒng)設計元器件功能說明72.2硬件電路總體及部分設計10第三章軟件設計.123.1基本原理內(nèi)容設計123.2keil編程調(diào)試.133.3proteus仿真電路圖.19第三章 結(jié)果分析及總結(jié).19附錄.20第一章 設計任務及功能要求1.1摘要近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在不斷的走向深入，單片機對我們的生活影響越來越大，很多工業(yè)領(lǐng)域中都用到單片機，日常生活中我們也離不開單片機的應用。當今社會是數(shù)字化的社會，

5、是數(shù)字集成電路廣泛應用的社會，隨著電子產(chǎn)業(yè)數(shù)字化程度的不斷發(fā)展，逐漸形成了以數(shù)字系統(tǒng)為主體的格局。A/D和D/A轉(zhuǎn)換器作為模擬和數(shù)字電路的借口，正受到日益廣泛的關(guān)注。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的要求也越來越高，新型模擬/數(shù)字和數(shù)字/模擬之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)不斷涌現(xiàn)，正是因為這些，高集成度的邏輯器件應運而生，而且發(fā)展迅速，它不斷地更新?lián)Q代以滿足程序的要求，并盡可能的提高其利用率。本課程設計就對其中AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換器在微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用加以闡述。關(guān)鍵字：AD574轉(zhuǎn)換器，80c51單片機，LED數(shù)碼顯示，串行輸出1.2設計課題及任務1掌握電子電路的一般設計方法和設計流程；

6、2學習簡單電路系統(tǒng)設計，掌握Protel99的使用方法；3掌握8051單片機、12位A/D芯片AD574的應用；4學習掌握硬件電路設計的全過程。1.3功能要求及說明1學習掌握8051單片機的工作原理及應用；2. 學習掌握12位A/D芯片AD574的工作原理及應用；3. 設計基于AD574的12位模擬信號采集器的工作原理圖及PCB版圖；4. 整理設計內(nèi)容，編寫設計說明書。5.Protues仿真。 第二章 硬件設計2.1系統(tǒng)設計元器件功能說明12位AD574功能及引腳說明AD574A是美國模擬數(shù)字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，

7、具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下：分辨率：12位非線性誤差：小于1/2LBS或1LBS轉(zhuǎn)換速率：25us模擬電壓輸入范圍：010V和020V，05V和010V兩檔四種電源電壓：15V和5V數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式AD574A的引腳說明：1. Pin1(+V)+5V電源輸入端。2. Pin2()數(shù)據(jù)模式選擇端，通過此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線是12位或8位輸出。3. Pin3()片選端。4. Pin4(A0)字節(jié)地址短周期控制端。與端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的

8、方式和數(shù)據(jù)輸出格式。須注意的是，端TTL電平不能直接+5V或0V連接。5. Pin5()讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。6. Pin6(CE)使能端?，F(xiàn)在我們來討論AD574A的CE、和A0對其工作狀態(tài)的控制過程。在CE=1、=0同時滿足時，AD574A才會正常工作，在AD574處于工作狀態(tài)時，當=0時A/D轉(zhuǎn)換，當=1是進行數(shù)據(jù)讀出。和A0端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。A0-0時，啟動的是按完整12位數(shù)據(jù)方式進行的。當A0=1時，按8位A/D轉(zhuǎn)換方式進行。當=1，也即當AD574A處于數(shù)據(jù)狀態(tài)時，A0和控制數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的格式。當=1時，數(shù)據(jù)以12位并行輸出，當=0時，數(shù)據(jù)以8位分兩次輸出。而當A

9、0=0時，輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高8位，A0=1時輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低4位，這四位占一個字節(jié)的高半字節(jié)，低半字節(jié)補零。其控制邏輯真值表見表1。7. Pin7(V+)正電源輸入端，輸入+15V電源。8. Pin8(REF OUT)10V基準電源電壓輸出端。9. Pin9(AGND)模擬地端。10. Pin10(REF IN)基準電源電壓輸入端。11. Pin(V-)負電源輸入端，輸入-15V電源。12. Pin1(V+)正電源輸入端，輸入+15V電源。13. Pin13(10V IN)10V量程模擬電壓輸入端。14. Pin14(20V IN)20V量程模擬電壓輸入端。15. Pin15(DGND)數(shù)

10、字地端。16. Pin16Pin27(DB0DB11)12條數(shù)據(jù)總線。通過這12條數(shù)據(jù)總線向外輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 17. Pin28(STS)工作狀態(tài)指示信號端，當STS=1時，表示轉(zhuǎn)換器正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當STS=0時，聲明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，通過此信號可以判別A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，作為單片機的中斷或查詢信號之用。AD574A的工作模式：以上我們所述的是AD574A的全控狀態(tài)，如果需AD574A工作于單一模式，只需將CE、端接至+5V電源端，和A0接至0V，僅用端來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動和數(shù)據(jù)輸出。當=0時，啟動A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)25us后STS=1，表明A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時將置1，即可從數(shù)據(jù)端讀

11、取數(shù)據(jù)。AD574A控制端標志意義CEA0工作狀態(tài)0XXXX禁止x1XXX禁止100X0啟動12位轉(zhuǎn)換100X1啟動8位轉(zhuǎn)換101接+5VX12位并行輸出有效101接0V0高8位并行輸出有效101接0V1低4位并行輸出有效74LS373 八 D 鎖存器(3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性) 簡要說明: 373為三態(tài)輸出的八 D 透明鎖存器,共有 54/74S373 和 54/74LS373 兩種線路 結(jié)構(gòu)型式，其主要電器特性的典型值如下(不同廠家具體值有差別):型號 tpd Pd54S373/74S373 7ns 525mW54LS373/74LS373 17ns 12.mW373 的輸出端 O0O

12、7 可直接與總線相連。 當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，O0O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總 線。當 OE 為高電平時，O0O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但 鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 當鎖存允許端 LE 為高電平時，O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當 LE 為低電平時，O 被鎖存在 已建立的數(shù)據(jù)電平。 當 LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。 引出端符號： D0D7 數(shù)據(jù)輸入端 OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效） LE 鎖存允許端 O0O7 輸出端 外部管腿圖： 邏輯圖： 真值表： 極限值: 電源電壓 . 7V 輸入電壓 54

13、/74S373. 5.5V 54/74LS373. 7V 輸出高阻態(tài)時高電平電壓 . 5.5V 工作環(huán)境溫度 54XXX . -55125 74XXX . 070 存儲溫度 . -65150推薦工作條件： 54/74S373 54LS373/74LS373 54電源電壓 Vcc 74最小4.54.75額定55最大5.55.25最小4.54.75額定55最大5.55.25單位V 輸入高電平電壓ViH22V 54輸入低電平電壓ViL 7 0.8V 54輸出高電平電流IOH 74-2-6.5-1-2.6mA 54輸出低電平電流IOL 7420201224mA2.2硬件電路總體及部

14、分設計AD574輸入模擬量180C51模擬輸入量2AD574 74LS373顯示輸出模擬輸入變量圖 單片機的內(nèi)部晶振圖 數(shù)碼管顯示圖 74373的接口設計圖 AD574接口圖第三章 軟件設計3.1硬件電路總體及部分設計AD574A的接口電路8051單片機與AD574A的接口電路，其中還使用了三態(tài)鎖存器74LS373和74LS00與非門電路，邏輯控制信號由(、和A0)有8051的數(shù)據(jù)口P0發(fā)出，并由三態(tài)鎖存器74LS373鎖存到輸出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作過程。AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過P0數(shù)據(jù)總線連至8051，由于我們只使用了8位數(shù)據(jù)口，12位數(shù)據(jù)分兩次讀進8051，所

15、以接地。當8051的p3.0查詢到STS端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號后，先將轉(zhuǎn)換后的12位A/D數(shù)據(jù)的高8位讀進8051，然后再將低4位讀進8051。這里不管AD574A是處在啟動、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，使能端CE都必須為1，因此將8051的寫控制線和讀控制線通過與非門74LS00與AD574A的使能端CE相連開始發(fā)送啟動轉(zhuǎn)換信號A/D轉(zhuǎn)換完?成？Delay(10)依次讀取12位A/D數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)計算寫入對應的數(shù)據(jù)結(jié)束3.2 Keil編程#include#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit ADout=P10;sbit A

16、Din=P11;sbit CS=P12;sbit CLK=P13;sbit EOC=P14;sbit LE=P16;sbit LE2=P17;uchar duan=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x7c;uchar D=0,wei=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xdf,0xef;float k,z;uint n;/延時子函數(shù)void delay(uint us)uchar i;for(i=0;ius;i+) _nop_();/數(shù)碼管顯示子函數(shù)void display(uint AD)uchar q,b,s,g;

17、/千位、百位、十位、個位 q=AD/1000;b=AD/100%10;s=AD/10%10;g=AD%10;P0=0xff;LE1=1;P0=wei0;LE1=0;LE2=1;P0=duanq;LE2=0;delay(10);P0=0xff;LE1=1;P0=wei1;LE1=0;LE2=1;P0=duanb;LE2=0;delay(10);P0=0xff;LE1=1;P0=wei2;LE1=0;LE2=1;P0=duans;LE2=0;delay(10);P0=0xff;LE1=1;P0=wei3;LE1=0;LE2=1;P0=duang;LE2=0;delay(10);/TLC2543轉(zhuǎn)換

18、和讀取子函數(shù)，只轉(zhuǎn)換了三路模擬電壓信號。uint readAD(uchar port) uchar ch,i,j;uint ad;ch=port;for(j=0;j3;j+)ad=0;ch=port;EOC=1;CS=1;CS=0;CLK=0;for(i=0;i12;i+)if(ADout) ad|=0x01;ADin=(bit)(ch&0x80);CLK=1;CLK=0;ch=1;ad=1;return(ad);/主函數(shù)void main()while(1)n=readAD(0x00);/得到通道0的數(shù)值k=readAD(0x10);/得到通道1的數(shù)值z=readAD(0x20);/得到通道

19、2的數(shù)值display(n);/顯示一路/display(k);/display(z); 3.3proteus仿真Proteus 仿真圖及其pcb板見附錄。第四章結(jié)果分析及總結(jié)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果 單次轉(zhuǎn)換結(jié)果如下ADC=Vin * (212 -1) /Vref其中 Vin是輸入的模擬電壓Vref是標準基準電壓為5v(注：12位AD最大輸出量為4094)當輸入Vin=2.5v時，ADC=2047，驗證了仿真的正確性總結(jié)通過此次課程設計，是我學習到了很多課外知識：（1） 了解了單片機80c51的基本使用過程及其原理。（2） 學會了proteus仿真軟件的使用方法。（3） 學會了keil與proteus

20、聯(lián)合調(diào)試分析方法。（4） 學會制作簡單的pcb板及相關(guān)軟件的使用。（5） 掌握了AD574，TLC2543，74373芯片的原理功能及其應用電路。（6） 明白了A/D轉(zhuǎn)換的原理過程。附錄串行AD轉(zhuǎn)換器TLC2543原理及應用潘志東 ，劉增華(1杭州商學院，抗州310035；2河北秦皇島港務局電力供應套司，秦皇島066012)摘要：介紹了一種多通道高精度串行AD轉(zhuǎn)換器TLC2543的主要特點、工作原理和實際應用。關(guān)鍵詞：AD轉(zhuǎn)換器；SPI中圖分類號：TN792 文獻標識碼：B 文章編號：1001-1390(2001)03-004004The principle and applications

21、of the serial AD converter TLC2543Pan Zhidong ，Liu Zenghua(1Hangzhou Commerleal College，Hangzhou 3 10035，China；2Power Supplies Company of Qinhuaugd80 Pml Bureau，Hebei Qinhuangdao 06601 2，China)Abstract：This paper introduces the features， the operating principle and the applications ofTLC2543 which i

22、s a multi-channel and hish accuracy serial AD eonveerKey words：AD eonveer；SP10 引言TLC2543是lrJ公司生產(chǎn)的一種l2位開關(guān)電容逐次逼近AD轉(zhuǎn)換器，芯片共有11個模擬輸入通道。芯片的三個控制端： 串行三態(tài)輸出數(shù)據(jù)端(DATA OUTPUT)、輸入數(shù)據(jù)端(DATA INPUT)、輸入時鐘(IO CLOCK)能形成與微處理器之間數(shù)據(jù)傳輸較快和較為有效的串行外設接口一SPI。片內(nèi)具有一個l4通道多路選擇器用于在11個模擬輸入通道和3個內(nèi)部自測試(SELFTEST)電壓中任選一個，可通過對其8位內(nèi)部控制寄存器進行編程完

23、成通道的選擇，并可對輸出結(jié)果的位數(shù)、MSBLSB導前和極性進行選擇。1 TLC2543性能特點(1)12位分辨率。(2)11個模擬輸入通道。(3)線性誤差1LSB MAX(4)輸出數(shù)據(jù)單極性或雙極性、數(shù)據(jù)長短、MSB或LSB前導可編程。(5)正常溫度范圍內(nèi)10Ws轉(zhuǎn)換時間。(6)自動采樣與保持。(7)片內(nèi)系統(tǒng)時鐘。(8)三種內(nèi)置自測試方式(9)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC。2 引腳及功能TLC2543的引腳如圖1所示，其功能如下AIN0AIN10：1 1個模擬量輸入；西：片選端，負電平有效；DATA INPUT：數(shù)據(jù)輸入端；DATA OUTPUT：數(shù)據(jù)輸出端；I0 CLOCK：輸入出時鐘端；VCC：正電

24、源；GND：地,EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束端；REF+：正基準電壓端，通常接Vcc；REF一：負基準電壓端，通常接GND3 工作原理31 內(nèi)部控制寄存器內(nèi)部控制寄存器有8位，其結(jié)構(gòu)格式如表1所示。內(nèi)部控制寄存器的設定數(shù)據(jù)為高位導前，內(nèi)部控制寄存器各個位的基本功能如下：D7D4：作為片內(nèi)14個通道多路選擇器的控制位用于1 1路模擬量和3個校準電壓的選擇以及掉電模式的設定。D3、D2：用于轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)串行輸出位數(shù)的選擇，共有三位數(shù)可供選擇：8位(精度較低，方便單字節(jié)串行數(shù)據(jù)傳輸)、12位(標準位數(shù))、16位(低四位為零，便于16位串行數(shù)據(jù)傳輸)。D1：為0時表示輸出數(shù)據(jù)的最大位導前，為1時表示最小位導前。DO：為0時表示輸出數(shù)據(jù)是單極性(無符號二進制)，為1時表示雙極性(有符號二進制)。32 采樣過程轉(zhuǎn)換的工作包括二個周期：IO周期和轉(zhuǎn)換周期 (conv)。IO周期完成對內(nèi)部控制寄存器的置數(shù)和在DATA OUTPUT端數(shù)據(jù)的輸出；轉(zhuǎn)換周期是由IO時鐘同步的內(nèi)部時鐘來控制。在轉(zhuǎn)換周期開始時，EOC輸出變低；當轉(zhuǎn)換完成時變高，輸出數(shù)據(jù)寄存器鎖存。上電后，cS的電平必須從高到低以開始一次IO周期。內(nèi)部控制寄存器