用89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換-2019年文檔

1、用8 9s 5 1單片機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換在現(xiàn)實(shí)生活中不少地方需要使用到模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，即A/D 轉(zhuǎn)換，本文中提出一種A/D 轉(zhuǎn)換方法，與其他方法相比占用較少的單片機(jī)資源，成本低，能耗也比較小，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。其電路如圖一所示1 電路及硬件說(shuō)明在圖1電路需要一個(gè)穩(wěn)定電壓，該電壓由一個(gè)穩(wěn)壓源提供， 穩(wěn)壓源由電阻R1和N1 (TL431)組成，TL431是一是一個(gè)有良 好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref(2.5V)至U 36V范圍內(nèi)的任何值，該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2歐姆， 可以等效位一個(gè)穩(wěn)壓二極管。TL431 的內(nèi)部

2、含有一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在RE嘲引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過(guò)從 陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖2所示的電路中，當(dāng) R1和R2的阻值確定時(shí)，兩者對(duì)Vo的分壓引入反饋，若 V o增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致Vo 下降。顯見(jiàn)，這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在 VI 等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時(shí)Vo=(1+R1/R2)Vref 。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng)R1=R2時(shí),Vo=5M需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證TL431 工作的必要條件，就是通過(guò)陰極的電流要大于1mA。穩(wěn)壓源提供2.5V 的電壓， 作為

3、A/D 轉(zhuǎn)換比較基準(zhǔn)。電阻R2、三極管VI、二極管VD1、VD2和電阻R3構(gòu)成一個(gè)恒流源電路給電容器 C1 充電， C1 上的電壓以及電荷多少與恒流源的充電時(shí)間及電流大小成正比。MC74HC405為8選1模擬開(kāi)關(guān)，其輸入通道由單片機(jī)控制來(lái)選擇。LM39掘一個(gè)低功率偏置電壓雙比較器，它具有 2 個(gè)獨(dú)立的高精密度電壓比較器，其偏置電壓可低至2.0mV。 使用單電源供電，供電壓寬。優(yōu)點(diǎn)是可減少溫度單的VOS漂移，不用雙電源供電，全部用一致的邏輯格式，而且適用于電池供電。當(dāng)C1 上的電壓由低到高上升到超過(guò)模擬開(kāi)關(guān)輸出電壓時(shí)，其輸出端會(huì)從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?。P1.0、 P1.1 和 P1.2 是單片機(jī)的

4、3 個(gè) I/O 引腳，可以用普通的雙向I/O 口， P1.0 設(shè)置為輸入狀態(tài)，用于檢測(cè)比較器輸出電平，P1.1 和 P1.2 設(shè)置為輸出狀態(tài)，P1.1輸出高電平時(shí)，三極管 V2導(dǎo)通，用于將電容器 C1上的電荷放空，P1.2 用于選擇模擬開(kāi)關(guān)的輸入通道。2 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程首先讓單片機(jī)的I/O 口 P1.2 輸出低電平，設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)電壓，作為模擬開(kāi)關(guān)的輸入，P1.1輸出高電平，使三極管V2導(dǎo)通， 三極管V2導(dǎo)通以后，電容器C1處于放電狀態(tài)，當(dāng)電容上的電量放完以后，我們使P1.1 的輸出電壓轉(zhuǎn)換成低電平，由于三極管V2的集電極變換成了低電平，V2截止，此時(shí)C1上的電容開(kāi)始重新充電，同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)

5、數(shù)，當(dāng)C1 上的電壓不斷上升，并達(dá)到比較器輸入負(fù)端的電壓（此時(shí)為基準(zhǔn)電壓Vref ）時(shí)， 比較器的輸出端由低電平轉(zhuǎn)為高電平，并記錄下計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，為T1。接著單片機(jī)的I/O 口 P1.2 輸出高電平，使模擬開(kāi)關(guān)選擇X1（被測(cè)電壓）作為輸入，P1.1輸出高電平，使三極管 V2導(dǎo)通，此時(shí)電容器C1 又開(kāi)始放電，并且一直把電量放完，然后使P1.1輸出低電平，使三極管 V2截止，V2截止以后C1上的電容被重新充電，同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)C1 上的電壓不斷上升，并達(dá)到比較器輸入負(fù)端的電壓（此時(shí)為基準(zhǔn)電壓）時(shí)，比較器的輸出端由低電平轉(zhuǎn)為高電平，此時(shí)記錄下計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，為T2。由于 C1 是被恒流源充電

6、，因此 C1 上的電壓與充電時(shí)間成正比，即V=T* ko當(dāng)C1的容值與充電的恒流值不變時(shí)，k是一個(gè)固定不變的常數(shù)。由此可以得到：Vref/T1=V1/T2 ，即 V1=Vref*T2/T1由于Vref是基準(zhǔn)電壓（2.5V）,因此只要利用單片機(jī)的定時(shí)器測(cè)出T1和T2,就可以計(jì)算出被測(cè)電壓 V1的值。這樣，就把基準(zhǔn)電壓附近的模擬電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成了1和0表示的數(shù)字信號(hào)，當(dāng)然，1和0的信號(hào)也可以反轉(zhuǎn)成。和1 ,它們的時(shí)間長(zhǎng)短由 T1 和 T2 表示，這和模擬信號(hào)的高低電壓是一致的。但是A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓測(cè)量范圍為 0V至4.5V,當(dāng)C1被充電至大于4.5V時(shí)，恒流源輸出將不再恒流，C1 上的電壓與時(shí)間

7、將不成正比，因此測(cè)量范圍只到4.5V。若要提高被測(cè)電壓范圍，可將輸入電壓通過(guò)電阻分壓后進(jìn)行測(cè)量，但其 A/D 轉(zhuǎn)換的誤差會(huì)受分壓電阻影響。另外圖中的8 選一模擬開(kāi)關(guān)只用到其中的2 路， 實(shí)際應(yīng)用中其它的 6 路也可使用，這樣 A/D 轉(zhuǎn)換的通道可擴(kuò)展到7 路， 因此在用 4個(gè) I/O 口情況下，可實(shí)現(xiàn) 3 路 A/D 轉(zhuǎn)換， 在用 5個(gè) I/O 口情況下，可實(shí)現(xiàn)7 路 A/D 轉(zhuǎn)換。3 誤差分析A/D 轉(zhuǎn)換的誤差主要由基準(zhǔn)電壓、定時(shí)器、比較器、和輸入的干擾信號(hào)等幾個(gè)方面決定，其中基準(zhǔn)電壓是造成A/D 轉(zhuǎn)換誤差的主要原因，如果使基準(zhǔn)電壓Vref 精度越高，則A/D 轉(zhuǎn)換誤差就越小，在Vref電壓

8、精度為1 %青況下，實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換誤差小于1 .8%。對(duì)基準(zhǔn)電壓Vref造成的誤差，只能通過(guò)提高電壓的精度來(lái)解決。如果定時(shí)器誤差較大，或單片機(jī)對(duì)比較器輸出端的電位變化反應(yīng)不靈敏，則測(cè)量到的T1 與 T2 值不準(zhǔn)，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。對(duì)于定時(shí)器誤差，在單片機(jī)中可使P1.0 口采用帶電平變化中斷功能的 I/O 口，以提高反應(yīng)速度，同時(shí)減小恒流源的電流大小，或加大C1電容容量，可以增加T1、T2的測(cè)量時(shí)間，使計(jì)數(shù)值加大， 達(dá)到提高A/D 轉(zhuǎn)換精度的目的。但是減少恒流源的電流大小，或加大 C1 電容容量又會(huì)直接使A/D 轉(zhuǎn)換速度降低，這在本文后面會(huì)提到。3 比較器輸入端的失調(diào)電壓對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換精度有一

9、定影響，但影響較小。選用靈敏度高的比較器可解決比較器輸入端導(dǎo)致的誤差問(wèn)題。4 運(yùn)算誤差：由于V1 值要經(jīng)過(guò)乘除法運(yùn)算后得到，在進(jìn)行運(yùn)算過(guò)程中如果數(shù)據(jù)處理不當(dāng)，如余數(shù)處理不當(dāng)，也會(huì)產(chǎn)生誤差。對(duì)運(yùn)算誤差，可以通過(guò)軟件上的改進(jìn)來(lái)解決。5 干擾誤差：當(dāng)輸入電壓不穩(wěn)時(shí)，恒流源的輸出電流會(huì)有一定的影響，會(huì)產(chǎn)生干擾誤差。對(duì)于干擾造成的誤差，可對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換值進(jìn)行數(shù)字濾波，如多次轉(zhuǎn)換求平均值等方法來(lái)解決。數(shù)字濾波消除誤差的方法很多，在此不再贅述。6如何提高A/D轉(zhuǎn)換速度：由于該轉(zhuǎn)換是通過(guò)恒流源對(duì)C1 電容充電后再進(jìn)行比較來(lái)完成的， C1 電容的充電過(guò)程需要一定的時(shí)間，因此其A/D 轉(zhuǎn)換速度取決于C1 的充電時(shí)

10、間，所以轉(zhuǎn)換速度有限。A/D 轉(zhuǎn)換速度也由恒流源的電流大小、C1 電容的大小、單片機(jī)的工作頻率等因素決定。其中恒流源的充電電流越大，C1 上的電壓上升速度就越快，到達(dá)被比較電壓的時(shí)間也就越短，轉(zhuǎn)換速度就越快。當(dāng)C1 電容容量越小時(shí)，電壓上升速度就越快，到達(dá)被比較電壓的時(shí)間也會(huì)越短，轉(zhuǎn)換速度就越快。但由于計(jì)數(shù)值小，由定時(shí)器造成的測(cè)量誤差也有可能加大。由于 A/D 轉(zhuǎn)換值是經(jīng)過(guò)乘除運(yùn)算后完成的，因此單片機(jī)的運(yùn)算速度也會(huì)對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換速度有影響，尤其當(dāng)計(jì)數(shù)器值為 16 位時(shí)。7 結(jié)束語(yǔ)綜上所述，A/D 轉(zhuǎn)換的速度可以通過(guò)提高單片機(jī)的工作頻率，增大恒流源的輸出電流，減小 C1 電容容值來(lái)加快A/D 轉(zhuǎn)換速