微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)串行AD

1、08·串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)王夢(mèng)碩實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)使用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC549進(jìn)行電壓采集和數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)原理：1·TLC549TLC549是一種8位串行逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換芯片。通用為處理器通過串行控制線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該芯片的控制。該芯片具有4Mhz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、引薦控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)17us，轉(zhuǎn)換速度為40,000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值位6mW。TLC549的管腳示意圖與分配如下：· 4、8腳位電源輸入和接地；· 2腳AIN為模擬采樣電壓的輸入；· 5腳CS_n為片選信號(hào)，當(dāng)CS_n為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸

2、出DATA_OUT端處于高阻狀態(tài)；· 7腳I/OCLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端；· 6腳DOUT為轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)據(jù)輸出端；· 1、3腳為參考電壓輸入端。2·TLC549的工作時(shí)序：TLC549在讀出前一次數(shù)據(jù)后，馬上進(jìn)行電壓采樣，ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完后就進(jìn)入HOLD模式，直到再次讀取數(shù)據(jù)時(shí)，芯片才會(huì)進(jìn)行下一次A/D轉(zhuǎn)換。也就是說，本次讀出的數(shù)據(jù)是前一次的轉(zhuǎn)換值，讀操作后就會(huì)再啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間最長(zhǎng)為17us，芯片沒有轉(zhuǎn)換，結(jié)束信號(hào)輸出。控制時(shí)序：· 將CS置低。內(nèi)部電路在測(cè)得CS下降延后，等待ten后自動(dòng)將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位（D7）位輸

3、出到DATA_OUT端。· 前四個(gè)I/O_CLOCK周期的下降沿一次移出第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后，CS必須為高，或I/O_CLOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持tconv以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：電原理圖：本次試驗(yàn)兩部分電原理圖基本相同，唯一不同在于TLC549的AIN端輸入信號(hào)：第1部分輸入直流電壓信號(hào)；第2部分輸入

4、正弦信號(hào)。1·REF+連基準(zhǔn)源的+5V（通過可調(diào)電阻調(diào)整），CLK、DAT和-CS分別連P10、P11和P12。D2區(qū)電位器的輸出連ANIN。通過單片機(jī)P1口控制串行AD轉(zhuǎn)換芯片TLC549實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號(hào)的采集，并存入內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。記錄10組不同的電壓轉(zhuǎn)換值，并分析誤差。程序代碼、注釋及流程圖：CSBITP1.2DATBITP1.1CLKBITP1.0AD_DATADATA 30HORG8000HAJMPMAINORG8100HMAIN:MOVSP, #60HACALLTLC549_ADC; 先進(jìn)行一次采樣MOVR7, #0FFH; 延時(shí)DJNZR7, $ACALLTLC549_

5、ADC; 獲得上次采樣的結(jié)果MOVAD_DATA, A; 存儲(chǔ)采樣結(jié)果SJMP$TLC549_ADC:CLRACLRCLKCLRCS; 選中TLC549MOVR6, #8TLCAD_L1:SETBCLKNOPNOPMOVC, DATRLCACLRCLK; DAT=0，為讀出下一位數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備NOPDJNZR6, TLCAD_L1SETBCS; 禁止TLC549，再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換SETBCLKRET;END仿真效果：以下幾幅圖片是電位器撥到不同位置時(shí)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。 2·使用信號(hào)源產(chǎn)生0+5V區(qū)間的正弦波，使用串行A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，并利用采樣定律分析采樣頻率與輸入

6、信號(hào)頻率的關(guān)系。 程序代碼、注釋及流程圖：CSBITP1.2DATBITP1.1CLKBITP1.0ORG8000HAJMPMAINORG800BHAJMPINTT0ORG8100HMAIN:MOVSP, #60HMOVR1, #30HACALLTLC549_ADC; 先運(yùn)行一次MOVTMOD, #02HMOVTH0, #37HMOVTL0, #37H; 設(shè)置采樣率，可變SETBET0; 允許T0中斷SETBEA; 打開總中斷SETBTR0; 開始計(jì)時(shí)CJNER1, #50H, $; 在R1達(dá)到50H前一直等待中斷CLRTR0SJMP$;TLC549_ADC:CLRACLRCLKCLRCSMO

7、VR6, #8TLCAD_L1:SETBCLKNOPNOPMOVC, DATRLCACLRCLKNOPDJNZR6, TLCAD_L1SETBCSSETBCLKRET;ORG8400HINTT0:; T0中斷程序ACALLTLC549_ADCMOVR1, AINCR1; 地址指針+1RETI;END仿真效果：下圖是一次采樣的結(jié)果：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)記錄：1·REF+連基準(zhǔn)源的+5V（通過可調(diào)電阻調(diào)整），CLK、DAT和-CS分別連P10、P11和P12。D2區(qū)電位器的輸出連ANIN。通過單片機(jī)P1口控制串行AD轉(zhuǎn)換芯片TLC549實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號(hào)的采集，并存入內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。記錄10組不

8、同的電壓轉(zhuǎn)換值，并分析誤差。參考電壓為5.02V，測(cè)量10組數(shù)據(jù)12345678910模擬值5.024.394.033.613.032.672.171.451.080.69數(shù)字值（轉(zhuǎn)換前）255225207184155136109745433數(shù)字值（轉(zhuǎn)換后）5.004.414.063.613.042.672.141.451.060.65絕對(duì)誤差-0.020.020.030.000.010.00-0.030.00-0.02-0.04相對(duì)誤差-0.39%0.50%0.72%-0.05%0.31%-0.12%-1.50%0.08%-1.95%-6.22%2·使用信號(hào)源產(chǎn)生0+5V區(qū)間的正弦

9、波，使用串行A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，并利用采樣定律分析采樣頻率與輸入信號(hào)頻率的關(guān)系。采樣頻率固定為10kHz，對(duì)不同頻率正弦波進(jìn)行采樣：a·4.21kHZ12345678轉(zhuǎn)換值0.980.234.411.462.463.690.554.80910111213141516轉(zhuǎn)換值0.453.812.291.624.340.254.671.001718192021222324轉(zhuǎn)換值3.033.180.884.730.274.221.762.132526272829303132轉(zhuǎn)換值3.960.414.790.633.542.641.334.53b·1.66kHZ1

10、2345678轉(zhuǎn)換值4.711.880.270.983.244.774.001.68910111213141516轉(zhuǎn)換值0.251.133.444.793.851.500.231.311718192021222324轉(zhuǎn)換值3.614.803.671.330.231.483.794.802526272829303132轉(zhuǎn)換值3.501.150.251.663.954.793.301.00c·803HZ12345678轉(zhuǎn)換值4.753.131.950.940.330.290.821.82910111213141516轉(zhuǎn)換值2.994.024.694.794.323.382.211.131

11、718192021222324轉(zhuǎn)換值0.410.250.661.582.733.834.594.822526272829303132轉(zhuǎn)換值4.473.612.461.330.530.230.551.35d·393HZ12345678轉(zhuǎn)換值3.812.702.111.561.070.680.410.25910111213141516轉(zhuǎn)換值0.250.390.661.041.522.072.643.201718192021222324轉(zhuǎn)換值3.734.184.514.734.824.774.574.262526272829303132轉(zhuǎn)換值3.813.302.732.151.601.09

12、0.680.41實(shí)驗(yàn)分析：1·AD轉(zhuǎn)換的誤差本實(shí)驗(yàn)采用的ADC方式是利用2進(jìn)制數(shù)向上逼近，即從高位向低位逐級(jí)置1，如果置1后DAC結(jié)果大于模擬值，則將這一位置0，否則保留；如此重復(fù)逐位判斷。因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)換方式，轉(zhuǎn)換值與實(shí)際值之間的誤差其實(shí)為截尾誤差（僅考慮轉(zhuǎn)換方法造成的誤差）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際情況：模數(shù)轉(zhuǎn)換間隔約為0.02V，所以誤差最大為-0.02V，最小為0V，均勻分布，期望值位-0.01V。實(shí)際測(cè)量10組數(shù)據(jù)的誤差平均值也為-0.01V，但這個(gè)數(shù)據(jù)沒有參考價(jià)值?？梢钥吹接?組數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差為正數(shù)，這顯然是由于其他誤差造成的，因?yàn)槲覀兪褂玫膶?shí)驗(yàn)器材本身會(huì)帶來誤差，比如在DAC中產(chǎn)生

13、誤差導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷，實(shí)驗(yàn)操作者也會(huì)將偶然誤差帶入實(shí)驗(yàn)結(jié)果中。所以從測(cè)量結(jié)果中我們只能得出ADC轉(zhuǎn)換比較精確的結(jié)論。2·采樣定理在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率fs.max大于信號(hào)中最高頻率fmax的2倍時(shí)(fs.max>=2fmax)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息。以上為采樣定理。用10kHz采樣信號(hào)采樣不同頻率信號(hào)。對(duì)4.21kHz正弦信號(hào)進(jìn)行采樣可以看出，采樣后的數(shù)字信號(hào)并不能很好地保留原始信號(hào)，即使已經(jīng)滿足了采樣定理的條件?？梢?，如果對(duì)更高頻率的信號(hào)進(jìn)行采樣，獲得的結(jié)果會(huì)更加不理想。對(duì)采樣定理的實(shí)際應(yīng)用中，一般保證采樣頻率位信號(hào)最高頻率的510倍。在b、c、d三組數(shù)據(jù)中，被采樣信號(hào)頻率逐漸降低，可以看出頻率越低，正弦波被越好地還原。但同時(shí)為了節(jié)省資源，如采樣結(jié)果序列的長(zhǎng)