單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)第10章---AD轉(zhuǎn)換課件

1、第10章 A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)自然界中的物理量大多是模擬信號(hào)，如溫度、壓力、位移、轉(zhuǎn)速等，單片機(jī)在采集模擬信號(hào)時(shí)，一般先根據(jù)實(shí)際的物理量借助相應(yīng)的傳感器將其轉(zhuǎn)為電信號(hào)（電壓或電流）。然后再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸入到單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，在這過程中，把實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，也稱A/D轉(zhuǎn)換器。第10章 A/D轉(zhuǎn)換10.1 A/D轉(zhuǎn)換原理及性能指標(biāo)一般的A/D轉(zhuǎn)換過程包括三個(gè)部分：采樣保持、量化和編碼。首先，對(duì)輸入的模擬電壓信號(hào)采樣即將模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化，結(jié)束后進(jìn)入保持時(shí)間。其次，在這段時(shí)間內(nèi)將采樣的電壓量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量即在幅度上離散化。最后，將每個(gè)量化后的

2、樣值用一定的二進(jìn)制碼來(lái)表示轉(zhuǎn)換結(jié)果。為確保轉(zhuǎn)換結(jié)果的精確度，A/D轉(zhuǎn)換器必須滿足一定的轉(zhuǎn)換精度和速度。轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是衡量A/D轉(zhuǎn)換器的重要技術(shù)指標(biāo)。此外還有分辨率、量程、量化誤差、線性度等。1. 分辨率分辨率表示A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入信號(hào)變化的敏感程度，通常用轉(zhuǎn)換后數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示。N位轉(zhuǎn)換器，其數(shù)字量變化范圍為02N-1。例如8位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入5V滿量程電壓，則分辨率為5/28=19.5mV。3. 量化誤差量化誤差是A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的差值。一般是由于A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率有限引起的。量化誤差在1/2LSB(最低有效位)之間。2. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指

3、與數(shù)字輸出量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之間的差值。A/D轉(zhuǎn)換電路中與每個(gè)數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬輸入量并非是一個(gè)單一的數(shù)值，而是一個(gè)范圍值 ,其中 的大小理論上取決于分辨率。定義 為數(shù)字量的最小有效位LSB。4.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，單位為SPS(Sample Per Second)每秒采樣點(diǎn)數(shù)，常稱為采樣頻率。一般轉(zhuǎn)換速率越快越好，常見的有高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間1s）,中速（轉(zhuǎn)換時(shí)間1ms）和低速（轉(zhuǎn)換時(shí)間1s）等。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)總的位數(shù)、精度要求、輸入模擬信號(hào)的范圍及輸入信號(hào)極性等方面綜合考慮A/D轉(zhuǎn)換器的選用。10.2 IAP15W4K58S4單片機(jī)A

4、/D模塊的結(jié)構(gòu)IAP15W4K58S4單片機(jī)集成有8路10位高速電壓輸入型模擬轉(zhuǎn)換器（ADC）,轉(zhuǎn)換方式為逐次逼近式，頻率可達(dá)300kHZ（30萬(wàn)次/秒）。10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)IAP15W4K58S4單片機(jī)ADC(A/D轉(zhuǎn)換器)的結(jié)構(gòu)如下圖10-1所示。其輸入通道與P1端口復(fù)用，系統(tǒng)上電復(fù)位后，P1口默認(rèn)為弱上拉I/O口，可通過設(shè)置P1ASF寄存器的相應(yīng)位將對(duì)應(yīng)引腳設(shè)置為ADC輸入通道。 圖10-1 IAP15W4K58S4單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖IAP15W4K58S4單片機(jī)的ADC由多路選擇開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器(ADC_RES和ADC_RE

5、SL)以及ADC控制寄存器（ADC_CONTR）等構(gòu)成。IAP15W4K58S4單片機(jī)的ADC是逐次比較型ADC，由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較，從最高位(MSB)開始，順序地對(duì)每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模量對(duì)應(yīng)值，轉(zhuǎn)換結(jié)束，將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，同時(shí)，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位ADC_FLAG,以供程序查詢或發(fā)出中斷申請(qǐng)。8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器，若參考電壓為5V，檔輸入電壓為2.52V時(shí)，輸出的數(shù)字量是什么？分析：參考電壓為5V的8

6、位A/D轉(zhuǎn)換，其量化電平為10.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的相關(guān)寄存器IAP15W4K58S4單片機(jī)的ADC相關(guān)寄存器主要有：P1口模擬功能控制寄存器P1ASFADC控制寄存器ADC_CONTRA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES、ADC_RESL10.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的相關(guān)寄存器1. P1口模擬功能控制寄存器P1ASF寄存器P1ASF控制P1口8個(gè)I/O的功能。P1ASF寄存器（地址為9DH，復(fù)位值為0000 0000B）各位定義如表10-1所示：P1nASF(n=07)，P1.0P1.7為功能控制位：當(dāng)P1nASF=0,對(duì)應(yīng)引腳為基本I/O。當(dāng)P1nASF=1,對(duì)應(yīng)引腳為ADC的相應(yīng)輸入通道。

7、P1ASF寄存器不能位尋址，可采用字節(jié)操作。實(shí)際程序中可采用控制位與1相或?qū)崿F(xiàn)置1的原理，如執(zhí)行語(yǔ)句P1ASF | 1=0X01，使P1.作為模擬輸入通道。2. ADC控制寄存器ADC_CONTRADC_CONTR寄存器主要用于設(shè)定ADC轉(zhuǎn)換輸入通道、轉(zhuǎn)換速度和啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志等。ADC_CONTR寄存器（地址為BCH，復(fù)位值為0000 0000B）的各位定義如表10-2所示：ADC_POWER：ADC 電源控制位。 ADC_POWER =0，關(guān)閉ADC 電源。 ADC_POWER =1，打開ADC電源。建議進(jìn)入空閑模式和掉電模式前，將ADC電源關(guān)閉，可降低功耗。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換前一定要確認(rèn)A

8、/D電源已打開，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后可關(guān)閉A/D電源，也可不關(guān)閉。初次打開內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模擬電源，需適當(dāng)延時(shí)，等內(nèi)部模擬電源穩(wěn)定后，再啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。建議在轉(zhuǎn)換結(jié)束之前，不改變?nèi)魏蜪/O口的狀態(tài)，這樣有利于高精度A/D 轉(zhuǎn)換。IAP15W4K58S4單片機(jī)的參考電壓源是輸入工作電壓Vcc，一般不用外接參考電壓源。若Vcc不穩(wěn)定，則在8路A/D轉(zhuǎn)換的任意一個(gè)通道外接一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓源，來(lái)計(jì)算出此時(shí)的工作電壓Vcc，再計(jì)算出其他A/D轉(zhuǎn)換通道的電壓。ADC_FLAG： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位。 ADC_FLAG=0，ADC轉(zhuǎn)換沒有結(jié)束。 ADC_FLAG=1，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束。不管A/D 轉(zhuǎn)換是工作于中

9、斷還是查詢方式，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，必須通過軟件將ADC_FLAG清0。ADC_START： ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制位。 ADC_START=0，ADC轉(zhuǎn)換停止。 ADC_START=1，ADC轉(zhuǎn)換開始。3. ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)整寄存器位ADRJADC轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)整寄存器位ADRJ位于寄存器CLK_DIV/PCON中，用于控制ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果存放的位置。其各位定義如表10-5所示。ADRJ：ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)格式調(diào)整控制位ADRJ=0：ADC_RES存放高8位ADC結(jié)果， ADC_RESL存放低2位ADC結(jié)果。ADRJ=1：ADC_RES存放高2位ADC結(jié)果， ADC_RESL存放低8位ADC結(jié)果4.

10、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES、ADC_RESL 特殊功能寄存器ADC_RES和ADC_RESL寄存器用于保存A/D轉(zhuǎn) 換結(jié)果。 其存儲(chǔ)格式如下表10-6和9-7所示。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算公式如下： ADRJ=0，取10位結(jié)果（ADC_RES7:0,ADC_REL1:0） D =1024*Vin/VccADRJ=0，取8位結(jié)果（ADC_RES7:0,）=256*Vin/VccADRJ=1，取10位結(jié)果（ADC_RES1:0,ADC_REL7:0,）D =1024*Vin/Vcc 式中，Vin為模擬輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，用單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓。5. 與A/D轉(zhuǎn)

11、換中斷相關(guān)的寄存器（1）中斷允許寄存器IE中斷允許寄存器IE地址為A8H，可位尋址。格式如表10-8所示：EA：CPU的中斷總控制標(biāo)志 EA=1，CPU 允許中斷， EA=0，CPU 屏蔽所有的中斷申請(qǐng)。 EADC： A/D轉(zhuǎn)換中斷允許位 EADC=1 ，允許A/D轉(zhuǎn)換中斷， EADC=0 ，禁止A/D轉(zhuǎn)換中斷。（2）中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器IP中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器地址為B8H，可位尋址。其格式如表10-9所示：PADC：A/D 轉(zhuǎn)換中斷優(yōu)先級(jí)控制位。 當(dāng)PADC=0 時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換中斷為最低優(yōu)先級(jí)中斷(優(yōu)先級(jí)0) 當(dāng)PADC=1 時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換中斷為最高優(yōu)先級(jí)中斷(優(yōu)先級(jí)1)10.3 IAP15

12、W4K58S4單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的應(yīng)用IAP15W4K58S4單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的應(yīng)用編程要點(diǎn)如下：（1）設(shè)置ADC_CONTR寄存器中的ADC_POWER=1，打開ADC電源。（2）延時(shí)大約1ms，等待ADC內(nèi)部電源穩(wěn)定。（3）設(shè)置P1ASF寄存器相關(guān)位，選擇P1口相應(yīng)引腳為A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入通道。（4）設(shè)置ADC_CONTR寄存器中的CHS2CHS0，選擇ADC輸入通道。（5）設(shè)置CLK_DIV寄存器中的ADRJ，選擇轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)格式。（6）啟動(dòng)ADC。（7）若采取查詢法，查詢ADC_FLAG位判斷轉(zhuǎn)換是否完成，完成則讀取轉(zhuǎn) 換結(jié)果。若采取中斷法，開ADC中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取轉(zhuǎn)換結(jié) 果并

13、清除ADC_FLAG位。【例1】 利用IAP15W4K58S4單片機(jī)中的ADC轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入電壓進(jìn)行測(cè)量并顯示在數(shù)碼管上。請(qǐng)編寫單片機(jī)程序。解：C語(yǔ)言源程序代碼如下：#include stc15w4k32s4.h /包含單片機(jī)頭文件#include tm1638.h /包含數(shù)碼管顯示頭文件#include /包含該文件可以使用_nop_()函數(shù)#define VCC 5000 /定義電源電壓#define ADC_POWER 0 x80 / ADC控制位定義，ADC電源控制位#define ADC_FLAG 0 x10 /ADC轉(zhuǎn)換完成標(biāo)記#define ADC_START 0 x08 /ADC

14、開始轉(zhuǎn)換標(biāo)記#define ADC_SPEEDLL 0 x00 /ADC轉(zhuǎn)換速率540時(shí)鐘#define ADC_SPEEDL 0 x20 /ADC轉(zhuǎn)換速率360時(shí)鐘#define ADC_SPEEDH 0 x40 /ADC轉(zhuǎn)換速率180時(shí)鐘#define ADC_SPEEDHH 0 x60 /ADC轉(zhuǎn)換速率90時(shí)鐘10.3 IAP15W4K58S4單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的應(yīng)用/* ADC通道定義 */#define ADC_CHANNEL0 0 x00 /轉(zhuǎn)換通道P1.0#define ADC_CHANNEL1 0 x01 /轉(zhuǎn)換通道P1.1#define ADC_CHANNEL2 0 x02 /

15、轉(zhuǎn)換通道P1.2#define ADC_CHANNEL3 0 x03 /轉(zhuǎn)換通道P1.3#define ADC_CHANNEL4 0 x04 /轉(zhuǎn)換通道P1.4#define ADC_CHANNEL5 0 x05 /轉(zhuǎn)換通道P1.5#define ADC_CHANNEL6 0 x06 /轉(zhuǎn)換通道P1.6#define ADC_CHANNEL7 0 x07 /轉(zhuǎn)換通道P1.7/* ADC端口模擬功能 */#define P1ASF_00 x01 /設(shè)置P1.0口為ADC端口#define P1ASF_10 x02 /設(shè)置P1.1口為ADC端口#define P1ASF_20 x04 /設(shè)置P1.

16、2口為ADC端口#define P1ASF_30 x08 /設(shè)置P1.3口為ADC端口#define P1ASF_40 x10 /設(shè)置P1.4口為ADC端口#define P1ASF_50 x20 /設(shè)置P1.5口為ADC端口#define P1ASF_60 x40 /設(shè)置P1.6口為ADC端口#define P1ASF_70 x80 /設(shè)置P1.7口為ADC端口/* 定義全局變量 */unsigned char ADCCnt=0; unsigned int ADCResult=0;unsigned long int ADCSum=0;/* 函數(shù)聲明 */void IO_Init(void);

17、 void ADC_Init(void);void ADC_Process(void);void Delay_ms(unsigned int ms);unsigned int ADC_GetResult(unsigned char ch);void main(void) /主函數(shù) IO_Init(); /端口初始化ADC_Init(); /ADC初始化 TM1638_Init(); /TM1638初始化 while(1) ADC_Process(); /ADC數(shù)據(jù)采集并且處理 Delay_ms(10); /適當(dāng)延時(shí)，無(wú)需采集過快 void ADC_Process(void) / ADC數(shù)據(jù)處理

18、函數(shù) ADCSum+=ADC_GetResult(ADC_CHANNEL2); /從AD通道采集數(shù)據(jù)， / 并且進(jìn)行累加 ADCCnt+; /計(jì)數(shù)器加1 if(ADCCnt=32) /如果累加到32個(gè)數(shù)據(jù)，則開始處理 ADCCnt=0; ADCSum=ADCSum5; /(ADCSum5)等價(jià)于(ADCSum/32)， /對(duì)32個(gè)數(shù)據(jù)取平均 ADCSum=ADCSum*VCC/1024; /ADC=(Vin/Vref)*1024，根據(jù) /ADC計(jì)算公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換 ADCResult=(unsigned int)ADCSum; /保存轉(zhuǎn)換結(jié)果并進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換， /方便顯示 ADCSum=0; /清除

19、AD暫存變量 ToDisplayBuf(ADCResult); /顯示測(cè)量結(jié)果void Delay_ms(unsigned int ms) /延時(shí)函數(shù) unsigned int i; while( (ms-) != 0) for(i = 0; i 580; i+); void ADC_Init(void) / ADC初始化函數(shù)P1ASF |=P1ASF_2; /P1.2口做為AD轉(zhuǎn)換通道ADC_RES=0; /ADC數(shù)據(jù)寄存器清零ADC_CONTR=ADC_POWER | ADC_SPEEDLL; /打開AD轉(zhuǎn)換器 /電源，設(shè)置轉(zhuǎn)換速率Delay_ms(2); /延時(shí)2ms，等待ADC上電穩(wěn)定

20、/*獲取ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果*/unsigned int ADC_GetResult(unsigned char ch) unsigned int ADC_Value; ADC_CONTR =ADC_POWER | ADC_SPEEDLL| ch | ADC_START; /啟動(dòng)ADC _nop_(); /延時(shí) _nop_(); _nop_(); _nop_(); while (!(ADC_CONTR & ADC_FLAG); /等待AD轉(zhuǎn)換完成 ADC_CONTR &= ADC_FLAG; /清除轉(zhuǎn)換完成標(biāo)記 ADC_Value=ADC_RES; /讀取ADC高八位 ADC_Value=(ADC

21、_Value2)|ADC_RESL; /讀取ADC低兩位且數(shù)據(jù) /合并 return ADC_Value; /返回?cái)?shù)據(jù) /*單片機(jī)IO端口模式初始化函數(shù)*/ void IO_Init(void) P2M1 &=( (15) | (16) | (17); /初始化P2.5,P2.6,P2.7口 /為準(zhǔn)雙向口P2M0 &=( (15) | (16) | (17); P1M1 |=( 12); /初始化P12為輸入P1M0 &=( 12); P1M1 &=( (10) | (14) ); P1M0 &=( (10) | (14) ); 【例2】利用IAP15W4K58S4單片機(jī)中的ADC內(nèi)部基準(zhǔn)對(duì)單

22、片機(jī)的工作電壓進(jìn)行測(cè)量并顯示在數(shù)碼管上。解：C語(yǔ)言源程序代碼如下： #define MAIN_Fosc 22118400L /定義主時(shí)鐘 #include STC15Fxxxx.H #define DIS_DOT 0 x20 #define DIS_BLACK 0 x10 #define DIS_ 0 x11 #define P1n_pure_input(bitn) P1M1 |= (bitn), P1M0 &= (bitn) #define LED_TYPE 0 x00 /定義LED類型, 0 x00-共陰, 0 xff-共陽(yáng) #define Timer0_Reload (65536UL -

23、(MAIN_Fosc / 1000)/Timer 0 中斷頻率, 1000次/秒/*本地常量聲明*/標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F、black、/- 、H、J、K、L、N、o、P、U、t、G、Q、r、M、y、0. 、1.、 2. 、/3. 、4. 、5.、 6. 、7.、8. 、9.、 -1u8 code t_display = 0 x3F,0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x7F,0 x6F,0 x77,0 x7C,0 x39,0 x5E,0 x79,0 x71,0 x00,0 x40,0 x76,

24、0 x1E,0 x70,0 x38,0 x37,0 x5C,0 x73,0 x3E,0 x78,0 x3d,0 x67,0 x50,0 x37,0 x6e,0 xBF,0 x86,0 xDB,0 xCF,0 xE6,0 xED,0 xFD,0 x87,0 xFF,0 xEF,0 x46;u8 code T_COM = 0 x01,0 x02,0 x04,0 x08,0 x10,0 x20,0 x40,0 x80;/位碼/*IO口定義*/sbit P_HC595_SER = P40;/pin 14SER數(shù)據(jù)輸入 P_HC595_RCLK = P54; /pin 12RCLk存儲(chǔ)時(shí)鐘P_HC595

25、_SRCLK = P43; /pin 11SRCLK轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)塊/*本地變量聲明*/u8 LED88; /顯示緩沖u8 display_index; /顯示位索引bit B_1ms; /1ms標(biāo)志u8 msecond;u16 Get_ADC10bitResult(u8 channel); /選擇通道07/*主函數(shù)*/void main(void) u8 i; u16 j; P0M1 = 0; P0M0 = 0; /設(shè)置為準(zhǔn)雙向口 P1M1 = 0; P1M0 = 0; /設(shè)置為準(zhǔn)雙向口 P2M1 = 0; P2M0 = 0; /設(shè)置為準(zhǔn)雙向口 P3M1 = 0; P3M0 = 0; /設(shè)置為準(zhǔn)雙向口 P4M1 = 0; P4M0 = 0; /設(shè)置為準(zhǔn)雙向口 P5M1 = 0; P5M0 = 0; /設(shè)置為準(zhǔn)雙向口 P6M1 = 0; P6M0 = 0; /設(shè)置為準(zhǔn)雙向口 P7M1 = 0; P7M0 = 0; /設(shè)置為準(zhǔn)雙向口/*主函數(shù)*/ display_index = 0; P1ASF = 0; /對(duì)內(nèi)部基準(zhǔn)做ADC ADC_CONTR = 0 xE0; /90T, ADC上電 AUXR = 0 x80; /Timer0 工作在1T, 16 位定時(shí)器自動(dòng)重載 TH0 = (u8)(Timer0_Reload / 256); TL0 =