模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設計與實現(xiàn)

1、電子產(chǎn)品設計制作與故障診斷學習情境5：模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設計與實現(xiàn)電子產(chǎn)品設計制作與故障診斷課程建設組2010年2月第一版學習情境5:模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設計與實現(xiàn)5.1學習目標通過完成該情境所設定的任務，同學能夠?qū)⒁欢ǚ秶鷥?nèi)的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成所要求的 數(shù)字量，以便于單片機（或計算機）處理。5.2工作任務5.2.1工作任務名稱應用ADC0804芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換5.2.2工作任務背景很多檢測儀表類電子產(chǎn)品要求對工業(yè)現(xiàn)場或所作業(yè)環(huán)境的模擬量（如壓力、流量、溫度或光 強等）進行采集并保存。當前電子產(chǎn)品的核心控制和數(shù)據(jù)處理單元（無論本情境中的單片機 還是DSP、CPLD或上位機的CPU）是建立在數(shù)字方式基礎上

2、的。所以需要將模擬電信號轉(zhuǎn)換 成數(shù)字量供CPU處理。5.2.3完成工作任務要達到的技術標準單片機作為一個微型計算機系統(tǒng)，需要測量外部的各種信號，然后進行計算，從而得到 需要對外部進行控制的數(shù)據(jù)。模數(shù)變換電路就是將變送器整理好的模擬信號變換為數(shù)字信號 的電路。本情境主要是讓同學們了解模數(shù)變換電路的工作原理和種類、根據(jù)需要選擇合適的 模數(shù)變換電路、模數(shù)變換電路和單片機接口電路的設計方法、電路的焊接和調(diào)試方法。具體實施步驟：（1）根據(jù)模數(shù)變化電路的類型選擇芯片，查閱相關的說明書和技術手冊。（2）根據(jù)模數(shù)變換電路芯片的型號和相應的數(shù)據(jù)手冊確定電路結構，設計模數(shù)變換電路 和單片機的接口電路。模數(shù)變換電路

3、設計和制作以及要求達到的技術標準（1）轉(zhuǎn)換時間小于100微秒（2）轉(zhuǎn)換精度1 LSB以內(nèi)5.2.4完成工作任務所需要的設備、工具和材料電源 焊臺 電容、電阻、導線等 ADC0832（串行AD芯片）ADC0804（并行AD芯片） 89S52（單片機芯片）5.3任務知識點5.3.1 ADC0804 的介紹所謂A/D轉(zhuǎn)換器就是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter簡稱ADC）， 是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。信號輸入端的信號可以是傳感器（Sensor）或轉(zhuǎn)換 器（Transducer）的輸出，而ADC輸出的數(shù)字信號可以提供給微處理器，以便更廣泛地應用。ADC0

4、804的規(guī)格及引腳圖（1）8位COMS逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器；（2）三態(tài)鎖定輸出；（3）存取時間：135p s；（4）分辨率：8位；（5）轉(zhuǎn)換時間：100p s；（6）總誤差：1LSB；(7)工作溫度：ADC0804 LCN0C+70C；(8) ADC0804 LCD40C+85C；(9)引腳圖及說明如圖2.1所示。1/CSVCC (VREF)202/RDCLK R193/WRDB0184CLK INDB1175/INTRDB2166VIN(+)DB3157VIN(-)DB4148AGNDDB5139VREF/2DB61210DGNDDB711ADC08 04ADC08 01圖5.1 A/D

5、轉(zhuǎn)換器件引腳圖/CS：芯片選擇信號。/RD：外部讀取轉(zhuǎn)換結果的控制腳輸出信號/RD為HI時，DB0DB7處于高阻抗；/RD為LO 時，數(shù)字數(shù)據(jù)才會輸出。/WR：用來啟動轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當于ADC的轉(zhuǎn)換開始(/CS=0時)，當/WR由HI變?yōu)長O 時，轉(zhuǎn)換器被清除；當/WR回到HI時，轉(zhuǎn)換正式開始。CLK IN，CLK R：時鐘輸入或接振蕩元件(R，C)，頻率約限制在100kHZ1460kHZ，如果使 用RC電路則其振蕩頻率為1/ (1.1 RC)。/INTR：中斷請求信號輸出，低電平動作。VIN ( + )、VIN (-)：差動模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時，VIN (-)接地；而差動輸入時

6、， 直接加入 VIN ( + )、VIN (-)。AGND，DGND:模擬信號以及數(shù)字信號的接地。VREF：輔助參考電壓。DB0DB7： 8位的數(shù)字輸出。VCC：電源供應以及作為電路的參考電壓。2.2.3ADC0804電壓輸入與數(shù)字輸出關系如表2-1所示表5-1 ADC0804電壓輸入與數(shù)字輸出關系表（節(jié)選）VREF=5.00 伏輸入電壓值（mV）輸出數(shù)字量0.000000000000(0 x00)19.5312500000001(0 x01)39.0625000000002(0 x02).2480.4687501111111(0 x7f)2500.0010000000(0 x80).4980

7、.4687511111110(0 xfe)5000.0011111111(0 xff)例：VIN=2.4V,由上表可知 0111 1101 即 0 x7c。思考1：實際值2.4V更接近0 x7d，為什么不取0 x7d？思考2:在VREF=5V時，理論上1 bit代表19.53125mV，實際上達不到這么高的精度。為什 么達不到？如何提高精度？5.3.2根據(jù)芯片制造商給出的資料，我們設計出AD轉(zhuǎn)換原理圖并給出軟件仿真效果。-|g|x|1515 8031 - ISIS Frofessi on al (Auiaatiiig)-|g|x|File Vi ew Edi t Tools Design Gr

8、aph Source Debug Library Template System HelprA*m!琶，irFD極回1CWATT1K74HC24574HC37374HCT0280C316264ADC0804ADC0809AVC0603x：7FI1 N心：:imi_i2wBATTERYCRYSTALISINELED-BAR GRAPH-Fl EDLED-BI BYPOT-LINFlESFACK-874HCT02土開始|固HBCCEFG DF:02RP201C3：| 1 | II | | O 5 Message(s)ANIMATING: 00:00:08.750000 (CPU load 63%)

9、甌 UHTITLED - 工SIS Pro. . . | 仁)情景3| 8031 - ISIS Profess. 一) AD 暗景資料| -2400.0 -3100.0-th10:255.3.3根據(jù)原理圖以及芯片時序，軟件設計如下:#include #include #include unsigned char i=0;unsigned char l,n,m,sum;unsigned char shuma=0 x3f, / 00 x06, / 10 x5b, / 2 TOC o 1-5 h z 0 x4f,/30 x66,/40 x6d,/50 x7d,/60 x07, / 70 x7f, /

10、 80 x6f / 9；main()while(1)P3=0 xbf; / wr=0 rd=1根據(jù)pdf資料里面的時序要求P3=0 x7f;/ wr=1 rd=0 啟動 AD 轉(zhuǎn)換P0=0 xff;/數(shù)碼管賦初值/ P1=0 x32;/ P2=0 xe;/ P2=0 x7d;/ P2=0 x7b;sum=P0;/16l=sum%0 x0a; /個位n=sum/0 x0a%0 x0a; / 十位m=sum/0 x64;/ 百位switch(l)case 0: P2=0 xe;P1=shuma0; break;case 1: P2=0 xe;P1=shuma1; break;case 2: P2=

11、0 xe;P1=shuma2; break;case 3: P2=0 xe;P1=shuma3; break;case 4: P2=0 xe;P1=shuma4; break;case 5: P2=0 xe;P1=shuma5; break;case 6: P2=0 xe;P1=shuma6; break;case 7: P2=0 xe;P1=shuma7; break;case 8: P2=0 xe;P1=shuma8; break;case 9: P2=0 xe;P1=shuma9; break;switch(n)case 0: if(m!=0)P2=0 x7d;P1=shuma0; br

12、eak;case 1: P2=0 x7d;P1=shuma1; break;case 2: P2=0 x7d;P1=shuma2; break;case 3: P2=0 x7d;P1=shuma3; break;case 4: P2=0 x7d;P1=shuma4; break;case 5: P2=0 x7d;P1=shuma5; break;case 6: P2=0 x7d;P1=shuma6; break;case 7: P2=0 x7d;P1=shuma7; break;case 8: P2=0 x7d;P1=shuma8; break;case 9: P2=0 x7d;P1=shum

13、a9; break;switch(m)case 0: P2=0 x7f;P1=shuma0; break;case 1: P2=0 x7b;P1=shuma1; break;case 2: P2=0 x7b;P1=shuma2; break;case 3: P2=0 x7b;P1=shuma3; break;case 4: P2=0 x7b;P1=shuma4; break;case 5: P2=0 x7b;P1=shuma5; break;case 6: P2=0 x7b;P1=shuma6; break;case 7: P2=0 x7b;P1=shuma7; break;case 8: P

14、2=0 x7b;P1=shuma8; break;case 9: P2=0 x7b;P1=shuma9; break;5.4任務實施5.4.1任務實施步驟接受任務單制定實施計劃設計模數(shù)變換電路和單片機的接口電路。合理選擇元器件和核算元件價格。設計電路原理圖并編制材料清單根據(jù)設計的模數(shù)變換電路和接口電路原理圖。根據(jù)電路，編寫單片機程序后，在仿真軟件中進行效果測試，成功后制作硬件電路。對該電路板上電，進行測試。改變輸入電壓信號大小、外界電磁干擾、機械振動、溫 度等條件，記錄AD轉(zhuǎn)換結果和轉(zhuǎn)換時間等原始數(shù)據(jù)，然后計算轉(zhuǎn)換精度、以及線性度 等參數(shù)。分析該電路板各個參數(shù)是否達到芯片數(shù)據(jù)手冊所聲明的水平，

15、并分析原因。重點觀察 轉(zhuǎn)換精度是否能保證7bit和轉(zhuǎn)換時間兩個參數(shù)。轉(zhuǎn)換時間通過修改程序fclk頻率觀察 是否能得到正確轉(zhuǎn)換結果。（7、8為現(xiàn)場運行調(diào)試和分析）撰寫實驗報告5.4.2本情境任務原理圖本情境要求使用總線方式實現(xiàn)對ADC0804進行控制，原理圖如圖所示?？偩€上鍵盤和 顯示為情境4所設計。各個模塊使用低電平選通，AD、DA、鍵盤、顯示（注意各個模塊里面 的邏輯芯片的正確使用）的地址分別使用0 xEFFF（P2.4）、0 xDFFF（P2.5）、0 xBFFF（P2.6） 和 0 x7FFF（P2.7）。5.4.3電路板接口安排5.5問題與思考1如果輸入端（傳感器、或其他檢測電路）給出

16、的是電流信號，如何處理？（加電阻轉(zhuǎn) 換成電壓信號或其他方式?大電阻？小電阻？會有什么不同？采用電流方式AD芯片， 通過電流放大器芯片）2 AD芯片選擇時，如何考慮與輸入端之間輸入輸出阻抗問題？（上端輸出阻抗盡量要 小，AD芯片輸入阻抗盡量大！若不匹配，可以加中間級放大器）3在微弱信號采集中，應采取哪些常用措施抵抗電磁干擾？（封閉金屬殼，電路板上 處理方法，遠離電源部分）4模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，如何顯示或查詢？轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量可能有哪些異常， 如何處理？（單片機控制數(shù)碼管或液晶顯示，也可以用串口傳到上位機在串口助手 中顯示，或自己編寫的上位機程序中顯示，保存，歷史數(shù)據(jù)？）數(shù)字量跳變很大， 直接顯示在數(shù)模管上后面幾位顯“8” -以后數(shù)據(jù)處理內(nèi)容！5使用AD芯片時，為保證轉(zhuǎn)換精度，應注意哪些使用條件？（電壓，參考電壓，溫度， 電磁干擾）6如果當前主流CPU可以建立在模擬信號運算基礎上（電方式或者光方式），那么還 需要AD轉(zhuǎn)換或者DA轉(zhuǎn)換單元