模数转换电路设计与实现
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RD
DATA
CS W R
DATA INTR
RD
VCC
· 接口设计
20 VccREF
Vi
VCC
6 7 8
lsbDB0 DB1 DB2 DB3
18 17 16 15 14 13 12 11 5 1 2 3
Vin(+) Vin(-) A-GND
9
DB4 Vref/2 DB5 DB6
19
msbDB7 CLK-R INTR
三. 8位 A/D 转换器 ADC0804 的接口设计 位
1. ADC0804工作原理及特性 工作原理及特性 ·逐次逼近式A/D转换器基本工作原理 逐次逼近式 转换器基本工作原理
Vi = 3.44V 比较器
R
VΣ
加法器 工作范围： 工作范围：
VO
R K3 R K2 R K1 R K0
Vi = 0 ~ 5V Vi max = 5V
1. 调试系统组成 设 单片机仿真器 置 温 度 显 示 窗 口 变 送 器 板 电源 单片机仿真头 单片机 PC机通信电缆插头 机通信电缆插头
仿真器 电源插头
2. 调试环境 调试平台： 调试平台：电子工程设计训练调试台 测试设备： 测试设备：单片机仿真器 单片机应用系统板 模/数转换电路板 数转换电路板 40MHz双踪示波器 双踪示波器 调试方法：调整变送器电路在正常工作状态， 调试方法：调整变送器电路在正常工作状态，连 接变送器输出至模/数转换电路输入 数转换电路输入。 接变送器输出至模 数转换电路输入。 运行测试程序， 运行测试程序，改变调试台温度设置 值，检查单片机采集到的数据是否正 确，如果不正确按照故障诊断预案进 行诊断分析，并且排除故障。 行诊断分析，并且排除故障。
Vref Vi ≈ VΣ = Data× 8 2
2. ADC0804引脚功能及与 引脚功能及与8051单片机接口设计 引脚功能及与 单片机接口设计 引 脚 功 能
Vi
时钟电路 控制电路 逐次逼近寄存器
Vcc
Vref 2
CLKR CLK IN
· · · ·
CS
W R INTR
DAC
输 出 锁 存 器
1. A/D---模拟量 数字量转换电路 模拟量→数字量转换电路 模拟量 模拟量 V V A/D A/D 转换 转换 器 器 转换控制 模拟量 t 转换控制 数字量 数字量 DATA 01101100， ， 10110001， ， …
2. 常用 / D电路的特点 常用A 电路的特点 ⑴ 基本原理 积分型：将电压转换成脉宽信号或频率， 积分型：将电压转换成脉宽信号或频率，由定 时器/计数器获得数字值 优点：分辨率高；缺点： 计数器获得数字值。 时器 计数器获得数字值。优点：分辨率高；缺点： 转换速率极低 ； 逐次比较型 ：由比较器和 转换器通过逐次 比较器和DA转换器通过逐次 比较逻辑构成， 次比较而输出数字值。 比较逻辑构成，经n次比较而输出数字值。优点： 次比较而输出数字值 优点： 速度较高、功耗低， 速度较高、功耗低，在<12位分辩率时价格便宜 ； 位分辩率时价格便宜 并行比较型：用多个比较器， 并行比较型：用多个比较器，仅作一次比较而 实行转换。优点：转换速率极高； 实行转换。优点：转换速率极高；分辩率高时电路 规模大、价格也高，只适用于低分辨率高速场合 ； 规模大、价格也高，
压频转换型：将模拟信号转换成频率， 压频转换型：将模拟信号转换成频率，然后用 计数器将频率转换成数字量 ，从理论上讲其分辨率 几乎可以无限增加。优点：分辩率高、功耗低、 几乎可以无限增加。优点：分辩率高、功耗低、价 格低；但是需要外部计数电路共同完成AD转换 格低；但是需要外部计数电路共同完成 转换 ； ⑵ ADC0804 8 位逐次比较（逐次逼近）型典型产品，具有 位逐次比较（逐次逼近）型典型产品， MCU 兼容接口，使用方便；分辩率和转换速度都 兼容接口，使用方便； 能够满足设计要求，且价格低廉。 能够满足设计要求，且价格低廉。
DELAY: JPP:
4. A/D调试 程序 调试C程序 调试
#include<reg51.h> #include<absacc.h> #define C2 XBYTE[0x2000] #define TIMER 0x8000 void delay(void); void main(void) { unsigned char x; while(1) { C2=x; delay(); x=C2; delay(); } } void delay(void) { unsigned char i; for(i=0;i<TIMER;++i); }
5. A/D电路模块调试方法 电路模块调试方法 改变设置温度，运行A/D测试程序，检查模 数 测试程序， ·改变设置温度，运行 测试程序 检查模/数 转换结果。 转换结果。 在调试台上通过+10按键不断改变温度数值 在调试台上通过 按键不断改变温度数值 温度显示窗口 温度设置按钮
采用断点方式运行程序，观察累加器 内容应 内容应在 采用断点方式运行程序，观察累加器A内容应在 00—FF之间随所设温度正比变化，否则电路有故障。 之间随所设温度正比变化 之间随所设温度正比变化，否则电路有故障。
·用于检查控制信号的简化程序如下： 用于检查控制信号的简化程序如下： 汇编程序） （汇编程序）
ABC: MOV MOVX MOVX JMP END DPTR,#2000H @DPTR,A A,@DPTR ABC
（C程序） 程序） 程序
#include<reg51.h> #include<absacc.h> #define C2 XBYTE[0x2000] void main(void) { unsigned char x; while(1) { C2=x; x=C2;} }
3. A/D调试汇编程序 调试汇编程序 调试
ABC: MOV MOVX CALL MOV MOVX CALL JMP MOV MOV DJNZ DJNZ RET END DPTR,#2000H @DPTR,A DELAY DPTR,#2000H A,@DPTR DELAY ABC R7,#02H R6,#0H R6,$ R7,JPP
RD
19
msbDB7 CLK-R INTR
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
INTR
有脉冲信号输出， · 有脉冲信号输出， C2 RD 表明ADC0804工作正常。 工作正常。 表明 工作正常 W R 查数据线是否漏接， 查数据线是否漏接， 若A/D转换结果数值不随设 转换结果数值不随设 置温度正比变化检查数据线是否错接；查Vin(-)是否接 置温度正比变化检查数据线是否错接； 检查数据线是否错接 GND；查 Vin(+) 是否有变化，如无变化，逆向检查直 是否有变化，如无变化， ； 至变送器输出。 至变送器输出。
摸转换电路实现的逐次逼近式A/D转换器 ·用数/摸转换电路实现的逐次逼近式 用数 摸转换电路实现的逐次逼近式 转换器
Vi VΣ
4bit D A
Βιβλιοθήκη Baidu
VO
数摸转 换电路
Vref = 5V
模拟量输出 VΣ = Data⋅Vref 24 比较器 输出
数字量输入
D3( 2 3 ) D2( 2 2 ) D1( 2 1 ) D0( 2 0 )
表达式观察窗口内容
通用寄存器观察窗口内容
运行C调试程序，观察变量窗口，相应变量应在 运行 调试程序，观察变量窗口，相应变量应在 调试程序 00—FF之间随所设温度正比变化，否则电路有故障。 之间随所设温度正比变化 之间随所设温度正比变化，否则电路有故障。
变量观察窗口 特别提示：可通过Ctrl+F2快捷键复位程序计数器 快捷键复位程序计数器PC 特别提示：可通过 快捷键复位程序计数器
VO
０ １ ０ ０
１ １ １ １
０ ０ １ ０ ０ １ ０ １ 模/数转换结果 数转换结果
０ ０ ０ １
2.5V 3.75V 3.125V 3.4315V
·模/数转换结果与模拟输入电压的关系 数转换结果与模拟输入电压的关系
Vref Vi ≈ VΣ = Data× 4 2
DATA --- 模/数转换结果 数转换结果 ADC0804 为 8 位模 数转换电路，其转换结果 位模/数转换电路 数转换电路， 与模拟输入电压的关系写为： 与模拟输入电压的关系写为：
4 CS CLK-IN RD 2 WR 3
·
无脉冲信号输出，表明ADC0804未正常工作。 无脉冲信号输出，表明 未正常工作。 工作 电源是否正确连接。 查电源是否正确连接。
若电源连接正常， 若电源连接正常，查CLK-IN引脚是否有锯齿波 引脚是否有锯齿波 信号输出，若没有输出检查相关元件连接是否正确， 信号输出，若没有输出检查相关元件连接是否正确， 若频率过高（正常约为640KHz）检查元件参数是否 若频率过高（正常约为 ） 有误。如果元件连接及元件参数无误仍无信号输出， 有误。如果元件连接及元件参数无误仍无信号输出， 损坏。 则ADC0804损坏。 损坏 引脚有正常的锯齿波信号输出， 若CLK-IN引脚有正常的锯齿波信号输出，可修 引脚有正常的锯齿波信号输出 改测试程序，将延时子程序或延时函数去掉，加快程 改测试程序，将延时子程序或延时函数去掉， 序循环的时间， 序循环的时间，检查转换控制信号 、 和数据读 是否正常。 取控制信号 、 是否正常。 若上述控制信号正常，则可能是 损坏。 若上述控制信号正常，则可能是ADC0804损坏。 损坏
1 0 1 0 1 0 1 0
2.5V
Vi max 21
1.25V
Vi max 2 2
Vi max 2 3 0.625V Vi max 24 0.3125V
类似天平称重原理）： 使 VΣ 逼近 Vi 过程 （类似天平称重原理）：
K 3 = 1 , K 2 = 0 , K 1 = 0 , K 0 = 0 VΣ = 2.5V , VO = 0 K 3 = 1 , K 2 = 1 , K 1 = 0 , K 0 = 0 VΣ = 3.75V , VO = 1 K 3 = 1 , K 2 = 0 , K 1 = 1 , K 0 = 0 VΣ = 3.125V , VO = 0
K 3 = 1, K 2 = 0 , K 1 = 1 , K 0 = 1 VΣ = 3.43V , VO = 0
开关状态： 开关状态： K 3( 2.5 ) K 2(1.25 ) 1 0 近似电压： 近似电压：
K 1( 0.625 ) K 0( 0.3125 ) 1 1 --- 数字表示的模拟量
VΣ = 1× 2.5 + 0×1.25 + 1× 0.625 + 1× 0.3125 ≈ Vi
模/数转换电路设计与实现 数转换电路设计与实现
模/数转换电路设计与实现 数转换电路设计与实现
一.基本要求
输入信号范围： 输入信号范围： 0V~+5V 分辨率： 分辨率： 精度： 精度： 转换时间： 转换时间： 安装： 安装： 8bit 1LSB < 1ms 独立电路板结构
二.模/数 A / D 电路选择
四.安装结构
+5V +5V +5V P3.2
模数转换输入
+5V ALE WR RD A4 A3 A2 A1 C4 C3 C2 C1 GND
RST D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P3.4 GND
模/数转换电路 数转换电路
-12V +12V GND -12V +12V GND
五.使用集成调试环境调试A / D电路模块 使用集成调试环境调试 电路模块
6. A/D电路故障检测方法 电路故障检测方法 ·检查 引脚有无脉冲信号输出
C2 W R
DATA INTR
Vi
VCC 6 7 8 Vin(+) Vin(-) A-GND
VCC
20
VccREF
lsbDB0 DB1 DB2 DB3
18 17 16 15 14 13 12 11 5 1
9
DB4 Vref/2 DB5 DB6
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
INTR
4
CS CLK-IN RD WR
C2
RD W R
C2
W R INTR
RD
DATA
3. ADC0804的主要技术指标 的主要技术指标 ·分辨率 --- 8位 位 表示能够分辨的最小电压变 化 Vref
Vi ≈ VΣ = Data×
28
DATA 为 1 时的 Vi 表示最小电压变化 ·误差 --- ±1LSB 实测值与理论值得差值，包括零点误差、 实测值与理论值得差值，包括零点误差、满量 程误差和线性误差。 程误差和线性误差。 ·转换时间 --- 100微秒 微秒 从发出转换命令到转换结束的时间
DATA
CS W R
DATA INTR
RD
VCC
· 接口设计
20 VccREF
Vi
VCC
6 7 8
lsbDB0 DB1 DB2 DB3
18 17 16 15 14 13 12 11 5 1 2 3
Vin(+) Vin(-) A-GND
9
DB4 Vref/2 DB5 DB6
19
msbDB7 CLK-R INTR
三. 8位 A/D 转换器 ADC0804 的接口设计 位
1. ADC0804工作原理及特性 工作原理及特性 ·逐次逼近式A/D转换器基本工作原理 逐次逼近式 转换器基本工作原理
Vi = 3.44V 比较器
R
VΣ
加法器 工作范围： 工作范围：
VO
R K3 R K2 R K1 R K0
Vi = 0 ~ 5V Vi max = 5V
1. 调试系统组成 设 单片机仿真器 置 温 度 显 示 窗 口 变 送 器 板 电源 单片机仿真头 单片机 PC机通信电缆插头 机通信电缆插头
仿真器 电源插头
2. 调试环境 调试平台： 调试平台：电子工程设计训练调试台 测试设备： 测试设备：单片机仿真器 单片机应用系统板 模/数转换电路板 数转换电路板 40MHz双踪示波器 双踪示波器 调试方法：调整变送器电路在正常工作状态， 调试方法：调整变送器电路在正常工作状态，连 接变送器输出至模/数转换电路输入 数转换电路输入。 接变送器输出至模 数转换电路输入。 运行测试程序， 运行测试程序，改变调试台温度设置 值，检查单片机采集到的数据是否正 确，如果不正确按照故障诊断预案进 行诊断分析，并且排除故障。 行诊断分析，并且排除故障。
Vref Vi ≈ VΣ = Data× 8 2
2. ADC0804引脚功能及与 引脚功能及与8051单片机接口设计 引脚功能及与 单片机接口设计 引 脚 功 能
Vi
时钟电路 控制电路 逐次逼近寄存器
Vcc
Vref 2
CLKR CLK IN
· · · ·
CS
W R INTR
DAC
输 出 锁 存 器
1. A/D---模拟量 数字量转换电路 模拟量→数字量转换电路 模拟量 模拟量 V V A/D A/D 转换 转换 器 器 转换控制 模拟量 t 转换控制 数字量 数字量 DATA 01101100， ， 10110001， ， …
2. 常用 / D电路的特点 常用A 电路的特点 ⑴ 基本原理 积分型：将电压转换成脉宽信号或频率， 积分型：将电压转换成脉宽信号或频率，由定 时器/计数器获得数字值 优点：分辨率高；缺点： 计数器获得数字值。 时器 计数器获得数字值。优点：分辨率高；缺点： 转换速率极低 ； 逐次比较型 ：由比较器和 转换器通过逐次 比较器和DA转换器通过逐次 比较逻辑构成， 次比较而输出数字值。 比较逻辑构成，经n次比较而输出数字值。优点： 次比较而输出数字值 优点： 速度较高、功耗低， 速度较高、功耗低，在<12位分辩率时价格便宜 ； 位分辩率时价格便宜 并行比较型：用多个比较器， 并行比较型：用多个比较器，仅作一次比较而 实行转换。优点：转换速率极高； 实行转换。优点：转换速率极高；分辩率高时电路 规模大、价格也高，只适用于低分辨率高速场合 ； 规模大、价格也高，
压频转换型：将模拟信号转换成频率， 压频转换型：将模拟信号转换成频率，然后用 计数器将频率转换成数字量 ，从理论上讲其分辨率 几乎可以无限增加。优点：分辩率高、功耗低、 几乎可以无限增加。优点：分辩率高、功耗低、价 格低；但是需要外部计数电路共同完成AD转换 格低；但是需要外部计数电路共同完成 转换 ； ⑵ ADC0804 8 位逐次比较（逐次逼近）型典型产品，具有 位逐次比较（逐次逼近）型典型产品， MCU 兼容接口，使用方便；分辩率和转换速度都 兼容接口，使用方便； 能够满足设计要求，且价格低廉。 能够满足设计要求，且价格低廉。
DELAY: JPP:
4. A/D调试 程序 调试C程序 调试
#include<reg51.h> #include<absacc.h> #define C2 XBYTE[0x2000] #define TIMER 0x8000 void delay(void); void main(void) { unsigned char x; while(1) { C2=x; delay(); x=C2; delay(); } } void delay(void) { unsigned char i; for(i=0;i<TIMER;++i); }
5. A/D电路模块调试方法 电路模块调试方法 改变设置温度，运行A/D测试程序，检查模 数 测试程序， ·改变设置温度，运行 测试程序 检查模/数 转换结果。 转换结果。 在调试台上通过+10按键不断改变温度数值 在调试台上通过 按键不断改变温度数值 温度显示窗口 温度设置按钮
采用断点方式运行程序，观察累加器 内容应 内容应在 采用断点方式运行程序，观察累加器A内容应在 00—FF之间随所设温度正比变化，否则电路有故障。 之间随所设温度正比变化 之间随所设温度正比变化，否则电路有故障。
·用于检查控制信号的简化程序如下： 用于检查控制信号的简化程序如下： 汇编程序） （汇编程序）
ABC: MOV MOVX MOVX JMP END DPTR,#2000H @DPTR,A A,@DPTR ABC
（C程序） 程序） 程序
#include<reg51.h> #include<absacc.h> #define C2 XBYTE[0x2000] void main(void) { unsigned char x; while(1) { C2=x; x=C2;} }
3. A/D调试汇编程序 调试汇编程序 调试
ABC: MOV MOVX CALL MOV MOVX CALL JMP MOV MOV DJNZ DJNZ RET END DPTR,#2000H @DPTR,A DELAY DPTR,#2000H A,@DPTR DELAY ABC R7,#02H R6,#0H R6,$ R7,JPP
RD
19
msbDB7 CLK-R INTR
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
INTR
有脉冲信号输出， · 有脉冲信号输出， C2 RD 表明ADC0804工作正常。 工作正常。 表明 工作正常 W R 查数据线是否漏接， 查数据线是否漏接， 若A/D转换结果数值不随设 转换结果数值不随设 置温度正比变化检查数据线是否错接；查Vin(-)是否接 置温度正比变化检查数据线是否错接； 检查数据线是否错接 GND；查 Vin(+) 是否有变化，如无变化，逆向检查直 是否有变化，如无变化， ； 至变送器输出。 至变送器输出。
摸转换电路实现的逐次逼近式A/D转换器 ·用数/摸转换电路实现的逐次逼近式 用数 摸转换电路实现的逐次逼近式 转换器
Vi VΣ
4bit D A
Βιβλιοθήκη Baidu
VO
数摸转 换电路
Vref = 5V
模拟量输出 VΣ = Data⋅Vref 24 比较器 输出
数字量输入
D3( 2 3 ) D2( 2 2 ) D1( 2 1 ) D0( 2 0 )
表达式观察窗口内容
通用寄存器观察窗口内容
运行C调试程序，观察变量窗口，相应变量应在 运行 调试程序，观察变量窗口，相应变量应在 调试程序 00—FF之间随所设温度正比变化，否则电路有故障。 之间随所设温度正比变化 之间随所设温度正比变化，否则电路有故障。
变量观察窗口 特别提示：可通过Ctrl+F2快捷键复位程序计数器 快捷键复位程序计数器PC 特别提示：可通过 快捷键复位程序计数器
VO
０ １ ０ ０
１ １ １ １
０ ０ １ ０ ０ １ ０ １ 模/数转换结果 数转换结果
０ ０ ０ １
2.5V 3.75V 3.125V 3.4315V
·模/数转换结果与模拟输入电压的关系 数转换结果与模拟输入电压的关系
Vref Vi ≈ VΣ = Data× 4 2
DATA --- 模/数转换结果 数转换结果 ADC0804 为 8 位模 数转换电路，其转换结果 位模/数转换电路 数转换电路， 与模拟输入电压的关系写为： 与模拟输入电压的关系写为：
4 CS CLK-IN RD 2 WR 3
·
无脉冲信号输出，表明ADC0804未正常工作。 无脉冲信号输出，表明 未正常工作。 工作 电源是否正确连接。 查电源是否正确连接。
若电源连接正常， 若电源连接正常，查CLK-IN引脚是否有锯齿波 引脚是否有锯齿波 信号输出，若没有输出检查相关元件连接是否正确， 信号输出，若没有输出检查相关元件连接是否正确， 若频率过高（正常约为640KHz）检查元件参数是否 若频率过高（正常约为 ） 有误。如果元件连接及元件参数无误仍无信号输出， 有误。如果元件连接及元件参数无误仍无信号输出， 损坏。 则ADC0804损坏。 损坏 引脚有正常的锯齿波信号输出， 若CLK-IN引脚有正常的锯齿波信号输出，可修 引脚有正常的锯齿波信号输出 改测试程序，将延时子程序或延时函数去掉，加快程 改测试程序，将延时子程序或延时函数去掉， 序循环的时间， 序循环的时间，检查转换控制信号 、 和数据读 是否正常。 取控制信号 、 是否正常。 若上述控制信号正常，则可能是 损坏。 若上述控制信号正常，则可能是ADC0804损坏。 损坏
1 0 1 0 1 0 1 0
2.5V
Vi max 21
1.25V
Vi max 2 2
Vi max 2 3 0.625V Vi max 24 0.3125V
类似天平称重原理）： 使 VΣ 逼近 Vi 过程 （类似天平称重原理）：
K 3 = 1 , K 2 = 0 , K 1 = 0 , K 0 = 0 VΣ = 2.5V , VO = 0 K 3 = 1 , K 2 = 1 , K 1 = 0 , K 0 = 0 VΣ = 3.75V , VO = 1 K 3 = 1 , K 2 = 0 , K 1 = 1 , K 0 = 0 VΣ = 3.125V , VO = 0
K 3 = 1, K 2 = 0 , K 1 = 1 , K 0 = 1 VΣ = 3.43V , VO = 0
开关状态： 开关状态： K 3( 2.5 ) K 2(1.25 ) 1 0 近似电压： 近似电压：
K 1( 0.625 ) K 0( 0.3125 ) 1 1 --- 数字表示的模拟量
VΣ = 1× 2.5 + 0×1.25 + 1× 0.625 + 1× 0.3125 ≈ Vi
模/数转换电路设计与实现 数转换电路设计与实现
模/数转换电路设计与实现 数转换电路设计与实现
一.基本要求
输入信号范围： 输入信号范围： 0V~+5V 分辨率： 分辨率： 精度： 精度： 转换时间： 转换时间： 安装： 安装： 8bit 1LSB < 1ms 独立电路板结构
二.模/数 A / D 电路选择
四.安装结构
+5V +5V +5V P3.2
模数转换输入
+5V ALE WR RD A4 A3 A2 A1 C4 C3 C2 C1 GND
RST D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P3.4 GND
模/数转换电路 数转换电路
-12V +12V GND -12V +12V GND
五.使用集成调试环境调试A / D电路模块 使用集成调试环境调试 电路模块
6. A/D电路故障检测方法 电路故障检测方法 ·检查 引脚有无脉冲信号输出
C2 W R
DATA INTR
Vi
VCC 6 7 8 Vin(+) Vin(-) A-GND
VCC
20
VccREF
lsbDB0 DB1 DB2 DB3
18 17 16 15 14 13 12 11 5 1
9
DB4 Vref/2 DB5 DB6
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
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CS CLK-IN RD WR
C2
RD W R
C2
W R INTR
RD
DATA
3. ADC0804的主要技术指标 的主要技术指标 ·分辨率 --- 8位 位 表示能够分辨的最小电压变 化 Vref
Vi ≈ VΣ = Data×
28
DATA 为 1 时的 Vi 表示最小电压变化 ·误差 --- ±1LSB 实测值与理论值得差值，包括零点误差、 实测值与理论值得差值，包括零点误差、满量 程误差和线性误差。 程误差和线性误差。 ·转换时间 --- 100微秒 微秒 从发出转换命令到转换结束的时间