第7章AD转换.docx
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第7章AD转换
第7章AD转换
7.1概述
7.1.1AD转换器
AD转换器即ADC（AnalogtoDigitalConverter），是能将模拟量转换为数字量的器件。
单片机能直接处理和控制的是数字量，对于模拟量，则可通过AD转换器件将其先转换为数字量，然后再交付单片机去做进一步处理。
在AD转换器件将模拟量转换为数字量的过程中，有许多参数值得我们关注，其中最重要的两个参数是转换时间和转换分辨率。
目前，常见AD转换器与微处理器间的数据接口有并行和串行之分，AD转换器的转换精度有8位、10位、12位等多种类型。
此处选取并行8位AD转换器ADC0809，并行12位AD转换器AD574，串行8位AD转换器ADC0832，串行12位AD转换器TLC2543，共四种AD转换器件，分别说明其特点和使用方法。
7.1.2AD转换分辨率
AD转换中，用转换分辨率来表示AD转换器对输入模拟信号的分辨能力，常用转换结果的二进制数的位数来表示，8位精度代表转换结果用8位二进制数表示，12位精度代表转换结果用12位二进制数表示。
以下通过两个例子具体解释其内在含义。
例1：
假设被转换的模拟量是电压信号，被测电压值在0V~5V的固定区间内连续可调，AD转换器分辨率假设是8位。
我们已经熟知，8位无符号二进制数的数值范围是十进制的0~255，共256个数。
如果AD转换器分辨率是8位，则从理论上说，被测电压范围5V（5V－0V=5V）被平均等分为256等份，每一份是5V/256=0.01953125V≈0.02V=20mV，这每一份的含义是：
电压每增大20mV，AD转换结果的数值就增加1；0V电压对应的转换结果应该是最小值0，而5V电压对应的转换结果应该是最大值255，2.5V电压对应的转换结果应该是0~255的中间值128，其它电压依次成比例对应某一数值。
例2：
假设被转换的模拟量是电压信号，被测电压值在0V~5V的固定区间内连续可调，AD转换器分辨率假设是12位。
显然，12位无符号二进制数的数值范围是十进制的0~4095，共4096个数。
当AD转换分辨率是12位时，5V电压范围被平均等分为4096等份，每一份是5V/4096=0.001220703125V≈0.0012V=1.2mV，即电压每增大1.2mV，AD转换结果的数值就增加1；0V电压对应转换结果依然是最小值0，5V电压对应的转换结果是最大值4095，2.5V被测电压对应的转换结果应该是0~4095的中间值2048，其它电压依次成比例对应某一数值。
从以上两个例子可以看出，转换分辨率越高，被测模拟量范围被平均等分的份数就越多，每一份代表的模拟量值就越小，转换分辨率就越高。
实际工作中，一般以系统所用数据总线的位数、系统测量的精度等作为选择AD转换分辨率的依据。
AD转换中，转换分辨率与转换精度密切相关但不完全相同，在不严格区分的条件下，可以认为它们是等同的。
7.1.3AD转换时间
AD转换时间，即完成一次AD转换所用的时间，是指从发出转换开始指令，到数据输出端得到稳定的数字量所经历的时间。
若被测模拟信号变化较快，而AD转换时间较长，则模拟信号的很多中间变化细节可能被遗漏，造成转换结果信息的不完整和疏漏。
实际工作中，AD转换时间是选用AD转换芯片时的一个重要参数指标。
本单元介绍的ADC0809的转换时间是100μs，AD574的转换时间不超过35μs（典型值20μs），串行口8位AD转换器ADC0832的转换时间是32μs，串行口12位AD转换器TLC2543的转换时间是10μs。
7.2ADC0809
7.2.1ADC0809介绍
ADC0809是8位AD转换芯片，有8路模拟信号输入通道，转换时间100μs。
其实物图如图7-1所示，图7-2是其PDIP封装管脚图。
表7-1列出了各引脚定义及功能描述。
图7-1ADC0809实物图图7-2ADC0809的PDIP封装管脚图
表7-1ADC0809引脚定义
引脚
序号
引脚
名称
功能描述
引脚
序号
引脚
名称
功能描述
1
IN3
模拟通道3输入端
15
D2（2-6）
输出数据第2位
2
IN4
模拟通道4输入端
16
VREF（－）
参考电压负极端
3
IN5
模拟通道5输入端
17
D0（2-8）
输出数据第0位（最低位）
4
IN6
模拟通道6输入端
18
D4（2-4）
输出数据第4位
5
IN7
模拟通道7输入端
19
D5（2-3）
输出数据第5位
6
START
转换启动信号输入端
20
D6（2-2）
输出数据第6位
7
EOC
转换结束信号输出端
21
D7（2-1）
输出数据第7位（最高位）
8
D3（2-5）
输出数据第3位
22
ALE
地址锁存允许信号
9
OE
输出允许信号端
23
ADDC
通道地址线C
10
CLOCK
外部时钟脉冲信号输入端
24
ADDB
通道地址线B
11
Vcc
电源端
25
ADDA
通道地址线A
12
VREF（+）
参考电压正极端
26
IN0
模拟通道0输入端
13
GND
接地端
27
IN1
模拟通道1输入端
14
D1（2-7）
输出数据第1位
28
IN2
模拟通道2输入端
ADC0809管脚简介如下：
◆引脚26~28,1~5——IN0~IN7，8路模拟通道输入端；具体转换哪一路模拟信号，要与引脚23~25通道地址线配合选定；
◆引脚6——START，转换启动信号输入端；
◆引脚7——EOC，转换结束信号输出端；EOC引脚在每一次转换期间均保持低电平，当转换结束时，EOC电平拉高。
故可以通过查询EOC引脚是否为高电平，来判断本次转换是否结束；也可将此信号作为中断源信号（需加反向器）去触发中断；
◆引脚21,20,19,18,8,15,14,17——输出数据7~0位引脚；转换结果是1个字节的数字量数据，最高位（第7位）是21引脚，最低位（第0位）是17引脚；
◆引脚9——OE，输出允许信号端（OUTPUTENABLE）；当一次转换结束后，只有在OE端是高电平期间，转换结果才输出到输出数据引脚，这时单片机才能读取转换结果；
◆引脚10——CLOCK，外部时钟脉冲信号输入端；ADC0809转换时，外部时钟信号的频率最小10KHz，最大1280KHz，典型值是640KHz，一般选用500KHz。
使用1000KHz（1MHz）亦可。
实际中具体做法是：
51单片机的第30引脚（ALE）对外输出单片机外接晶振的6分频脉冲信号，如51单片机外接晶振12MHz时，ALE输出12MHz/6=2MHz的脉冲信号，此脉冲信号经D触发器二分频以后，可得1MHz脉冲信号，可以作为AD转换的时钟脉冲信号；也可以在得到1MHz脉冲信号后再次二分频，得到500KHz的脉冲信号。
实现二分频的元器件可以选用D触发器74HC74芯片，具体硬件电路参见本节后续实例部分。
◆引脚11——Vcc，电源端；接5V电源；
◆引脚12——VREF（+），参考电压正极端，一般接5V；
◆引脚13——GND，接地端；
◆引脚16——VREF（－），参考电压负极端，一般接地；
◆引脚22——ALE，地址锁存允许信号；一般与引脚6（START）并接在一起使用，可以参看本节后面的时序图（图7-3）。
◆引脚23~25——ADDC、ADDB、ADDA，通道地址线；三根引脚线上电平的组合，分别对应8路输入模拟信号，具体对应关系如表7-2所示；
表7-2通道地址与所选通道之间的关系
通道地址
所选模拟量通道
ADDC
ADDB
ADDA
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
7.2.2ADC0809应用实例1
功能要求：
使用ADC0809芯片，实现AD转换，并将转换结果在0802LCD上显示。
硬件说明：
1、硬件连接图如图7-4所示。
本例将ADC0809的通道地址线ADDC、ADDB、ADDA全部接地（全部低电平），即选取0通道作为模拟信号的输入通道；
2、调节ADC0809的12和16引脚间的可调电位器R4（10KΩ，即103），使其输出电压在0~5V之间变化，将此电压作为被测模拟信号（实际中可能来自别处），并连接到模拟通道0；3、51单片机的30引脚输出的2MHz脉冲信号，经74HC74两次二分频之后，输出500KHz脉冲信号，再输入到ADC0809的第10引脚CLK，作为外部时钟脉冲信号；
软件说明：
1、本例依照ADC0809时序，如图7-3所示，可以看到，START与ALE几乎同步且变化一致，故在硬件中将它们并接，保留名称START；
2、本例采用查询方式，在启动AD转换后，查询EOC是否为1（如若是0，说明转换未完成，则继续等待），当EOC为1以后，将输出允许信号端OE拉高，允许转换结果输出，此时将转换结果从P0口读入，之后再将OE拉低；
3、将转换结果送入0802LCD显示。
图7-3ADC0809时序图
图7-4ADC0809实例1硬件连接图
程序清单如下：
#include
#defineucharunsignedchar
sbitRS=P3^3;
sbitRW=P3^4;
sbitE=P3^5;
sbitSTART=P2^0;
sbitOE=P2^1;
sbitEOC=P2^2;
voidwrcmd（ucharcmd）
{
ucharm;
RW=0;
RS=0;
P1=cmd;
for（m=0;m<=2;m++）;
E=1;
for（m=0;m<=2;m++）;
E=0;
}
voidwrdata（ucharshuju）
{
ucharm;
RW=0;
RS=1;
P1=shuju;
for（m=0;m<=2;m++）;
E=1;
for（m=0;m<=2;m++）;
E=0;
}
voidinit0802（void）
{
RW=0;
E=0;
wrcmd（0x38）;
wrcmd（0x0c）;
wrcmd（0x06）;
wrcmd（0x01）;
}
voiddisp0802（ucharx,uchary,ucharch）
{
ucharm;
wrcmd（0x80+x*0x40+y）;
for（m=0;m<=252;m++）;
wrdata（ch）;
}
/*********************************/
main（）
{
ucharad;
init0802（）;
while
（1）
{
START=0;START=1;START=0;
while（EOC==0）;
OE=1;ad=P0;OE=0;
disp0802（0,0,ad/100+'0'）;
disp0802（0,1,ad/10%10+'0'）;
disp0802（0,2,ad%10+'0'）;
}
}
7.2.3ADC0809应用实例2
功能要求：
使用ADC0809芯片，实现AD转换，并将转换结果在0802液晶屏上显示。
硬件说明：
1、本例使用总线接法。
将ADC0809的通道地址线ADDC、ADDB、ADDA分别连接到74HC573锁存器的输出端Q2、Q1和Q0端；在P2口只使用P2.7引脚时（P2.7为低电平0），P2口和P0口组合的地址范围是二进制的0111111111111000到0111111111111111，对应的十六进制地址范围是0x7FF8~0x7FFF，恰好依次对应通道0~通道7，共计8个模拟通道；74HC573的锁存使能引脚LE（引脚11），连接到51单片机的30引脚ALE；
2、调节接在ADC0809的12和16引脚间的可调电位器R4（10KΩ，即103），使其输出电压在0~5V之间变化，将此电压作为被测模拟信号（实际中可能来自别处），连接到模拟通道0~7，并通过软件来具体选择使用哪个通道进行AD转换；
3、ADC0809第10引脚CLK是外部时钟脉冲信号，将51单片机30引脚输出的2MHz脉冲信号（外接晶振12MHz），通过74HC74经两次二分频之后，输出500KHz脉冲信号；
4、芯片74HC02是4组两输入或非门，本例仅使用了4组中的2组，其余2组空闲未用。
51单片机P2.7与P3.6引脚信号，作为两输入或非门的输入（74HC02的A1，B1），输出（74HC02的Y1）连接到ADC0809的启动转换信号引脚START（START与旁边的ALE引脚并联）。
这样连接的理由是：
在P2.7恒为低电平的条件下，只要51单片机向ADC0809发出一次写操作指令（低电平持续时间很短的脉冲信号，且只有一次，不是连续的脉冲信号），无论写入的数据数值是多少，P3.6发出的低电平脉冲与P2.7的恒低电平，经或非运算后，恰好是一个正脉冲信号，与7-3图中ADC0809时序的START信号要求一致。
同理，P2.7与P3.7引脚信号，连接到74HC02的另一组或非门的两个输入端（74HC02的A2，B2），输出（74HC02的Y2）连接到ADC0809的输出允许信号端OE。
51单片机从ADC0809读取数据时，必定发出一次读操作指令（低电平持续时间很短的脉冲信号，且只有一次，不是连续的脉冲信号），P3.7发出的低电平脉冲与P2.7的恒低电平，经或非运算后，是一个正脉冲信号，此时刚好读取转换结果（参见7-3图中ADC0809时序的OE信号要求）。
5、本例依旧采用硬件查询方式，来判断一次AD转换是否结束，硬件连接中使用单片机的P3.2引脚查询。
如果要使用中断方式，则可以将74HC02的A3、B3短接后，连接至ADC的EOC，而74HC02的Y3连接到单片机51的P3.2引脚（低电平有效），作为外部中断源使用。
6、硬件连接图如图7-5所示。
软件说明：
1、本例中宏定义#defineINXBYTE[0x7ff8]是定义51单片机的片外并行接口，0x7FF8是模拟通道0的地址，0x7FF9是模拟通道1的地址……，0x7FFF是模拟通道7的地址。
2、主函数中*ad0809=0;语句是向ADC0809写数据0（写其它数据也可以，只要是写操作就可以），功能是启动转换；ad=*ad0809;语句是从ADC0809读取转换结果；这几条语句涉及C语言的指针概念，以下给出较详细的说明；
3、主程序最后将转换结果送入0802LCD显示。
C语言知识：
指针
指针是C语言中的一个重要概念，也是C语言的重要特色之一。
使用指针可以使C语言程序变得紧凑、高效、简洁。
具体编程中，使用指针可以使处理直接深入到内存地址单元这一底层硬件层面；对于数组、字符串等复杂数据结构，指针更有其独特的使用效果。
1、地址
谈及指针就不能不提地址，而且，地址的概念也频繁出现在单片机、DSP、ARM等类计算机软硬件知识和实际应用中，那么，地址究竟指什么呢？
简言之，地址就是计算机存储器单元的编号。
计算机的存储器是用来存放计算机程序和数据的电子元器件。
为了有效管理存放在存储器内的程序和数据，一般以字节为单位，将存储器空间划分为若干数量的存储单元，并且为每一个存储单元编号──就像给大楼里的每个房间编号一样，每一个存储单元的编号就是该存储单元的地址。
一般使用0和正整数编号，并且从0开始。
第一个字节编号为0，则第一个字节单元的地址就是0；第二个字节编号为1，则第二个字节单元的地址就是1，……，依次类推，直至将整个存储器空间的每一个字节都编上号。
这时，存储器空间的每一个字节都有了自己独一无二的地址，通过这个地址，就可以方便地访问（读或者写操作）这个存储单元了。
需要特别说明的是，在实际应用中，地址一般以十六进制数表示，所以我们经常看到的地址都以0xXXXX或者XXXXH的形式出现（0x和H常用于表示十六进制数）。
2、指针
就本质而言，指针就是地址。
以下以变量为对象，具体说明指针的概念。
（1）变量及其地址
对于变量，前已述及，变量有类型之分、有名称之别、其值可以变化。
当声明或定义一个变量之后，计算机就为该变量分配一片连续的存储空间（几个字节），用于存放该变量的值，这一片连续存储空间的首地址就是该变量的地址。
例如语句inta=32;声明了一个名字为a的整型变量，并赋初值为十进制数32。
此时，计算机就分配2个字节的存储空间给变量a，用于存放变量a的值32。
假设这2个字节的地址编号是十六进制数0x1000和0x1001，则地址编号0x1000就是变量a的地址。
（2）指针
通过变量名获取变量值，是变量的基本使用方法，除此方法以外，还可以通过对变量地址的访问，获取变量的值。
要访问变量的地址就涉及到了指针。
①指针变量
指针变量是用来存储地址值的变量。
对此变量，可从以下几点理解和掌握：
首先，指针变量是变量，与一般的变量，如整型变量、字符型变量等都类似，也有类型之分、名称之别、其值可变等特点或属性；其次，指针变量与一般变量又不同，有其特殊的一面，这就是：
指针变量的值只能是地址，即，它只能存储存储器单元的编号。
②指针变量的定义
指针变量的定义与一般变量的定义类似，仅在变量名前多了一个星型符号*（即乘号）。
指针变量定义的一般形式为：
类型名*指针变量名；
例如：
int*pa;声明了一个名字为pa，类型是整型的指针变量，但没有赋初值。
③指针变量的指向
指针变量的指向，是指指针变量存储地址的过程。
指针变量存储了谁的地址，我们就称该指针变量指向了谁。
指针变量的指向过程，是通过将地址值赋值给指针变量来实现的。
例如：
inta=32;
int*pa;
pa=&a;
这三条语句中，第一句是整型变量a的声明；第二句是整型指针变量pa的声明；第三句是指向。
pa=&a；中的&是获取地址，简称取地址，&a就是获取变量a的地址，而本条语句是一条赋值语句，是将变量a的地址赋值给指针变量pa，此时我们就称指针变量pa指向变量a，言下之意，指针变量pa的值是变量a的地址。
下面来解释一下指针变量的类型。
如上述三条语句的第二句:
int*pa;其中的类型关键字int，是该指针变量pa的类型，那么，此处的int意义何为呢？
其实，指针变量的类型是该指针变量指向对象的类型。
还是以以上三条语句为例，由于变量a是整型，而pa指向了a，所以指针变量pa的类型就是pa指向的对象（变量a）的类型，即整型。
因此，指针变量的类型，应和它指向的对象类型匹配一致。
④指针变量的引用
指针变量的引用，其实就是使用，称为“引用”的原因是，在获取变量值的过程中，总是间接（而非直接）地引用指针。
对比以下左右两个相似的程序段，分析其功能，借此说明指针变量的引用。
inta=32,b=5,c;inta=32,b=5,c;
c=a+b;int*pa;
pa=&a;
c=*pa+b;
左边的程序段简单明了，就是求解变量a和变量b的和，并将和赋值给变量c，变量c的值为37。
右边的程序段中，前面三句功能比较清楚：
定义了三个整型变量a,b,c，变量a和b有初始值32和5，变量c没有赋初值；定义整型指针变量pa；指针变量pa指向变量a。
关键是第四条语句：
c=*pa+b;这是一条先求和再赋值的赋值语句，求和的一个加数是变量b，另一个是*pa。
此处的*pa不再是指针变量的定义，而是指针变量的引用，需要特别说明的是：
语句c=*pa+b;中的星号*，既不是乘号，也不是指针定义中出现的星号，而是指针运算符，即取该指针指向的内容。
所以，语句c=*pa+b;中的*pa是获取指针变量pa指向的内容，即pa指向的对象（变量a）的值32，或pa指向的内容（变量a的地址中的值，即变量a的值）。
所以，语句c=*pa+b;与语句c=a+b;完全等效，两个程序段的执行结果相同，变量c的值都是37。
图7-5ADC0809实例2硬件连接图
程序清单如下：
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineINXBYTE[0x7ff8]
sbitRS=P3^3;
sbitRW=P3^4;
sbitE=P3^5;
sbitEOC=P3^2;
//*************************
voidwrcmd（ucharcmd）
{
ucharm;
RW=0;
RS=0;
P1=cmd;
for（m=0;m<=2;m++）;
E=1;
for（m=0;m<=2;m++）;
E=0;
}
voidwrdata（ucharshuju）
{
ucharm;
RW=0;
RS=1;
P1=shuju;
for（m=0;m<=2;m++）;
E=1;
for（m=0;m<=2;m++）;
E=0;
}
voidinit0802（void）
{
RW=0;
E=0;
wrcmd（0x38）;
wrcmd（0x0c）;
wrcmd（0x06）;
wrcmd（0x01）;
}
voiddisp0802（ucharx,uchary,ucharch）
{
ucharm;
wrcmd（0x80+x*0x40+y）;
for（m=0;m<=252;m++）;
wrdata（ch）;
}
/*************************************************/
main（）
{
ucharad;
uchar*ad0809;//定义无符号字符型指针变量ad0809
init0802（）;
ad0809=&IN;//指针变量ad0809指向片外数据存储器区地址为0x7ff8的存储单元
while
（1）
{
*ad0809=0;//将数据0写入存储单元0x7ff8
while（EOC==0）;
ad=*ad0809;//从存储单元0x7ff8中读取数据并赋值给变量ad
disp0802（0,0,ad/100+'0'）;
disp0802（0,1,ad/10%10+'0'）;
disp0802（0,2,ad%10+'0'）;
}
}
注1：
若使用中断方式时，可将74HC02的A3和B3短接，再连接到ADC0809的EOC引脚，而74HC02的Y3引脚连接到51单片机的P3.2INT0引脚。
程序清单如下：
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineINXBYTE[0x7ff8]
ucharad=0,*ad0809=0;
sbitRS=P3^3;
sbitRW=P3^4;
sbitE=P3^5;
sbitEOC=P3^2;
//*************************
voidwrcmd（ucharcmd）
{
ucharm;
RW=0;
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