模数转换原理.docx
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模数转换原理
模-数转换原理
ADC的转换原理根据ADC的电路形式有所不同。
ADC电路通常由两部分组成，它们是：
采样、保持电路和量化、编码电路。
其中量化、编码电路是最核心的部件，任何ADC转换电路都必须包含这种电路。
ADC电路的形式很多，通常可以并为两类：
间接法：
它是将采样-保持的模拟信号先转换成与模拟量成正比的时间或频率，然后再把它转换为数字量。
这种通常是采用时钟脉冲计数器，它又被称为计数器式。
它的工作特点是：
工作速度低，转换精度高，抗干扰能力强。
直接法：
通过基准电压与采样-保持信号进行比较，从而转换为数字量。
它的工作特点是：
工作速度高，转换精度容易保证。
模—数转换的过程有四个阶段，即采样、保持、量化和编码。
采样是将连续时间信号变成离散时间信号的过程。
经过采样，时间连续、数值连续的模拟信号就变成了时间离散、数值连续的信号，称为采样信号。
采样电路相当于一个模拟开关,模拟开关周期性地工作。
理论上，每个周期内，模拟开关的闭合时间趋近于0。
在模拟开关闭合的时刻（采样时刻），我们就“采”到模拟信号的一个“样本”。
量化是将连续数值信号变成离散数值信号的过程。
理论上，经过量化，我们就可以将时间离散、数值连续的采样信号变成时间离散、数值离散的数字信号。
我们知道，在电路中，数字量通常用二进制代码表示。
因此，量化电路的后面有一个编码电路，将数字信号的数值转换成二进制代码。
然而，量化和编码总是需要一定时间才能完成，所以，量化电路的前面还要有一个保持电路。
保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号的过程。
在量化和编码期间，保持电路相当于一个恒压源，它将采样时刻的信号电压“保持”在量化器的输入端。
虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，工程上保持器总是与采样器做在一起。
两者合称采样保持器。
八位串行A/D转换器ADC0832简介
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。
ADC083X是市面上常见的串行模—数转换器件系列。
ADC0831、ADC0832、ADC0834、ADC0838是具有多路转换开关的8位串行I/O模—数转换器，转换速度较高（转换时间32uS），单电源供电，功耗低（15mW），适用于各种便携式智能仪表。
本章以ADC0832为例，介绍其使用方法。
ADC0832是8脚双列直插式双通道A/D转换器，能分别对两路模拟信号实现模—数转换，可以用在单端输入方式和差分方式下工作。
ADC0832采用串行通信方式，通过DI数据输入端进行通道选择、数据采集及数据传送。
8位的分辨率（最高分辨可达256级），可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
ADC0832具有以下特点：
·8位分辨率；
·双通道A/D转换；
·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
·5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
·工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
·一般功耗仅为15mW；
·8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；
·商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为-40°Cto+85°C；
图3ADC0832引脚图
芯片接口说明：
·CS_片选使能，低电平芯片使能。
·CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
·CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
·GND芯片参考零电位（地）。
·DI数据信号输入，选择通道控制。
·DO数据信号输出，转换数据输出。
·CLK芯片时钟输入。
·Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）
ADC0832的工作原理：
正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。
但由于DO端与DI端在通信时并未同时使用并与单片机的接口是双向的，所以在I/O口资源紧张时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。
当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。
此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟（CLK）输入端输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
在第一个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。
在第二、三个脉冲下沉之前DI端应输入两位数据用于选择通道功能。
通道地址
通道
工作方式说明
SGL/DIF
ODD/SIGN
0
1
0
0
+
-
差分方式
0
1
-
+
1
0
+
单端输入方式
1
1
+
表1：
通道地址设置表
如表1所示，当此两位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。
当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。
当两位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。
当两位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。
到第三个脉冲的下降之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。
从第4个脉冲下降沿开始由DO端输出转换数据最高位Data7，随后每一个脉冲的下降沿DO端输出下一位数据。
直到第11个脉冲时发出最低位数据Data0，一个字节的数据输出完成。
也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下降沿输出Data0。
随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。
最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。
时序说明请参照图4。
作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0—5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV，即（5/256）V。
如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。
但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。
ADC0832的工作时序
图4ADC0832工作时序
ADC0832软硬件设计实例
通过以上的理论学习之后，对模—数转换应该有了一定的了解，接下来就根据上文的指导，对ADC0832进行实际应用，以加深印象。
本实例功能是将通道1上采样到的电压显示在LED数码管上，通过改变通道1的输入电压变化，观察输出读数。
硬件原理图
图7硬件原理图
程序流程图
图8软件流程图
相信看到这里，你应该可以理解我们是如何利用单片机来进行模数转换的处理了，你也可以根据自己的需要来写些AD模数转换相关的应用程序，如数字温度计，湿度传感应用，压力传感应用等等。
由于篇幅有限，读者朋友可以通过网站或电子邮件一起交流与学习。
在下几期中，我们将陆续介绍51单片机综合学习系统的其它功能原理与应用。
STC单片机的相关程序如下：
#include//定义的系统头文件和全局变量
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineDogReset（）WDT_CONTR=0x35
//T1定时0.1ms.作为系统计时用,
#definevT01ms2
#definevT10ms10
#definevT100ms10
#definevT01S100//1s=10ms*100
#definevT0HVal0xfe//0xff//0xfe//0xf6
#definevT0LVal0x33//0x9c//0x0c//0x4c
ucharcodedisplay_AD_channel_ID[2]={0x00,0x01};
staticunsignedchardataCS;
uchardataAD_channel_result[2][5];//各通道A/D转换结果。
前是通道号；后是转换的值
uintcT01ms;
ucharcT10ms;
ucharcT100ms;
ucharcT01s;
ucharTHTL;
bitOutFlag;
voiddelay_ms（registeruintCount）{
registerucharT;
for（;Count>0;Count--）{
for（T=0;T<80;T++）{
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
}
DogReset（）;
}
}
voidsend_char_com（unsignedcharOutData）{
SBUF=OutData;//输出字符
while（!
TI）;//空语句判断字符是否发完
TI=0;//清TI
}
voidsend_string_com（uchar*str,ucharstrlen）{
uchari;
for（i=strlen;i>0;i--）{
send_char_com（*str）;
str++;
DogReset（）;
}
}
ucharAd_Change（ucharchannel）{
uintAD_Result_Temp=0;
//---------------------将P1.0--P1.1设置成适合AD转换的模式
///P1=0xff;//将P1口置高，为A/D转换作准备
ADC_CONTR=ADC_CONTR|0x80;//1000,0000打开A/D转换电源
P1M0=0x03;//0000，0011用于A/D转换的P1.x口，先设为开漏
P1M1=0x03;//0000，0011P1.0--P1.1先设为开漏。
断开内部上拉电阻
delay_ms（20）;//20
ADC_CONTR=ADC_CONTR&0xE0;//1110,0000清ADC_FLAG,ADC_START位和低3位
ADC_CONTR=ADC_CONTR|（display_AD_channel_ID[channel]&0x07）;//设置当前通道号
delay_ms
（1）;//延时使输入电压达到稳定
ADC_DATA=0;//清A/D转换结果寄存器
ADC_LOW2=0;
ADC_CONTR=ADC_CONTR|0x08;//0000，1000ADCS＝1，启动转换
do{DogReset（）;}
while（（ADC_CONTR&0x10）==0）;//0001,0000等待A/D转换结束
ADC_CONTR=ADC_CONTR&0xE7;//1110,0111清ADC_FLAG位，停止A/D转换
AD_Result_Temp=（（AD_Result_Temp|ADC_DATA）<<2）|（ADC_LOW2&0x03）;
//保存返回AD转换的结果
//----------------------------转换成可由串口显示的字符
AD_channel_result[channel][0]=AD_Result_Temp/1000+0x30;
AD_channel_result[channel][1]=（AD_Result_Temp%1000）/100+0x30;
AD_channel_result[channel][2]=（AD_Result_Temp%100）/10+0x30;
AD_channel_result[channel][3]=AD_Result_Temp%10+0x30;
//------------------------串口监视
//send_char_com（ADC_DATA）;//////发送转换的到的值，这里只是高8位，值的转换需要考虑
//send_char_com（ADC_LOW2）;//////发送转换的到的值，这里只是低2位，值的转换需要考虑
//send_string_com（AD_channel_result[channel],4）;
delay_ms（10）;//
return（ADC_DATA）;
}
ucharAD_Filter（void）{
uchari;
ucharcTemp[32];
ucharcAverage;
for（i=32;i>0;i--）{
cTemp[i]=Ad_Change（0）;
cAverage=（（cAverage+cTemp[i]）>>1）;
}
return（cAverage）;
}
voidInitCom（unsignedcharBaudRate）{
switch（BaudRate）{
case1:
THTL=64;break;//波特率300
case2:
THTL=160;break;//600
case3:
THTL=208;break;//1200
case4:
THTL=232;break;//2400
case5:
THTL=244;break;//4800
case6:
THTL=250;break;//9600
case7:
THTL=253;break;//19200
case8:
THTL=255;break;//57600
default:
THTL=208;break;//1200
}
}
voidChip_initial（void）{
IE=0;
//定时器控制字初始化
TMOD=0x21;//定时器1为方式2，定时器0为方式1
TCON=0x50;//设置外部中断类型
T2CON=0x0d;//选择定时器1为波特率发生器，T2为捕获工作方式
//ET2=1;
ET0=1;//允许定时器0、定时器2中断
//外部中断设置
EX0=0;//FFSK中断初始时关闭，有载波时再开启
EX1=0;
IT1=1;//外部中断0、1均为下降沿触发
IT0=1;
//启动定时器0
TH0=vT0HVal;//启动定时器0
TL0=vT0LVal;
TR0=1;
InitCom（6）;//设置波特率为96001-7波特率300－19200
SCON=0x50;//串口方式1,允许接收
TH1=THTL;
TL1=THTL;
PCON=0x80;//波特率加倍控制,SMOD位
RI=0;//清收发标志
TI=0;
TR1=1;//启动定时器
IP=0x02;//PT2=1
IPH=0x02;//PT2H=1,PT0H=1
EA=1;
delay_ms（10）;//延时是为了避免定时器0无法产生中断的问题
}
voidPara_initial（void）{
OutFlag=0;
cT01ms=vT01ms;
cT10ms=vT10ms;
//cT100ms=vT100ms;
cT01s=vT01S;
CS=0;//设置CS为0不选任何的音源，如为1则选第1路
}
voidsystem_initial（void）{
Chip_initial（）;
Para_initial（）;
DogReset（）;//已针对STC89C58RD+作修改.06-04-06
}
voidmain（void）{
system_initial（）;
while
（1）{
DogReset（）;
if（OutFlag）{
OutFlag=0;
send_char_com（AD_Filter（））;
}
}
}
voidTrint0（void）interrupt1using1{
TR0=0;//时基1mS
TH0=vT0HVal;
TL0=vT0LVal;
TR0=1;
TF0=0;
if（!
（--cT01ms））{
cT01ms=vT01ms;
if（!
（--cT10ms））{
cT10ms=vT10ms;
if（!
（--cT01s））{
cT01s=vT01S;
OutFlag=1;
}
}
}
}
voidComInINT（void）interrupt4{
if（RI）{//判断是不收完字符
switch（SBUF）{
case0x61:
CS=1;break;//根据SBUF设置CS 接收'abcde'调试方便
case0x62:
CS=2;break;
case0x63:
CS=3;break;
case0x64:
CS=4;break;
case0x65:
CS=0;break;
}
P1=255;//P1口全为高电平，4-7通过反相为低不选任何音源，0-3为高用于读取按键
RI=0;//RI清零
}
}
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