12位AD转换器与单片机的接口电路设计.docx
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12位AD转换器与单片机的接口电路设计
课程设计任务书
2012/2013学年第1学期
学院：
电子与计算机科学技术学院
专业：
学生姓名：
学号：
课程设计题目：
12位A/D转换器与单片机的接口电路设计
起迄日期:
课程设计地点:
指导教师:
系主任：
下达任务书日期:
2012年12月19日
课程设计任务书
1．设计目的：
1．掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；
2．学习简单电路系统设计，掌握Protel99的使用方法；
3．掌握8051单片机、12位A/D芯片AD574的应用；
4．学习掌握硬件电路设计的全过程。
2．设计容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
1．学习掌握8051单片机的工作原理及应用；
2.学习掌握12位A/D芯片AD574的工作原理及应用；
2.设计基于AD574的12位模拟信号采集器的工作原理图及PCB版图；
3.整理设计容，编写设计说明书。
4.Protues仿真。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
1．该设计理论上可以实现某种功能。
2．本课程设计说明书。
3．硬件原理图及PCB图。
课程设计任务书
4．主要参考文献：
①童诗白．模拟电子技术基础．：
高等教育，2002
②建华．数字电子技术．：
机械工业，2004
③汝全．电子技术常用器件应用手册．：
机械工业，2005
④毕满清．电子技术实验与课程设计．：
机械工业，2005
⑤永雄．电子线路CAD实用教程．：
电子科技大学，2002
⑥亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．：
航空工业，2004
5．设计成果形式及要求：
提交容：
课程设计说明书（原理设计、PCB制作过程要在设计说明书详细说明）。
基本要求：
设计的原理图满足任务书的设计要求。
6．工作计划及进度：
2012年12月19日～12月24日查阅资料，熟悉任务要求，理解设计原理
2012年12月25日～12月27日方案设计
2012年12月28日～12月31日电路原理图，PCB图
2013年01月01日～01月13日电路仿真
2013年01月14日～01月15日整理设计说明书
2013年01月16日设计答辩与考核
系主任审查意见：
签字：
年月日
第一章设计任务及功能要求……………………….5
1.1摘要…………………………………………5
1.2设计课题及任务……………………………5
1.3功能要求及说明…………………………....5
第二章硬件设计…………………………………….6
2.1系统设计元器件功能说明…………………7
2.2硬件电路总体及部分设计…………………10
第三章软件设计…………………………………….12
3.1基本原理容设计…………………………12
3.2keil编程调试……………………………….13
3.3proteus仿真电路图………………………...19
第三章结果分析及总结………………………………..19
附录…….................................................................................20
第一章设计任务及功能要求
1.1摘要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入，单片机对我们的生活影响越来越大，很多工业领域中都用到单片机，日常生活中我们也离不开单片机的应用。
当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会，随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。
A/D和D/A转换器作为模拟和数字电路的借口，正受到日益广泛的关注。
随着数字技术的飞速发展，人们对A/D和D/A转换器的要求也越来越高，新型模拟/数字和数字/模拟之间的转换技术不断涌现，正是因为这些，高集成度的逻辑器件应运而生，而且发展迅速，它不断地更新换代以满足程序的要求，并尽可能的提高其利用率。
本课程设计就对其中AD574模数转换器在微机数据采集系统中的应用加以阐述。
关键字：
AD574转换器，80c51单片机，LED数码显示，串行输出
1.2设计课题及任务
1．掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；
2．学习简单电路系统设计，掌握Protel99的使用方法；
3．掌握8051单片机、12位A/D芯片AD574的应用；
4．学习掌握硬件电路设计的全过程。
1.3功能要求及说明
1．学习掌握8051单片机的工作原理及应用；
2.学习掌握12位A/D芯片AD574的工作原理及应用；
3.设计基于AD574的12位模拟信号采集器的工作原理图及PCB版图；
4.整理设计容，编写设计说明书。
5.Protues仿真。
第二章硬件设计
2.1系统设计元器件功能说明
12位AD574功能及引脚说明
AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：
分辨率：
12位
非线性误差：
小于±1/2LBS或±1LBS
转换速率：
25us
模拟电压输入围：
0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种
电源电压：
±15V和5V
数据输出格式：
12位/8位
芯片工作模式：
全速工作模式和单一工作模式
AD574A的引脚说明：
[1].Pin1（+V）——+5V电源输入端。
[2].Pin2（
）——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。
[3].Pin3（
）——片选端。
[4].Pin4（A0）——字节地址短周期控制端。
与
端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
须注意的是，
端TTL电平不能直接+5V或0V连接。
[5].Pin5（
）——读转换数据控制端。
[6].Pin6（CE）——使能端。
现在我们来讨论AD574A的CE、
、
、
和A0对其工作状态的控制过程。
在CE=1、
=0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当
=0时A/D转换，当
=1是进行数据读出。
和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
A0-0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。
当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。
当
=1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和
控制数据输出状态的格式。
当
=1时，数据以12位并行输出，当
=0时，数据以8位分两次输出。
而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。
其控制逻辑真值表见表1。
[7].Pin7（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。
[8].Pin8（REFOUT）——10V基准电源电压输出端。
[9].Pin9（AGND）——模拟地端。
[10].Pin10（REFIN）——基准电源电压输入端。
[11].Pin（V-）——负电源输入端，输入-15V电源。
[12].Pin1（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。
[13].Pin13（10VIN）——10V量程模拟电压输入端。
[14].Pin14（20VIN）——20V量程模拟电压输入端。
[15].Pin15（DGND）——数字地端。
[16].Pin16—Pin27（DB0—DB11）——12条数据总线。
通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。
[17].Pin28（STS）——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。
AD574A的工作模式：
以上我们所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A工作于单一模式，只需将CE、
端接至+5V电源端，
和A0接至0V，仅用
端来控制A/D转换的启动和数据输出。
当
=0时，启动A/D转换器，经25us后STS=1，表明A/D转换结束，此时将
置1，即可从数据端读取数据。
AD574A控制端标志意义
CE
A0
工作状态
0
X
X
X
X
禁止
x
1
X
X
X
禁止
1
0
0
X
0
启动12位转换
1
0
0
X
1
启动8位转换
1
0
1
接+5V
X
12位并行输出有效
1
0
1
接0V
0
高8位并行输出有效
1
0
1
接0V
1
低4位并行输出有效
74LS373
八D锁存器（3S,锁存允许输入有回环特性）简要说明:
373为三态输出的八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下（不同厂家具体值有差别）:
型号
tpd
Pd
54S373/74S373
7ns
525mW
54LS373/74LS373
17ns
12.mW
373的输出端O0~O7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。
当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引出端符号：
D0～D7数据输入端OE三态允许控制端（低电平有效）LE锁存允许端O0~O7输出端
外部管腿图：
逻辑图：
真值表：
极限值:
电源电压………………………………………….7V输入电压54/74S373…………………………….………….5.5V54/74LS373…………………………………….7V输出高阻态时高电平电压………………………….5.5V工作环境温度54XXX………………………………….-55~125℃74XXX………………………………….0~70℃存储温度………………………………………….-65~150℃
推荐工作条件：
54/74S37354LS373/74LS373
54
电源电压Vcc74
最小
4.5
4.75
额定
5
5
最大
5.5
5.25
最小
4.5
4.75
额定
5
5
最大
5.5
5.25
单位
V
输入高电平电压ViH
2
2
V
54
输入低电平电压ViL74
0.8
0.8
0.7
0.8
V
54
输出高电平电流IOH74
-2
-6.5
-1
-2.6
mA
54
输出低电平电流IOL74
20
20
12
24
mA
2.2硬件电路总体及部分设计
图2.2.1单片机的部晶振
图2.2.2数码管显示
图2.2.374373的接口设计
图2.2.4AD574接口图
第三章软件设计
3.1硬件电路总体及部分设计
AD574A的接口电路
8051单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由（
、
和A0）有8051的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作过程。
AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进8051，所以
接地。
当8051的p3.0查询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051，然后再将低4位读进8051。
这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将8051的写控制线
和读控制线
通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE相连
3.2Keil编程
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
sbitADout=P1^0;
sbitADin=P1^1;
sbitCS=P1^2;
sbitCLK=P1^3;
sbitEOC=P1^4;
sbitLE=P1^6;
sbitLE2=P1^7;
ucharduan[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x7c};
ucharD=0,wei[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xdf,0xef};
floatk,z;
uintn;
//////////延时子函数
voiddelay（uintus）
{
uchari;
for（i=0;i_nop_（）;
}
////////数码管显示子函数
voiddisplay（uintAD）
{
ucharq,b,s,g;//////千位、百位、十位、个位
q=AD/1000;
b=AD/100%10;
s=AD/10%10;
g=AD%10;
P0=0xff;
LE1=1;
P0=wei[0];
LE1=0;
LE2=1;
P0=duan[q];
LE2=0;
delay（10）;
P0=0xff;
LE1=1;
P0=wei[1];
LE1=0;
LE2=1;
P0=duan[b];
LE2=0;
delay（10）;
P0=0xff;
LE1=1;
P0=wei[2];
LE1=0;
LE2=1;
P0=duan[s];
LE2=0;
delay（10）;
P0=0xff;
LE1=1;
P0=wei[3];
LE1=0;
LE2=1;
P0=duan[g];
LE2=0;
delay（10）;
}
///////TLC2543转换和读取子函数，只转换了三路模拟电压信号。
uintreadAD（ucharport）
{
ucharch,i,j;
uintad;
ch=port;
for（j=0;j<3;j++）
{
ad=0;
ch=port;
EOC=1;
CS=1;
CS=0;
CLK=0;
for（i=0;i<12;i++）
{
if（ADout）ad|=0x01;
ADin=（bit）（ch&0x80）;
CLK=1;
CLK=0;
ch<<=1;
ad<<=1;
}
}
CS=1;//转换和读取数值
while（!
EOC）;
ad>>=1;
return（ad）;
}
//主函数
voidmain（）
{
while
（1）
{
n=readAD（0x00）;//得到通道0的数值
k=readAD（0x10）;//得到通道1的数值
z=readAD（0x20）;//得到通道2的数值
display（n）;//显示一路
//display（k）;
//display（z）;
}
}
3.3proteus仿真
Proteus仿真图及其pcb板见附录。
第四章结果分析及总结
ADC转换结果
单次转换结果如下
ADC=Vin*（2^12-1）/Vref
其中Vin是输入的模拟电压
Vref是标准基准电压为5v
（注：
12位AD最大输出量为4094）
当输入Vin=2.5v时，ADC=2047，验证了仿真的正确性
总结通过此次课程设计，是我学习到了很多课外知识：
（1）了解了单片机80c51的基本使用过程及其原理。
（2）学会了proteus仿真软件的使用方法。
（3）学会了keil与proteus联合调试分析方法。
（4）学会制作简单的pcb板及相关软件的使用。
（5）掌握了AD574，TLC2543，74373芯片的原理功能及其应用电路。
（6）明白了A/D转换的原理过程。
附录
串行A／D转换器TLC2543原理及应用
志东，增华
（1．商学院，抗州310035；2．港务局电力供应套司，066012）
摘要：
介绍了一种多通道高精度串行A／D转换器TLC2543的主要特点、工作原理和实际应用。
关键词：
A／D转换器；SPI
中图分类号：
TN79'2文献标识码：
B文章编号：
1001-1390（2001）03-0040—04
TheprincipleandapplicationsoftheserialA／DconverterTLC2543
PanZhidong，LiuZenghua~
（1．HangzhouCommerlealCollege，Hangzhou310035，China；
2．PowerSuppliesCompanyofQinhuaugd80PmlBureau，HebeiQinhuangdao066012，China）
Abstract：
Thispaperintroducesthefeatures，theoperatingprincipleandtheapplicationsof
TLC2543whichisamulti-channelandhishaccuracyserialA／Deonve~er．
Keywords：
A／Deonve~er；SP1
0引言
TLC2543是lrJ公司生产的一种l2位开关电容逐次逼近A／D转换器，芯片共有11个模拟输入通
道。
芯片的三个控制端：
串行三态输出数据端（DATAOUTPUT）、输入数据端（DATAINPUT）、输入／时钟（I／OCLOCK）能形成与微处理器之间数据传输较快和较为有效的串行外设接口一SPI。
片
具有一个l4通道多路选择器用于在11个模拟输入通道和3个部自测试（SELF—TEST）电压中任
选一个，可通过对其8位部控制寄存器进行编程完成通道的选择，并可对输出结果的位数、MSB／
LSB导前和极性进行选择。
1TLC2543性能特点
（1）12位分辨率。
（2）11个模拟输入通道。
（3）线性误差±1LSBMAX．．（4）输出数据单极性或双极性、数据长短、MSB或LSB前导可编程。
（5）正常温度围10Ws转换时间。
（6）自动采样与保持。
（7）片系统时钟。
（8）三种置自测试方式（9）转换结束信号EOC。
2引脚及功能TLC2543的引脚如图1所示，其功能如下AIN0~AIN10：
11个模拟量输入；西：
片选端，负电平有效；DATAINPUT：
数据输入端；DATAOUTPUT：
数据输出端；I／0CLOCK：
输入／出时钟端；
VCC：
正电源；GND：
地,EOC：
转换结束端；REF+：
正基准电压端，通常接Vcc；REF一：
负基准电压端，通常接GND3工作原理
3．1部控制寄存器
部控制寄存器有8位，其结构格式如表1所示。
部控制寄存器的设定数据为高位导前，部
控制寄存器各个位的基本功能如下：
D7~D4：
作为片14个通道多路选择器的控制
位用于11路模拟量和3个校准电压的选择以及掉电模式的设定。
D3、D2：
用于转换后数据串行输出位数的选择，共有三位数可供选择：
8位（精度较低，方便单字节串行数据传输）、12位（标准位数）、16位（低四位为零，便于16位串行数据传输）。
D1：
为⋯0’时表示输出数据的最大位导前，为⋯1’时表示最小位导前。
DO：
为⋯0时表示输出数据是单极性（无符号二进制），为⋯1’时表示双极性（有符号二进制）。
3．2采样过程
转换的工作包括二个周期：
I／O周期和转换周期（conv）。
I／O周期完成对部控制寄存器的置数
和在DATAOUTPUT端数据的输出；转换周期是由I／O时钟同步的部时钟来控制。
在转换周期开始
时，EOC输出变低；当转换完成时变高，输出数据寄存器锁存。
上电后，cS的电平必须从高到低以开始一次I／O周期。
部控制寄存器被置为零，并且EOC为低电平。
为了对芯片初始化，孺被转为高再到低以开始下一次I／O周期。
第一次转换结果可能不准确，应忽略。
在采样周期中，当对部控制寄存器进行设定、模拟信号通道确定后，芯片即开始对选定的输人信号进行采样。
采样开始于VO时钟的第四个下降沿。
保持采样方式直到第8、12或16个I／OCLOCK下降沿，当然这取决于对部控制寄存器有关数据长度的设定。
从最后一个I／0CLOCK下降沿到EOC的延迟时间之后，EOC输出端变低表示采样周期已结束，而转换周期开始。
在EOC变低后，所选通的拟信号端的变化不会影响转换的结果。
转换结束后，EOC信号再次变高，转换结果被存人输出数据寄存器。
EOC的上升沿使转换器返回到复位状态，以便开始新的转换周期。
若在转换中S为无效（即
高电平），则当cS为下降沿，转换数据的第一位即在DATAOUTPUT端，如图2所示：
若在转换过程中cs有效（即低电平），在EOC的上升沿，当cs为低，则转换数据的第一位即出现在DATAOurPuT管
脚上，如图3所示。
3,3掉电方式在掉电方式时，芯片部处于低电流待机状态。
当一个“lll0”二进制通道选择地址数在前四个I／OCLOCK周期置人输入数据寄存器时，就选择了掉电方式，在第四个I／OCLOCK下降沿时被激活。
这时芯片不进行转换工作，而是在输出数据寄存器中保持上次转换结果，直到一个非“1110”的通道选择地址数被置人输人数据寄存器，即选通一个有效的通道时，芯片进入新的A／D转换的周期中。
①童诗白．模拟电子技术基础．：
高等教育，2002
②建华．数字电子技术．：
机械工业，2004
③汝全．电子技术常用器件应用手册．：
机械工业，2005
④毕满清．电子技术实验与课程设计．：
机械工业，2005
⑤永雄．电子线路CAD实用教程．：
电子科技大学，20
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