第10章(106)教材配套课件
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比较式等多种。逐次逼近式A/D转换器易于用集成工艺实现，且能达到 较高的分辨率和速度，应用最为广泛。逐次逼近式A/D转换器由电压比 较器、D/A转换器、控制逻辑电路、逐次逼近寄存器等组成，如图10-1 所示。转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先 将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器 转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui<uo，则说 明数字过大，故将最高位的1清除；若ui＞uo，则说明数字还不够大，应 将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较 以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。 比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。
位是选择位(SELECT BIT 1)。第4个时钟脉冲结束，待转换的模 拟输入通道选定，SARS立即由低电平变为高电平，A/D转换器正 式开始转换，同时DI端转为高阻状态，DO端则从高阻状态变为 低电平。至第5个时钟脉冲的下降沿，即可开始从DO端读取转换 好的数字量，一个时钟脉冲读取一位，高位(MSB)在前，低位 (LSB)在后。经过8个时钟脉冲之后，8位数据从高位到低位输出 完毕，SARS从高电平变为低电平，转换完成。同时，TLC0834 又以低位在前、高位在后的顺序开始重新输出转换好的8位数据 (最低位共用)。当然，用户可以根据需要，在第12个时钟脉冲结
实例十 模/数转换接口的设计 2．设计步骤 1) 硬件设计 由于有些版本的Proteus仿真软件的基本元件库中没有 TLC0834，为了使用方便，我们在仿真设计中可采用ADC0834 来替代。仿真图如图10-6所示。 2) 软件设计 (1) 流程图如图10-7所示。
实例十 模/数转换接口的设计 图10-6 数字电压表设计仿真图
实例十 模/数转换接口的设计 理解：逐次逼近式A/D转换器的转换过程其实与我们用天 平称量物品的过程非常相似。用天平称量物品时，我们将待称 物品放在天平的左盘中，在天平的右盘里放砝码，首先我们会 大致估计一下物品的重量，然后选择一个最接近其重量但比它 小的砝码，之后依次选择小一些的砝码试称，如果砝码的总重 量大于物品，则将最小的砝码再换小一些的砝码，如果砝码的 总重量小于物品，则保留该砝码，并选择一个更小一些的砝码 试称，如果通过调整砝码已不能达到平衡，则调整游标来使天 平平衡。
实例十 模/数转换接口的设计 图10-3 TLC0834的引脚图
实例十 模/数转换接口的设计 图10-3所示的TLC0834的引脚功能如下： NC：空脚，不连接。
CS ：片选信号输入端，转换过程中必须保持低电平。
CH0～CH3：4路模拟输入通道。 DGTL GND：数字地。 ANLG GND：模拟地。 REF：基准电压输入端。 DO：串行数据输出端。
实例十 模/数转换接口的设计 图10-7 数字电压表设计流程图
实例十 模/数转换ຫໍສະໝຸດ 口的设计(2) 参考程序代码如下：
;*******************************************
DAT
BIT P3.0
;数据线
CLK
BIT P3.1
;时钟线
CS
BIT P3.5
;片选
DZCC CCBCDH
模拟输入通道(TLC0838共有8路模拟输入通道)，输入电压有单 端(SGL)和差分(DIF)两种方式。其中，选择差分输入方式时， 极性也可以选择。这些都可通过模拟开关地址信号的设置来控 制，参见表10-1。
注意：当正极输入端电压小于负极输入端电压时，A/D转 换器的输出全部为“0”。
实例十 模/数转换接口的设计 图10-2 TLC0834的内部结构框图
实例十 模/数转换接口的设计 SARS：转换状态输出端。该端为高电平时，表示转换正 在进行；该端为低电平时，表示转换完成。 CLK：时钟信号输入端。 DI：串行数据输入端。该端仅在多路器(模拟开关)寻址时 才被检测。 VCC：+5 V电源电压输入端。
实例十 模/数转换接口的设计 2．操作时序 TLC0834的操作时序如图10-4所示。
MOV C,DAT ;读转换后的数据 RLC A ;累加器A左移将结果逐位移入A中 SETB CLK DJNZ R0,READ0 MOV DZCC,A MOV R0,#9
实例十 模/数转换接口的设计
READ1: CLR
CLK
SETB CLK
DJNZ R0,READ1
SETB CS
;片选置高
RET
;一次转换结束
实例十 模/数转换接口的设计
实例十 模/数转换接口的设计
10.1 A/D转换器接口 10.2 数字电压表的设计与制作 10.3 习题
实例十 模/数转换接口的设计 学习目标 ◆ 理解数字电压表的工作原理。 ◆ 理解A/D转换的工作原理，掌握设计A/D转换接口电 路的方法。 工作任务 ◆ 设计与制作数字电压表。
实例十 模/数转换接口的设计
表 10-1 TLC0834 通道控制逻辑表
地址位
通道号
SGL/ DIF
ODD/ EVEN
SELECT BIT1
CH0
CH1
CH2
CH3
L
L
L
+
-
L
L
H
+
-
L
H
L
-
+
L
H
H
-
+
H
L
L
+
H
L
H
+
H
H
L
+
H
H
+
实例十 模/数转换接口的设计 表中，“L”表示低电平，“H”表示高电平，“+”表示正极， “-”表示负极。 TLC0834有多种封装形式，其中常见的是D或N封装，如 图10-3所示。
实例十 模/数转换接口的设计
;*********************************************
;显示子程序 第0组 R1
;*********************************************
DISP: MOV A,#0FBH
实例十 模/数转换接口的设计
10.1 A/D转换器接口
学习目标 ◆ 理解A/D转换的工作原理，掌握设计A/D转换接口电 路的方法。 工作任务 ◆ 设计TLC0834与单片机的接口。
实例十 模/数转换接口的设计
跟我学
10.1.1 A/D转换原理 A/D转换器可分成直接并行比较式、逐次逼近式、双积分式、跟踪
实例十 模/数转换接口的设计 图10-1 逐次逼近式A/D转换器
实例十 模/数转换接口的设计 10.1.2 A/D转换器的主要技术指标
(1) 分辨率：指输出的单位数字量变化对应的输入模拟量 的变化，也通常定义为满量程值的1/2n，同DAC的分辨率。
(2) 转换精度：指与输出数字量所对应的模拟输入量的实 际值与理论值之间的最大偏差。ADC的转换精度除了跟本身的 元器件误差有关之外，还取决于分辨率。一般来讲，分辨率越 高，转换精度也越高。
实例十 模/数转换接口的设计 图10-5 MCS-51单片机与TLC0834的接口电路
实例十 模/数转换接口的设计
跟我做
【练习】 项目：TLC0834与单片机的接口设计。 项目编号：EX10_1。 任务要求：利用Proteus仿真软件绘制TLC0834与单片机的 接口连接图(假设待转换的模拟量从CH1通道输入)。 结果：1110(接口连接图请读者自行绘制)。
1．任务分析 将模拟电压信号(直接由5 V直流电源提供)经串行A/D转换 器TLC0834转换为数字信号，信号送单片机处理后通过四位数 码管显示。显示最大值为5000 mV(5 V)，分辨率为20 mV。
实例十 模/数转换接口的设计 简易数字电压表的整体电路比较简单，由单片机最小系统、 TLC0834模块和数码管显示模块组成。模拟电压信号经串行 A/D转换后变为数字信号，将此信号线性调整为电压值，并转 换为BCD码形式，依次送数码管显示。为了简化设计，可采用 74LS48芯片进行BCD码与七段码(共阴极数码管)之间的解码， 即将待显示的数字电压值(BCD码)直接通过74LS48转换就可得 到共阴极数码管显示所需的七段码。例如，DCBA四个输入端 输入0111，则QG～QA七个输出端输出“7”的字段码 0000111(见图10-6)。
MOV 31H,#2
MOV 32H,#3
MOV 33H,#4
MAIN_LL:
;主程序循环
LCALL
DISP ;调用显示子程序
LCALL
TLC ;调用A/D转换初始化
LCALL
READ ;调用读A/D转换结果子程序
LCALL
BCD ;调用数据转换
SJMP MAIN_LL ;跳转至MAIN_LL循环
实例十 模/数转换接口的设计
实例十 模/数转换接口的设计
10.2 数字电压表的设计与制作
学习目标 ◆ 理解数字电压表的工作原理。 ◆ 理解A/D转换的工作原理，掌握设计A/D转换接口电 路的方法。 工作任务 ◆ 设计与制作数字电压表。
实例十 模/数转换接口的设计
跟我学
设计一个简易数字电压表，要求能测量0～5 V之间的直流 电压值，结果用四位数码管显示。
;******************************************
;A/D转换初始化子程序，时钟上升有效
;******************************************
TLC: CLR
CLK
;清时钟
CLR
DAT
SETB
CS
;片选高
CLR
CS
;片选低
SETB
DAT
实例十 模/数转换接口的设计 ;************************************************* ;读数据子程序 ;************************************************* READ: MOV R0,#8 READ0: CLR CLK
实例十 模/数转换接口的设计 图10-4 TLC0834的操作时序
实例十 模/数转换接口的设计
首先将 CS端置低电平，且在转换过程中必须保持低电平。 一旦 CS信号有效，DI端即在CLK的上升沿依次将多路器的地址
信号写入移位寄存器，第一位是起始位(高电平)，第二位是单端/
差分位(SGL/ DIF )，第三位是奇/偶位(ODD/ EVEN )，第四
(3) 转换时间：指从模拟量输入到二进制数输出所需的转 换时间。时间越短，速度越快。
实例十 模/数转换接口的设计
10.1.3 TLC0834 本节以逐次逼近式8位串行A/D转换器TLC0834为例，简单
说明串行A/D转换器与MCS-51单片机的接口设计方法。 1．内部结构和引脚功能 TLC0834的内部结构框图如图10-2所示。TLC0834共有4路
束时就置 CS为高电平，直接结束这一次转换周期。
实例十 模/数转换接口的设计 3．TLC0834与MCS-51单片机的接口设计 图10-5是MCS-51单片机与TLC0834的接口电路。图中， P1.0为TLC0834提供时钟信号，P1.1作为多路器地址信号的输 入端和转换结果的输出端(因为DI和DO不会同时有效，所以不 会冲突)，P1.2作为查询一次转换结束与否的标志端，P1.3控制 片选信号。假设待转换的模拟量从CH2通道输入，下面简单说 明该工作过程：首先将P1.3置低电平，使片选信号保持有效； 然后通过P1.0输出时钟脉冲信号，并在时钟脉冲的上升沿通过 P1.1向DI依次写入1101(为什么是1101？请读者根据表10-1自行 分析)；再检测P1.2的状态，一旦检测到该引脚信号从高电平变 为低电平，即可从P1.1依次读取转换好的8位数字量，且低位 在前，高位在后；最后将P1.3置高电平，使片选信号无效，完 成一次A/D转换。
;1起始位
SETB
CLK
CLR
CLK
SETB
DAT ;1
实例十 模/数转换接口的设计
SETB CLK
CLR CLK
CLR D AT;0
SETB CLK
CLR CLK
CLR DAT
;0，CH0
SETB CLK
CLR CLK
;通道0，单端输入
SETB CLK
SETB DAT
;由输出端改为输入状态
RET
EQU 39H EQU 3AH
;BCD高字节
CCBCDL
EQU 3BH
;BCD低字节
;******************************************
ORG 0000H
SJMP MAIN
ORG 0030H
实例十 模/数转换接口的设计
MAIN: MOV 30H,#1
;显示单元初始化
位是选择位(SELECT BIT 1)。第4个时钟脉冲结束，待转换的模 拟输入通道选定，SARS立即由低电平变为高电平，A/D转换器正 式开始转换，同时DI端转为高阻状态，DO端则从高阻状态变为 低电平。至第5个时钟脉冲的下降沿，即可开始从DO端读取转换 好的数字量，一个时钟脉冲读取一位，高位(MSB)在前，低位 (LSB)在后。经过8个时钟脉冲之后，8位数据从高位到低位输出 完毕，SARS从高电平变为低电平，转换完成。同时，TLC0834 又以低位在前、高位在后的顺序开始重新输出转换好的8位数据 (最低位共用)。当然，用户可以根据需要，在第12个时钟脉冲结
实例十 模/数转换接口的设计 2．设计步骤 1) 硬件设计 由于有些版本的Proteus仿真软件的基本元件库中没有 TLC0834，为了使用方便，我们在仿真设计中可采用ADC0834 来替代。仿真图如图10-6所示。 2) 软件设计 (1) 流程图如图10-7所示。
实例十 模/数转换接口的设计 图10-6 数字电压表设计仿真图
实例十 模/数转换接口的设计 理解：逐次逼近式A/D转换器的转换过程其实与我们用天 平称量物品的过程非常相似。用天平称量物品时，我们将待称 物品放在天平的左盘中，在天平的右盘里放砝码，首先我们会 大致估计一下物品的重量，然后选择一个最接近其重量但比它 小的砝码，之后依次选择小一些的砝码试称，如果砝码的总重 量大于物品，则将最小的砝码再换小一些的砝码，如果砝码的 总重量小于物品，则保留该砝码，并选择一个更小一些的砝码 试称，如果通过调整砝码已不能达到平衡，则调整游标来使天 平平衡。
实例十 模/数转换接口的设计 图10-3 TLC0834的引脚图
实例十 模/数转换接口的设计 图10-3所示的TLC0834的引脚功能如下： NC：空脚，不连接。
CS ：片选信号输入端，转换过程中必须保持低电平。
CH0～CH3：4路模拟输入通道。 DGTL GND：数字地。 ANLG GND：模拟地。 REF：基准电压输入端。 DO：串行数据输出端。
实例十 模/数转换接口的设计 图10-7 数字电压表设计流程图
实例十 模/数转换ຫໍສະໝຸດ 口的设计(2) 参考程序代码如下：
;*******************************************
DAT
BIT P3.0
;数据线
CLK
BIT P3.1
;时钟线
CS
BIT P3.5
;片选
DZCC CCBCDH
模拟输入通道(TLC0838共有8路模拟输入通道)，输入电压有单 端(SGL)和差分(DIF)两种方式。其中，选择差分输入方式时， 极性也可以选择。这些都可通过模拟开关地址信号的设置来控 制，参见表10-1。
注意：当正极输入端电压小于负极输入端电压时，A/D转 换器的输出全部为“0”。
实例十 模/数转换接口的设计 图10-2 TLC0834的内部结构框图
实例十 模/数转换接口的设计 SARS：转换状态输出端。该端为高电平时，表示转换正 在进行；该端为低电平时，表示转换完成。 CLK：时钟信号输入端。 DI：串行数据输入端。该端仅在多路器(模拟开关)寻址时 才被检测。 VCC：+5 V电源电压输入端。
实例十 模/数转换接口的设计 2．操作时序 TLC0834的操作时序如图10-4所示。
MOV C,DAT ;读转换后的数据 RLC A ;累加器A左移将结果逐位移入A中 SETB CLK DJNZ R0,READ0 MOV DZCC,A MOV R0,#9
实例十 模/数转换接口的设计
READ1: CLR
CLK
SETB CLK
DJNZ R0,READ1
SETB CS
;片选置高
RET
;一次转换结束
实例十 模/数转换接口的设计
实例十 模/数转换接口的设计
10.1 A/D转换器接口 10.2 数字电压表的设计与制作 10.3 习题
实例十 模/数转换接口的设计 学习目标 ◆ 理解数字电压表的工作原理。 ◆ 理解A/D转换的工作原理，掌握设计A/D转换接口电 路的方法。 工作任务 ◆ 设计与制作数字电压表。
实例十 模/数转换接口的设计
表 10-1 TLC0834 通道控制逻辑表
地址位
通道号
SGL/ DIF
ODD/ EVEN
SELECT BIT1
CH0
CH1
CH2
CH3
L
L
L
+
-
L
L
H
+
-
L
H
L
-
+
L
H
H
-
+
H
L
L
+
H
L
H
+
H
H
L
+
H
H
+
实例十 模/数转换接口的设计 表中，“L”表示低电平，“H”表示高电平，“+”表示正极， “-”表示负极。 TLC0834有多种封装形式，其中常见的是D或N封装，如 图10-3所示。
实例十 模/数转换接口的设计
;*********************************************
;显示子程序 第0组 R1
;*********************************************
DISP: MOV A,#0FBH
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10.1 A/D转换器接口
学习目标 ◆ 理解A/D转换的工作原理，掌握设计A/D转换接口电 路的方法。 工作任务 ◆ 设计TLC0834与单片机的接口。
实例十 模/数转换接口的设计
跟我学
10.1.1 A/D转换原理 A/D转换器可分成直接并行比较式、逐次逼近式、双积分式、跟踪
实例十 模/数转换接口的设计 图10-1 逐次逼近式A/D转换器
实例十 模/数转换接口的设计 10.1.2 A/D转换器的主要技术指标
(1) 分辨率：指输出的单位数字量变化对应的输入模拟量 的变化，也通常定义为满量程值的1/2n，同DAC的分辨率。
(2) 转换精度：指与输出数字量所对应的模拟输入量的实 际值与理论值之间的最大偏差。ADC的转换精度除了跟本身的 元器件误差有关之外，还取决于分辨率。一般来讲，分辨率越 高，转换精度也越高。
实例十 模/数转换接口的设计 图10-5 MCS-51单片机与TLC0834的接口电路
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跟我做
【练习】 项目：TLC0834与单片机的接口设计。 项目编号：EX10_1。 任务要求：利用Proteus仿真软件绘制TLC0834与单片机的 接口连接图(假设待转换的模拟量从CH1通道输入)。 结果：1110(接口连接图请读者自行绘制)。
1．任务分析 将模拟电压信号(直接由5 V直流电源提供)经串行A/D转换 器TLC0834转换为数字信号，信号送单片机处理后通过四位数 码管显示。显示最大值为5000 mV(5 V)，分辨率为20 mV。
实例十 模/数转换接口的设计 简易数字电压表的整体电路比较简单，由单片机最小系统、 TLC0834模块和数码管显示模块组成。模拟电压信号经串行 A/D转换后变为数字信号，将此信号线性调整为电压值，并转 换为BCD码形式，依次送数码管显示。为了简化设计，可采用 74LS48芯片进行BCD码与七段码(共阴极数码管)之间的解码， 即将待显示的数字电压值(BCD码)直接通过74LS48转换就可得 到共阴极数码管显示所需的七段码。例如，DCBA四个输入端 输入0111，则QG～QA七个输出端输出“7”的字段码 0000111(见图10-6)。
MOV 31H,#2
MOV 32H,#3
MOV 33H,#4
MAIN_LL:
;主程序循环
LCALL
DISP ;调用显示子程序
LCALL
TLC ;调用A/D转换初始化
LCALL
READ ;调用读A/D转换结果子程序
LCALL
BCD ;调用数据转换
SJMP MAIN_LL ;跳转至MAIN_LL循环
实例十 模/数转换接口的设计
实例十 模/数转换接口的设计
10.2 数字电压表的设计与制作
学习目标 ◆ 理解数字电压表的工作原理。 ◆ 理解A/D转换的工作原理，掌握设计A/D转换接口电 路的方法。 工作任务 ◆ 设计与制作数字电压表。
实例十 模/数转换接口的设计
跟我学
设计一个简易数字电压表，要求能测量0～5 V之间的直流 电压值，结果用四位数码管显示。
;******************************************
;A/D转换初始化子程序，时钟上升有效
;******************************************
TLC: CLR
CLK
;清时钟
CLR
DAT
SETB
CS
;片选高
CLR
CS
;片选低
SETB
DAT
实例十 模/数转换接口的设计 ;************************************************* ;读数据子程序 ;************************************************* READ: MOV R0,#8 READ0: CLR CLK
实例十 模/数转换接口的设计 图10-4 TLC0834的操作时序
实例十 模/数转换接口的设计
首先将 CS端置低电平，且在转换过程中必须保持低电平。 一旦 CS信号有效，DI端即在CLK的上升沿依次将多路器的地址
信号写入移位寄存器，第一位是起始位(高电平)，第二位是单端/
差分位(SGL/ DIF )，第三位是奇/偶位(ODD/ EVEN )，第四
(3) 转换时间：指从模拟量输入到二进制数输出所需的转 换时间。时间越短，速度越快。
实例十 模/数转换接口的设计
10.1.3 TLC0834 本节以逐次逼近式8位串行A/D转换器TLC0834为例，简单
说明串行A/D转换器与MCS-51单片机的接口设计方法。 1．内部结构和引脚功能 TLC0834的内部结构框图如图10-2所示。TLC0834共有4路
束时就置 CS为高电平，直接结束这一次转换周期。
实例十 模/数转换接口的设计 3．TLC0834与MCS-51单片机的接口设计 图10-5是MCS-51单片机与TLC0834的接口电路。图中， P1.0为TLC0834提供时钟信号，P1.1作为多路器地址信号的输 入端和转换结果的输出端(因为DI和DO不会同时有效，所以不 会冲突)，P1.2作为查询一次转换结束与否的标志端，P1.3控制 片选信号。假设待转换的模拟量从CH2通道输入，下面简单说 明该工作过程：首先将P1.3置低电平，使片选信号保持有效； 然后通过P1.0输出时钟脉冲信号，并在时钟脉冲的上升沿通过 P1.1向DI依次写入1101(为什么是1101？请读者根据表10-1自行 分析)；再检测P1.2的状态，一旦检测到该引脚信号从高电平变 为低电平，即可从P1.1依次读取转换好的8位数字量，且低位 在前，高位在后；最后将P1.3置高电平，使片选信号无效，完 成一次A/D转换。
;1起始位
SETB
CLK
CLR
CLK
SETB
DAT ;1
实例十 模/数转换接口的设计
SETB CLK
CLR CLK
CLR D AT;0
SETB CLK
CLR CLK
CLR DAT
;0，CH0
SETB CLK
CLR CLK
;通道0，单端输入
SETB CLK
SETB DAT
;由输出端改为输入状态
RET
EQU 39H EQU 3AH
;BCD高字节
CCBCDL
EQU 3BH
;BCD低字节
;******************************************
ORG 0000H
SJMP MAIN
ORG 0030H
实例十 模/数转换接口的设计
MAIN: MOV 30H,#1
;显示单元初始化