單片機外設A/D轉換器工作原理

如圖，為單片機AD轉換器的一種：

ADC0804單片集成A/D轉換器。它采用CMOS工藝20引腳集成芯片，分辯率為8位，轉換時間為100µs，輸入電壓范圍為0～5V。芯片內(nèi)具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，可直接接在數(shù)據(jù)總線上。

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各引腳名稱及作用如下：

VIN(+)，VIN(-)——兩模擬信號輸入端，用以接收單極性、雙極性和差模輸入信號。

DB7～DB0——具有三態(tài)特性數(shù)字信號輸出口。

AGND——模擬信號地。

DGND——數(shù)字信號地。

CLK——時鐘信號輸入端。

CLKR——內(nèi)部時鐘發(fā)生器的外接電阻端，與CLK端配合可由芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖，其頻率為1/(1.1RC)。

CS#---片選信號輸入端，低電平有效，一旦CS#有效，表明A/D轉換器被選中，可啟動工作。

WR#---寫信號輸入，低電平啟動A/D轉換。

RD#---讀信號輸入，低電平輸出端有效。

INTR#---A/D轉換結束信號，低電平有效表示本次轉換已完成。

VREF/2---參考電平輸入，決定量化單位。

VCC---芯片電源5V輸入。

打開ADC0804的數(shù)據(jù)手冊，我們可以看到以下典型的電路接法:

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我們可以用仿真軟件畫出來：

接下來，我們分析一下上圖的工作原理:

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①ADC0804的片選端CS連接U2鎖存哭的Q7輸出端，我們可通過控制鎖存器來控制CS，這樣接的原因是TX-1C實驗板擴展的外圍太多，沒有多余的I/O口獨立控制ADC0804的CS端，所以選擇U2。

②VIN(+)接電位器的中間滑動端，VIN(-)接地，因為這兩端可以輸入差分電壓，即它可測量VIN(+)與VIN(-)之間的電壓，當VIN(-)接地時，VIN(+)端的電壓即為ADC0804的模擬輸入電壓。VIN(+)與電位器之間串聯(lián)一個10kΩ電阻，目的是限制流入VIN(+)端的電流，防止電流過大而燒壞A/D芯片，當用短路帽短接插針ADIN后，電位器的中間滑動端便通過電阻R12與VIN(+)連接，此時調(diào)節(jié)電位器的旋鈕，其中間滑動端的電壓便在0～VCC變化，進而ADC0804的數(shù)字輸出端也在0x00~0xFF變化。

③CLKR，CLR，GND之間用電阻和電容組成RC振蕩電路，用來給ADC0804提供工作所需的脈沖，其脈沖的頻率為1/(1.1RC)，按芯片手冊上說明，R取10kΩ,C取150pF,TX-1C實驗板上為了減少元件種類和焊接方便，C選用的是104磁片電容。大家在設計自己的電路時，可選擇150pF電容，否則會影響A/D的轉換速率。

④VREF/2端用兩個1kΩ的電阻分壓得到VCC/2電壓，即2.5V，將該電壓作為A/D芯片工作時內(nèi)部的參考電壓。

⑤WR#、RD#分別接單片機的P3.6和P3.7引腳，數(shù)字輸出端接單片機的P1口。

⑥將AGND和DGND同時連接到實驗板的GND上。我們在設計產(chǎn)品時，若用到A/D和D/A，一般這些芯片都提供獨立的模擬地(AGND)和數(shù)字地(DGND)引腳，為了達到精度高，穩(wěn)定性好的目的，最好將所有器件的模擬地和數(shù)字地分別連接，最后將模擬地與數(shù)字地僅在一點連接。

⑦INTR#引腳未連接，TX-1C實驗板上讀取A/D數(shù)據(jù)未用中斷法，因此可不接該引腳。數(shù)字芯片在操作時首先要分析它的操作時序圖，圖4.4.6是ADC0804的啟動轉換時序圖。

ADC0804轉換時序圖:

分析圖4.4.6可知，CS先為低電平，WR#隨后置低，經(jīng)過至少tW(WR#)L時間后，WR#拉高，隨后A/D轉換器被啟動，并且在經(jīng)過(1～8個A/D時鐘周期+內(nèi)部TC)時間后，模/數(shù)完成轉換，轉換結果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時INTR自動變?yōu)榈碗娖剑�通知單片機本次轉換已結束。關于幾個時間的大小在芯片手冊中都有說明。

我在寫單片機程序啟動A/D轉換時就要遵循上面的時序，由于TX-1C實驗板未用中斷讀取A/D數(shù)據(jù)，因此我們在啟動A/D轉換后，稍等一會兒時間，然后直接讀取A/D的數(shù)字輸出口即可。讀取結束啟動一次A/D轉換，如此循環(huán)下去。4.4.7是ADC0804讀取數(shù)據(jù)時序圖。

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分析上圖可知，CS先為低電平，WR#隨后置低，經(jīng)過至少tW(WR#)L時間后，WR#拉高，隨后A/D轉換器被啟動，并且在經(jīng)過(1～8個A/D時鐘周期+內(nèi)部TC)時間后，模/數(shù)完成轉換，轉換結果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時INTR自動變?yōu)榈碗娖�，通知單片機本次轉換已結束。關于幾個時間的大小在芯片手冊中都有說明。

我在寫單片機程序啟動A/D轉換時就要遵循上面的時序，由于TX-1C實驗板未用中斷讀取A/D數(shù)據(jù)，因此我們在啟動A/D轉換后，稍等一會兒時間，然后直接讀取A/D的數(shù)字輸出口即可。讀取結束啟動一次A/D轉換，如此循環(huán)下去。下圖是ADC0804讀取數(shù)據(jù)時序圖。

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分析上圖可知，當INTR#變?yōu)榈碗娖胶�，將CS#先置低，在RD#置低至少經(jīng)過tACC時間后，數(shù)字輸出口上的數(shù)據(jù)達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時直接讀取數(shù)字輸出端口數(shù)據(jù)便可得的數(shù)字信號，讀走數(shù)據(jù)后，馬上將RD#拉高，然后再將CS#拉高，INTR#是自動變化的，當RD#置低tR1時間后，INTR#自動拉高，我們不必人為去干涉。

圖4.4.6和圖4.4.7是ADC0804啟動轉換和讀取數(shù)據(jù)的時序圖，這是啟動一次和讀取一次數(shù)據(jù)的時序圖，當我們要連續(xù)轉換并且連續(xù)讀取數(shù)據(jù)時，有沒有必要每次都把CS#置低再位高，因為CS#是片選信號，置低表示該芯片可被操作或處于能夠正常工作狀態(tài)，所以在寫程序時，只要一開始將CS#置低，以后當要啟動轉換和讀取數(shù)據(jù)時只需操作WR#和RD#即可。