第5章

　　模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器

　　A/D轉(zhuǎn)換器簡寫為ADC(Analog to Digital Converter)，是一種能把模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量的電子器件。D/A轉(zhuǎn)換器簡寫為DAC(Digital To Analog Converter)，與A/D轉(zhuǎn)換器相反，它能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要用到A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。它們的功能及其在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的地位如圖5��1所示。由圖可見，被控實(shí)體的過程信號(hào)可以是電量(如電流、電壓等)，也可以是非電量(如溫度、壓力、傳速等)，其數(shù)值是隨時(shí)間連續(xù)變化的。各種模擬量都可以通過變送器或傳感器變換成相應(yīng)的數(shù)字量送給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)過程信息進(jìn)行運(yùn)算和處理，把過程信息進(jìn)行當(dāng)?shù)仫@示或打印等，同時(shí)將處理后的數(shù)字量送給D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量去對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)整，使系統(tǒng)處于*佳工作狀態(tài)。

　　圖5��1單片機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)示意圖

　　上述分析表明： A/D轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)控制系統(tǒng)中主要用于數(shù)據(jù)采集，向單片機(jī)提供被控對(duì)象的各種實(shí)時(shí)參數(shù)，以便單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)視和控制決策； D/A轉(zhuǎn)換器用于模擬控制，通過機(jī)械或電氣手段對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)整和控制。因此，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器是架設(shè)在單片機(jī)和被控實(shí)體之間的橋梁，在單片機(jī)控制系統(tǒng)占有極其重要的地位。

　　C8051F020是混合信號(hào)型單片機(jī)，在片內(nèi)集成了模/數(shù)(A/D)和數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換電路。下面分別進(jìn)行敘述。

　　5.1模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　A/D是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件。模擬量可以是電壓、電流等電信號(hào)，也可以是聲、光、壓力、濕度、溫度等隨時(shí)間連續(xù)變化的非電的物理量。非電的模擬量可通過合適的傳感器(如光電傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

　　C8051F020片內(nèi)包含一個(gè)9通道的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0和8通道8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1。

　　5.1.1模數(shù)轉(zhuǎn)換原理和性能指標(biāo)

　　1. 轉(zhuǎn)換原理

　　A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理可以分計(jì)數(shù)式、并行式、雙積分式、逐次逼近式等。計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，但轉(zhuǎn)換速度也很慢，所以很少采用。并行A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度*快，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜而造價(jià)較高，只用于那些轉(zhuǎn)換速度極高的場(chǎng)合。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器抗干擾能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度也很高，但速度不夠理想，常用于數(shù)字式測(cè)量儀表中。計(jì)算機(jī)中廣泛采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器作為接口電路，它的結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，轉(zhuǎn)換速度也較高。下面僅對(duì)逐次逼近式和雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理作簡單介紹。

　　圖5��2逐次逼近式A/D原理框圖

　　1) 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

　　逐次逼近式A/D也稱逐次比較法A/D。它由結(jié)果寄存器、D/A、比較器和置位控制邏輯等部件組成，原理框圖如圖5��2所示。

　　這種A/D采用對(duì)分搜索法逐次比較、逐步逼近的原理來轉(zhuǎn)換,整個(gè)轉(zhuǎn)換過程是個(gè)“試探”過程。控制邏輯先置1結(jié)果寄存器*高位Dn-1然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到一個(gè)占整個(gè)量程一半的模擬電壓Vs，比較器將此Vs和模擬輸入電壓Vx比較，若Vx＞Vs則保留此位Dn-1(為1)，否則清0Dn-1位。然后控制邏輯置1結(jié)果寄存器次高位Dn-2，連同Dn-1一起送D/A轉(zhuǎn)換，得到的Vs再和Vx比較，以決定Dn-2位保留為1還是清0，以此類推。*后，控制邏輯置1結(jié)果寄存器*低位D0，然后將Dn-1、Dn-2、……、D0一起送D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果Vs和Vx比較，決定D0位保留為1還是清0。

　　至此，結(jié)果寄存器的狀態(tài)便是與輸入的模擬量Vx對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。

　　2) 雙積分式的A/D轉(zhuǎn)換器

　　雙積分式也稱二重積分式，其實(shí)質(zhì)是測(cè)量和比較兩個(gè)積分的時(shí)間，它的工作原理如圖5��3所示，一個(gè)是對(duì)模擬輸入電壓積分的時(shí)間T0，此時(shí)間往往是固定的； 另一個(gè)是以充電后的電壓為初值，對(duì)參考電源Vref反向積分，積分電容被放電至零所需的時(shí)間Ti(Vref與Vi符號(hào)相反)。反向積分的斜率是固定的。模擬輸入電壓Vi與參考電壓Vref之比，等于上述兩個(gè)時(shí)間之比。由于Vref、T0固定，而放電時(shí)間Ti可以測(cè)出，因而可計(jì)算出模擬輸入電壓的大小。

　　圖5��3雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器工作原理圖

　　由于T0、Vref為已知的固定常數(shù)，因此反向積分時(shí)間Ti與輸入模擬電壓Vi在T0時(shí)間內(nèi)的平均值成正比。輸入電壓Vi愈高，VA愈大，Ti就愈長。在Ti開始時(shí)刻，控制邏輯同時(shí)打開計(jì)數(shù)器的控制門開始計(jì)數(shù)，直到積分器恢復(fù)到零電平時(shí)，計(jì)數(shù)停止。則計(jì)數(shù)器所計(jì)出的數(shù)字即正比于輸入電壓Vi在T0時(shí)間內(nèi)的平均值，于是完成了一次A/D轉(zhuǎn)換。

　　由于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換是測(cè)量輸入電壓Vi在T0時(shí)間內(nèi)的平均值，所以對(duì)常態(tài)干擾(串模干擾)有很強(qiáng)的抑制作用，尤其對(duì)正負(fù)波形對(duì)稱的干擾信號(hào)，抑制效果更好。

　　雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器具有電路簡單、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。但轉(zhuǎn)換速度比較慢，常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)。例如12位的積分型A/D芯片ADCET12BC，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為1ms。因此適用于模擬信號(hào)變化緩慢，采樣速率要求較低，而對(duì)精度要求較高，或現(xiàn)場(chǎng)干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合。例如常在數(shù)字電壓表中采用該芯片進(jìn)行A/D采樣。

　　2. 性能指標(biāo)

　　衡量A/D性能的主要參數(shù)是：

　　1) 分辨率(resolution)

　　分辨率是指輸出的數(shù)字量變化一個(gè)相鄰的值所對(duì)應(yīng)的輸入模擬量的變化值； 取決于輸出數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)。一個(gè)n位的A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的*小輸入模擬增量定義為滿量程值的2-n倍。例如，滿量程為10V的8位A/D芯片的分辨率為10V×2-8＝39mV； 而16位的A/D是10V×2-16＝153μV。

　　2) 滿刻度誤差(full scale error)

　　滿刻度誤差也稱增益誤差，即輸出全1時(shí)輸入電壓與理想輸入量之差。

　　3) 轉(zhuǎn)換速率(conversion rate)

　　轉(zhuǎn)換速度是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)，是一個(gè)很重要的指標(biāo)。A/D轉(zhuǎn)換器型號(hào)不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大。選用A/D轉(zhuǎn)換器型號(hào)視應(yīng)用需求而定，在被控系統(tǒng)的時(shí)間允許的情況下，應(yīng)盡量選用便宜的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。

　　4) 轉(zhuǎn)換精度(conversion accuracy)

　　A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度由模擬誤差和數(shù)字誤差組成。模擬誤差是比較器、解碼網(wǎng)絡(luò)中的電阻值以及基準(zhǔn)電壓波動(dòng)等引起的誤差，數(shù)字誤差主要包括丟失碼誤差和量化誤差，前者屬于非固定誤差，由器件質(zhì)量決定，后者和A/D輸出數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，誤差越小。

　　5.1.2C8051F020的ADC0功能結(jié)構(gòu)

　　C8051F020的ADC0子系統(tǒng)就是一個(gè)100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。ADC0的*高轉(zhuǎn)換速度為100ksps，其轉(zhuǎn)換時(shí)鐘來源于系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，分頻值保存在寄存器ADC0CF的ADCSC位。C8051F020的ADC0子系統(tǒng)功能框圖如圖5��4所示，它包括一個(gè)9通道的可編程模擬多路選擇器(AMUX0)、一個(gè)可編程增益放大器(PGA0)和一個(gè)100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。AMUX0、PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測(cè)器都可用軟件通過特殊功能寄存器來控制。ADC0所使用的電壓基準(zhǔn)將在5.3節(jié)專門介紹。只有當(dāng)ADC0控制寄存器中的AD0EN位被置1時(shí)ADC0子系統(tǒng)(ADC0、跟蹤保持器和PGA0)才被允許工作。當(dāng)AD0EN位為0時(shí)，AD0C子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。

　　圖5��4ADC0子系統(tǒng)功能框圖

　　從ADC0的功能框圖可以看出，ADC0的運(yùn)行主要與圖上標(biāo)的10個(gè)SFR有關(guān)。8個(gè)外部輸入的模擬量可以通過配置寄存器AMX0CF設(shè)定為單端輸入或雙端輸入； 8個(gè)外部輸入的模擬量和一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器量通過通道選擇寄存器AMX0SL設(shè)定在某一時(shí)刻通過多路選擇器； 從多路選擇器出來的模擬量通過配置寄存器ADC0CF設(shè)定ADC轉(zhuǎn)換速度和對(duì)模擬量的放大倍數(shù)； 由控制寄存器ADC0CN對(duì)ADC進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)、啟動(dòng)方式、采樣保持、轉(zhuǎn)換結(jié)束、數(shù)字量格式等進(jìn)行設(shè)定； 12位的轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量存放在數(shù)據(jù)字寄存器ADC0H、ADC0L中； ADC0中提供了可編程窗口檢測(cè)器，通過上下限寄存器ADC0GTH、ADC0GTL、ADC0LTH、ADC0LTL設(shè)定所需要的比較極限值。

　　在進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換前設(shè)定好以上SFR，CPU就按設(shè)定好的模式在模擬量轉(zhuǎn)換好時(shí)用指令讀出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)字量或在中斷服務(wù)程序中讀取數(shù)字量，然后再進(jìn)行下一次的轉(zhuǎn)換。ADC0的電氣特性見附錄C。

　　5.1.3模擬多路選擇器和PGA

　　模擬多路選擇器AMUX(Analog Multiplexer)中的8個(gè)通道用于外部測(cè)量，而第九通道在內(nèi)部被接到片內(nèi)溫度傳感器。這9個(gè)模擬通道通過通道選擇寄存器AMX0SL和配置寄存器AMX0CF進(jìn)行選擇和配置，可以將AMUX輸入對(duì)編程為工作在差分或單端方式。這就允許用戶對(duì)每個(gè)通道選擇*佳的測(cè)量技術(shù)，甚至可以在測(cè)量過程中改變方式。在系統(tǒng)復(fù)位后AMUX的默認(rèn)方式為單端輸入。表5��1給出了每種配置下各通道的功能。

　　配置寄存器AMX0CF的格式如下：

　　其中，各位的含義如下：

　　位7~4——未使用。讀= 0000b； 寫=忽略。

　　位3（AIN67IC）——AIN6、AIN7輸入對(duì)配置位。

　　0: AIN6和AIN7為獨(dú)立的單端輸入。

　　1: AIN6和AIN7為(分別為)+、-差分輸入對(duì)。

　　位2（AIN45IC）——AIN4、AIN5輸入對(duì)配置位。

　　0: AIN4和AIN5為獨(dú)立的單端輸入。

　　1: AIN4、AIN5為(分別為)+、-差分輸入對(duì)。

　　位1（AIN23IC）——AIN2、AIN3輸入對(duì)配置位。

　　0: AIN2和AIN3為獨(dú)立的單端輸入。

　　1: AIN2、AIN3為(分別為)+、-差分輸入對(duì)。

　　位0（AIN01IC）——AIN0、AIN1輸入對(duì)配置位。

　　0: AIN0和AIN1為獨(dú)立的單端輸入。

　　1: AIN0、AIN1為(分別為)+、-差分輸入對(duì)。

　　注： 對(duì)于被配置成差分輸入的通道，ADC0數(shù)據(jù)字格式為2的補(bǔ)碼。

　　通道選擇寄存器AMX0SL的格式如下：

　　其中，各位的含義如下：

　　位7~4——未使用。讀= 0000b； 寫=忽略。

　　位3~0（AMX0AD3~0）——AMUX0地址位。

　　0000~1111，根據(jù)表5��1選擇ADC輸入的通道。

　　表5��1模擬通道配置

　　AMX0AD3��0

　　000000010010001101000101011001111xxx

　　AMX0CF

　　位3~0

　　0000AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7溫度傳感器

　　0001+ (AIN0)

　　- (AIN1)AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7溫度傳感器

　　0010AIN0AIN1+ (AIN2)

　　- (AIN3)AIN4AIN5AIN6AIN7溫度傳感器

　　0011+ (AIN0)

　　- (AIN1)+ (AIN2)

　　- (AIN3)

　　AIN4AIN5AIN6AIN7溫度傳感器

　　0100AIN0AIN1AIN2AIN3+ (AIN4)

　　- (AIN5)AIN6AIN7溫度傳感器

　　0101+ (AIN0)

　　- (AIN1)AIN2AIN3+ (AIN4)

　　- (AIN5)AIN6AIN7溫度傳感器

　　0110AIN0AIN1+ (AIN2)

　　- (AIN3)+ (AIN4)

　　- (AIN5)AIN6AIN7溫度傳感器

　　0111+ (AIN0)

　　- (AIN1)+ (AIN2)

　　- (AIN3)+ (AIN4)

　　- (AIN5)AIN6AIN7溫度傳感器

　　1000AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5+ (AIN6)

　　- (AIN7)溫度傳感器

　　1001+ (AIN0)

　　- (AIN1)AIN2AIN3AIN4AIN5+ (AIN6)

　　- (AIN7)溫度傳感器

　　1010AIN0AIN1+ (AIN2)

　　- (AIN3)AIN4AIN5+ (AIN6)

　　- (AIN7)溫度傳感器

　　1011+ (AIN0)

　　- (AIN1)+ (AIN2)

　　- (AIN3)AIN4AIN5+ (AIN6)

　　- (AIN7)溫度傳感器

　　1100AIN0AIN1AIN2AIN3+ (AIN4)

　　- (AIN5)+ (AIN6)

　　- (AIN7)溫度傳感器

　　1101+ (AIN0)

　　- (AIN1)AIN2AIN3+ (AIN4)

　　- (AIN5)+ (AIN6)

　　- (AIN7)溫度傳感器

　　1110AIN0AIN1+ (AIN2)

　　- (AIN3)+ (AIN4)

　　- (AIN5)+ (AIN6)

　　- (AIN7)溫度傳感器

　　1111+ (AIN0)

　　- (AIN1)+ (AIN2)

　　- (AIN3)+ (AIN4)

　　- (AIN5)+ (AIN6)

　　- (AIN7)溫度傳感器

　　在表5��1中可看出，從多路選擇器出來的哪一個(gè)通道和單端或差分輸入由通道選擇寄存器AMX0SL和配置寄存器AMX0CF進(jìn)行選擇和配置，表左邊的垂直方向表示配置寄存器AMX0CF低4位值，指出各通道的單端還是差分輸入，表上邊的水平方向表示通道選擇寄存器AMX0SL的低4位，選擇9路輸入的中的某一路。

　　PGA(Programmable Gain Amplifier)即可編程增益放大器，它對(duì)AMUX輸出信號(hào)的放大倍數(shù)由ADC0配置寄存器ADC0CF中的AMP0GN2~0確定。PGA增益可以用軟件編程為0.5、1、2、4、8或16，復(fù)位后的默認(rèn)增益為1。注意，PGA0的增益對(duì)溫度傳感器也起作用。

　　配置寄存器ADC0CF的格式如下：

　　其中，各位的含義如下：

　　位7~3 （AD0SC4~0）——ADC0 SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期控制位。

　　SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘來源于系統(tǒng)時(shí)鐘，由下面的方程給出

　　AD0SC=SYSCLKCLKSAR0-1

　　其中AD0SC表示AD0SC4~0中保持的數(shù)值，CLKSAR0表示所需要的ADC0 SAR時(shí)鐘(注： ADC0 SAR時(shí)鐘應(yīng)小于或等于2.5MHz)。

　　位2~0 （AMP0GN2~0）——ADC0內(nèi)部放大器增益(PGA)。

　　000: 增益= 1

　　001: 增益= 2

　　010: 增益= 4

　　011: 增益= 8

　　10x: 增益= 16

　　11x: 增益= 0.5

　　5.1.4ADC的工作方式

　　1. 轉(zhuǎn)換過程

　　ADC0的轉(zhuǎn)換過程由控制寄存器ADC0CN來設(shè)置和控制的。

　　控制寄存器ADC0CN的格式如下：

　　其中，各位的含義如下：

　　位7 （AD0EN）——ADC0使能位。

　　0： ADC0禁止。ADC0處于低耗停機(jī)狀態(tài)。

　　1： ADC0使能。ADC0處于活動(dòng)狀態(tài)，并準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

　　位6 （AD0TM）——ADC跟蹤方式位。

　　0： 當(dāng)ADC被使能時(shí)，除了轉(zhuǎn)換期間之外一直處于跟蹤方式。

　　1： 由AD0CM1~0定義跟蹤方式。

　　位5 （AD0INT）——ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷標(biāo)志。該標(biāo)志必須用軟件清0。

　　0： 從*后一次將該位清0后，ADC0還沒有完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

　　1： ADC完成了一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

　　位4 （AD0BUSY）——ADC0忙標(biāo)志位。

　　讀：

　　0： ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)束或當(dāng)前沒有正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。AD0INT在AD0BUSY的下降沿被置1。

　　1： ADC0正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

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