單片微型計算機原理及接口技術(shù) 課件 -25 模擬量模塊

單片微型計算機原理及接口技術(shù)（25）1/32內(nèi)容提綱二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理及性能指標一具有模擬量輸入輸出的單片機系統(tǒng)構(gòu)成三STC8H8K64U單片機ADC的結(jié)構(gòu)及寄存器2/32具有模擬量輸入輸出的單片機系統(tǒng)構(gòu)成一3/32隨著數(shù)字電子技術(shù)及計算機技術(shù)的廣泛普及與應(yīng)用，數(shù)字信號的傳輸與處理日趨普遍。自然形態(tài)下的物理量多以模擬量的形式存在的，如溫度、濕度、壓力、流量、速度等，實際生產(chǎn)、生活和科學(xué)實驗中還會遇到化學(xué)量、生物量（包括醫(yī)學(xué)）等。從信號工程的角度來看，要進行信號的計算機處理，上述所有的物理量、化學(xué)量和生物量等都需要使用相應(yīng)的傳感器，將其轉(zhuǎn)換成電信號（稱之為模擬量）將模擬量轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別處理的數(shù)字量，而后再進行信號的傳輸、處理、存儲、顯示和控制。4/32同樣，計算機控制外部設(shè)備時，如電動調(diào)節(jié)閥、調(diào)速系統(tǒng)等，需要將計算機輸出的數(shù)字信號變換成外設(shè)能夠接受的模擬信號。將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter，ADC），也稱為A/D轉(zhuǎn)換器或者ADC器件；將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DigitaltoAnalogConverter，DAC），也稱為D/A轉(zhuǎn)換器。5/32以單片機為核心，具有模擬量輸入和輸出的應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。圖9-1具有模擬量輸入輸出的單片機系統(tǒng)6/32傳感器和變送器的區(qū)別傳感器是一種把非電量轉(zhuǎn)變成電信號的器件。檢測儀表在模擬電子技術(shù)條件下，一般包括傳感器、檢測點取樣設(shè)備及放大器（進行抗干擾處理及信號傳輸），當(dāng)然還有電源及現(xiàn)場顯示部分（可選擇）。電信號一般分為連續(xù)量、離散量兩種，實際上還可分成模擬量、開關(guān)量、脈沖量等。模擬信號一般采用4-20mADC的標準信號傳輸。數(shù)字化過程中，常常把傳感器和微處理器及通信網(wǎng)絡(luò)接口封裝在一個器件（稱為檢測儀表）中，完成信息獲取、處理、傳輸、存貯等功能。在自動化系統(tǒng)中經(jīng)常把檢測儀表稱為變送器，如溫度變送器、壓力變送器等。7/32模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理及性能指標二8/32一、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理根據(jù)轉(zhuǎn)換的工作原理不同，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以分為計數(shù)-比較式、逐次逼近式和雙斜率積分式。計數(shù)-比較式模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，轉(zhuǎn)換速度慢，較少采用。下面主要介紹逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理。9/321、逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路框圖如圖所示。圖9-2逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要由逐次逼近寄存器SAR、數(shù)字/電壓轉(zhuǎn)換器、比較器、時序及控制邏輯等部分組成。10/32工作過程當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器收到“轉(zhuǎn)換命令”并清除SAR寄存器后，控制電路先設(shè)定SAR中的最高位為“1”，其余位為“0”，此預(yù)測數(shù)據(jù)被送至D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電壓Vc。然后將Vc與輸入模擬電壓Vx在高增益的比較器中進行比較，比較器的的輸出為邏輯0或邏輯1。如果Vx≥Vc，說明此位置“1”是對的，應(yīng)予保留（1）；如果Vx<Vc，說明此位置“1”不合適，應(yīng)予清除（0）。按該方法繼續(xù)對次高位進行轉(zhuǎn)換、比較和判斷，決定次高位應(yīng)取“1”還是取“0”。重復(fù)上述過程，直至確定SAR最低位為止。該過程完成后，狀態(tài)線改變狀態(tài)，表示已完成一次完整的轉(zhuǎn)換，SAR中的內(nèi)容就是與輸入的模擬電壓對應(yīng)的二進制數(shù)字代碼。11/32二、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能指標A/D轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)單片機數(shù)據(jù)采集的常用外圍器件。A/D轉(zhuǎn)換器的品種繁多，性能各異，在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，首先碰到的問題就是如何選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。選擇A/D轉(zhuǎn)換器需要綜合考慮多項因素，如系統(tǒng)技術(shù)指標、成本、功耗、安裝等。12/321、分辨率分辨率是A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨最小信號的能力，表示數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入模擬信號變化的反應(yīng)就越靈敏。例如，8位A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨出滿刻度的1/256，若滿刻度輸入電壓為5V，則該8位A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨出輸入電壓變化的最小值約為19.5mV。分辨率常用A/D轉(zhuǎn)換器輸出的二進制位數(shù)表示。常見的A/D轉(zhuǎn)換器有8位、10位、12位、14位和16位等。13/322、通道有的單芯片內(nèi)部含有多個ADC模塊，可同時實現(xiàn)多路信號的轉(zhuǎn)換；常見的多路ADC器件只有一個公共的ADC模塊，由一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換。3、基準電壓基準電壓有內(nèi)、外基準和單、雙基準之分。4、轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換時間：A/D轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要的一定的轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)就是每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器的型號不同，轉(zhuǎn)換時間不同。逐次逼近式單片A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間的典型值為1.0~200μs。STC8H系列的ADC最快速度：12位ADC為800K（每秒進行80萬次ADC轉(zhuǎn)換，12.5μs/次），10位ADC為500K（每秒進行50萬次ADC轉(zhuǎn)換）14/325、采樣/保持器采樣/保持也稱為跟蹤/保持（Track/Hold縮寫T/H）。原則上采集直流和變化非常緩慢的模擬信號時可不用采樣保持器。對于其他模擬信號一般都要加采樣保持器。如果信號頻率不高，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間短，即使用高速A/D轉(zhuǎn)換器時，也可不用采樣/保持器。6、量程量程即所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍，如2.5V、5V和10V。7、滿刻度誤差滿度輸出時對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差稱為滿刻度誤差。15/328、線性度實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移稱為線性度。9、數(shù)字接口方式根據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出接口方式，A/D轉(zhuǎn)換器可以分為并行接口和串行接口兩種方式。并行方式一般在轉(zhuǎn)換后可直接讀取數(shù)據(jù)，具有明顯的轉(zhuǎn)換速度優(yōu)勢，但芯片的引腳比較多；串行方式所用芯片引腳少，封裝小，使用串行器件可以節(jié)省I/O資源，但需要軟件處理才能得到所需要的數(shù)據(jù)。STC8H8K64U單片機內(nèi)部集成了一個12位高速A/D轉(zhuǎn)換器，使用單片機集成的ADC時，不存在接口問題。16/3210、模擬信號類型通常ADC器件的模擬輸入信號都是電壓信號。同時根據(jù)信號是否過零，還分成單極性（Unipolar）信號和雙極性（Bipolar）信號。11、電源電壓電源電壓有單電源、雙電源和不同電壓范圍之分，如果選用單+5V電源的芯片則可以使用單片機系統(tǒng)電源。12、功耗一般CMOS工藝的芯片功耗較低，對于電池供電的手持系統(tǒng)對功耗要求比較高的場合一定要注意功耗指標。13、封裝常見的封裝有雙列直插封裝（DIP）和表貼型（SMD）封裝。17/32STC8H8K64U單片機ADC的結(jié)構(gòu)及寄存器三18/321、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)STC8H8K64U單片機ADC的結(jié)構(gòu)如圖所示。19/322、與ADC有關(guān)的特殊功能寄存器（1）ADC控制寄存器ADC_CONTR符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADC_CONTRBCHADC_POWERADC_STARTADC_FLAGADC_EPWMTADC_CHS[3:0]ADC_POWER：ADC電源控制位0：關(guān)閉ADC電源1：打開ADC電源。建議進入空閑模式和掉電模式前將ADC電源關(guān)閉，以降低功耗。特別注意：給MCU的內(nèi)部ADC模塊電源打開后，需等待約1ms,等MCU內(nèi)部的ADC電源穩(wěn)定后再讓ADC工作。20/322、與ADC有關(guān)的特殊功能寄存器（1）ADC控制寄存器ADC_CONTR符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADC_CONTRBCHADC_POWERADC_STARTADC_FLAGADC_EPWMTADC_CHS[3:0]ADC_START：ADC轉(zhuǎn)換啟動控制位。寫入1后開始ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后硬件自動將此位清零。0：無影響。即使ADC已經(jīng)開始轉(zhuǎn)換工作，寫0也不會停止A/D轉(zhuǎn)換。1：開始ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后硬件自動將此位清零。ADC_FLAG：ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位。當(dāng)ADC完成一次轉(zhuǎn)換后，硬件會自動將此位置1，并向CPU提出中斷請求。此標志位必須軟件清零。21/322、與ADC有關(guān)的特殊功能寄存器（1）ADC控制寄存器ADC_CONTR符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADC_CONTRBCHADC_POWERADC_STARTADC_FLAGADC_EPWMTADC_CHS[3:0]ADC_EPWMT：使能PWM實時觸發(fā)ADC功能。ADC_CHS[3:0]：ADC模擬通道選擇位注意：被選擇為ADC輸入通道的I/O口，必須設(shè)置PxM0/PxM1寄存器將I/O口模式設(shè)置為高阻輸入模式。另外，如果MCU進入掉電模式/時鐘停振模式后，仍需要使能ADC通道，則需要設(shè)置PxIE寄存器關(guān)閉數(shù)字輸入通道，以防止外部模擬輸入信號忽高忽低而產(chǎn)生額外的功耗。22/322、與ADC有關(guān)的特殊功能寄存器（1）ADC控制寄存器ADC_CONTR符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADC_CONTRBCHADC_POWERADC_STARTADC_FLAGADC_EPWMTADC_CHS[3:0]ADC_CHS[3:0]：ADC模擬通道選擇位ADC_CHSADC通道引腳0000ADC0P1.00001ADC1P1.10010ADC2P5.40011ADC3P1.3………0111ADC7P1.71000ADC8P0.0………1010ADC14P0.61111測試內(nèi)部1.19V有23/32（2）ADC配置寄存器（ADCCFG）符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADCCFGDEH--RESFMT-SPEED[3:0]RESFMT：ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果格式控制位0：轉(zhuǎn)換結(jié)果左對齊。ADC_RES保存結(jié)果的高8位，ADC_RESL保存結(jié)果的低4位。格式如下：1：轉(zhuǎn)換結(jié)果右對齊。ADC_RES保存結(jié)果的高4位，ADC_RESL保存結(jié)果的低8位。格式如下：24/32（2）ADC配置寄存器（ADCCFG）符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADCCFGDEH--RESFMT-SPEED[3:0]SPEED[3:0]：設(shè)置ADC工作時鐘頻率。｛FADC＝SYSclk/2/(SPEED+1)｝SPEED[3:0]給ADC的工作時鐘頻率0000SYSclk/2/10001SYSclk/2/20010SYSclk/2/3......1101SYSclk/2/141110SYSclk/2/151111SYSclk/2/1625/32（3）ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（ADC_RES，ADC_RESL）當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果會自動保存到ADC_RES和ADC_RESL中。保存結(jié)果的數(shù)據(jù)格式請參考ADC_CFG寄存器中的RESFMT設(shè)置。符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADC_RESBDH

ADC_RESLBEH

26/32（4）ADC時序控制寄存器（ADCTIM）CSSETUP：ADC通道選擇時間控制Tsetup0：占用1個ADC工作時鐘（默認值）1：占用2個ADC工作時鐘符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADCTIMFEA8HCSSETUPCSHOLD[1:0]SMPDUTY[4:0]CSHOLD[1:0]：ADC通道選擇保持時間控制Thold00：占用1個ADC工作時鐘01：占用2個ADC工作時鐘（默認值）10：占用3個ADC工作時鐘11：占用4個ADC工作時鐘27/32（4）ADC時序控制寄存器（ADCTIM）符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADCTIMFEA8HCSSETUPCSHOLD[1:0]SMPDUTY[4:0]SMPDUTY[4:0]：ADC模擬信號采樣時間控制Tduty00000：占用1個ADC工作時鐘00001：占用2個ADC工作時鐘... ...01010：占用11個ADC工作時鐘（默認值）... ...11110：占用31個ADC工作時鐘11111：占用32個ADC工作時鐘注意：SMPDUTY一定不能設(shè)置小于01010B28/32（4）ADC時序控制寄存器（ADCTIM）一個完整的ADC轉(zhuǎn)換時間為：Tsetup+Tduty+Thold+Tconvert，如下圖所示ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換時間：Tconvert為12個ADC工作時鐘29/32（5）ADC擴展配置寄存器（ADCEXCFG）ADCETRS[1:0]：ADC外部觸發(fā)腳ADC_ETR控制位0x：禁止ETR功能10 ：使能ADC_ETR的上升沿觸發(fā)ADC11：

使能ADC_ETR的下降沿觸發(fā)ADC注：使用此功能前，必須打開ADC_CONTR中的ADC電源開關(guān)，并設(shè)置好相應(yīng)的ADC通道符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADCEXCFGFEADH--ADCETRS[1:0]-CVTIMESEL[2:0]30/32（5）ADC擴展配置寄存器（ADCEXCFG）CVTIMESEL[2:0]：ADC自動轉(zhuǎn)換次數(shù)選擇0xx：轉(zhuǎn)換1次100：轉(zhuǎn)換2次并取平均值101：轉(zhuǎn)換4次并取平均值110：轉(zhuǎn)換8次并取平均值111：轉(zhuǎn)換16次并取平均值注：當(dāng)使能ADC自動轉(zhuǎn)換多次功能后，ADC中斷標志只會在ADC自動轉(zhuǎn)換到設(shè)置的次數(shù)后，才會被置1（例如：設(shè)置CVTIMESEL為101B，即ADC自動轉(zhuǎn)換4次并取平均值，則ADC中斷標志位每完成4次ADC轉(zhuǎn)換才會被置1）符號地址b7b6b5b4b3b2b1b0ADCEXCFGFEADH--ADCETRS[1:0]-CVTIMESEL[