第9章模数转换器与数模转换器PPT课件

1、微机原理与接口技术微机原理与接口技术第第9章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器任课教师:http:/ stc15系列单片机器件手册等keil vision软件下载及指导手册(Helpvision Help) http:/ Software Cx51 编译器用户手册: Cx51编译器-对传统和扩展的8051微处理器的优化的C编译器和库参考215:07:45第第9章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器本章学习目标本章学习目标了解了解模数模数转换器的工作原理及性能指标转换器的工作原理及性能指标掌握掌握模数模数转换器的应用转换器的应用了解了解数模数模转换器的工作原理及性能指标

2、转换器的工作原理及性能指标掌握掌握数模数模转换器的应用转换器的应用315:07:45第第9章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器9.1 模数模数转换器的工作原理及性能指标转换器的工作原理及性能指标9.1.1 模数转换器的工作原理模数转换器的工作原理9.1.2 模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标9.2 IAP15W4K58S4单片机片内集成的单片机片内集成的模拟量模块模拟量模块9.2.1 IAP15W4K58S4集成的集成的A/D模块的结构及其使用模块的结构及其使用9.2.2 IAP15W4K58S4集成的集成的比较器模块比较器模块及其使用及其使用9.3 数模数模转换器及其应用

3、转换器及其应用9.3.1 数模转换器的工作原理及性能指标数模转换器的工作原理及性能指标9.3.2 12位位D/A转换器转换器TLV5616及其接口技术及其接口技术41、模数转换器的结构及模数转换器的结构及相关寄存器相关寄存器2、IAP15W4K58S4单片机单片机ADC模块的使用模块的使用 【例例9-1】 【例例9-2】 【例例9-3】 15:07:45第第9章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器 随着数字电子技术及计算机技术的广泛普及与应用，随着数字电子技术及计算机技术的广泛普及与应用，数字信号的传输与处理日趋普遍。数字信号的传输与处理日趋普遍。自然形态下的物理量多以自然形态下的

4、物理量多以模拟量形式模拟量形式存在，如存在，如温度、温度、湿度、压力、流量、速度湿度、压力、流量、速度等，实际生产、生活和科学等，实际生产、生活和科学实验中还会遇到实验中还会遇到化学量化学量、生物量生物量(包括医学包括医学)等。等。从信号工程的角度来看，要进行信号的计算机处理，从信号工程的角度来看，要进行信号的计算机处理，上述所有的物理量、化学量和生物量等都需要使用相上述所有的物理量、化学量和生物量等都需要使用相应的应的传感器传感器，将其，将其转换成电信号转换成电信号(模拟量模拟量)。将模拟量转换为将模拟量转换为计算机能够识别处理的计算机能够识别处理的数字量数字量，而后，而后再进行信号的传输、

5、处理、存储、显示和控制。再进行信号的传输、处理、存储、显示和控制。515:07:45第第9章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器同样，计算机控制外部设备时，如电动调节阀、调同样，计算机控制外部设备时，如电动调节阀、调速系统等，需要将计算机输出的速系统等，需要将计算机输出的数字信号变换成数字信号变换成外外设能够接受的设能够接受的模拟信号模拟信号。将模拟量转换成数字量的器件将模拟量转换成数字量的器件称为称为模数模数转换器转换器（Analog to Digital Converter，ADC），也称为），也称为A/D转换器转换器或者或者ADC器件；器件；将数字量转换成模拟量的器件将数字量

6、转换成模拟量的器件称为称为数模数模转换器转换器（Digital to Analog Converter，DAC），也称为），也称为D/A转换器转换器。615:07:45第第9章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器以单片机为核心，具有以单片机为核心，具有模拟量输入和输出模拟量输入和输出的应用的应用系统结构如图所示。系统结构如图所示。图图9-1 具有模拟量输入输出的单片机系统具有模拟量输入输出的单片机系统 715:07:45第第9章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器传感器和变送器的区别传感器和变送器的区别检测仪表在模拟电子技术条件下，一般是包括检测仪表在模拟电子技术条件下

7、，一般是包括传传感器感器、检测点取样设备检测点取样设备及及放大器放大器（进行抗干扰处（进行抗干扰处理及信号传输），当然还有电源及现场显示部分理及信号传输），当然还有电源及现场显示部分（可选择）。（可选择）。传感器传感器是一种是一种把非电量转变成电信号把非电量转变成电信号的器件。的器件。电信号一般分为电信号一般分为连续量、离散量连续量、离散量两种，实际上还两种，实际上还可分成可分成模拟量模拟量、开关量开关量、脉冲量脉冲量等。等。815:07:45第第9章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器传感器和变送器的区别传感器和变送器的区别模拟信号一般采用模拟信号一般采用4-20mA DC的标准

8、信号传输。的标准信号传输。数字化过程中，常常把数字化过程中，常常把传感器和微处理器及通信传感器和微处理器及通信网络接口封装在一个器件网络接口封装在一个器件（称为（称为检测仪表检测仪表）中，）中，完成信息获取、处理、传输、存贮等功能。完成信息获取、处理、传输、存贮等功能。在自动化仪表中经常把在自动化仪表中经常把检测仪表称为变送器检测仪表称为变送器，如，如温度变送器、压力变送器等。温度变送器、压力变送器等。915:07:45第第9章章 模数转换器与数模转换器模数转换器与数模转换器本章内容安排本章内容安排本章首先介绍本章首先介绍模数转换器模数转换器的工作原理及性能指标；的工作原理及性能指标；然后介绍

9、模数转换器然后介绍模数转换器ADS7852与单片机的与单片机的接口方接口方法及编程应用法及编程应用，介绍，介绍IAP15W4K58S4单片机片内单片机片内集成模数转换模块的使用；集成模数转换模块的使用；最后介绍最后介绍数模转换器数模转换器TLV5616与单片机的与单片机的接口方接口方法及编程应用法及编程应用。1015:07:459.1模数转换器的工作原理及性能指标9.1.1 模数转换器的工作原理模数转换器的工作原理根据转换的工作原理不同，模数转换器可以分为根据转换的工作原理不同，模数转换器可以分为计数计数-比较式比较式、逐次逼近式逐次逼近式和和双斜率积分式双斜率积分式。计数计数-比较式比较式模

10、数转换器结构简单，价格便宜，转模数转换器结构简单，价格便宜，转换换速度慢速度慢，较少采用。，较少采用。下面下面主要介绍逐次逼近式主要介绍逐次逼近式和和双斜率积分式双斜率积分式模数转模数转换器的工作原理。换器的工作原理。1115:07:451、逐次逼近式模数转换器的工作原理、逐次逼近式模数转换器的工作原理 逐次逼近式模数转换器主要由逐次逼近式模数转换器主要由逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SAR, 数数字字/电压转换器电压转换器, 比较器比较器, 时序及控制逻辑时序及控制逻辑等部分组成。等部分组成。(Successive Approximation Register)图图9-2 逐次逼近式模数转换器

11、的工作原理逐次逼近式模数转换器的工作原理1 0 0 0 0 0 0 0SAR 1 Vx Vc?输出为逻辑输出为逻辑1?(或或0)Yes 保留保留1 No10 1 3.8VC2H=194 255(6)*3.8/51215:07:45转换命令转换命令8位位A/D5.0V1、逐次逼近式模数转换器的工作原理、逐次逼近式模数转换器的工作原理工作过程工作过程当模数转换器收到当模数转换器收到“转换命令转换命令” 并清除并清除SAR寄存器后寄存器后,控制电路先设定控制电路先设定SAR 中最高位为中最高位为“1” , 其余位为其余位为“0” , 此预测数据被送至此预测数据被送至D/A转换器转换器, 转换成电压转

12、换成电压Vc。然后将然后将Vc与输入模拟电压与输入模拟电压Vx在高增益的比较器中进行在高增益的比较器中进行比较，比较器的的输出为逻辑比较，比较器的的输出为逻辑0或逻辑或逻辑1。如果如果VxVc，说明此位置，说明此位置 “1”是对的，应予保留；如是对的，应予保留；如果果VxVc，说明此位置，说明此位置“1” 不合适，应予清除。不合适，应予清除。按该方法继续对次高位进行转换、比较和判断，决定按该方法继续对次高位进行转换、比较和判断，决定次高位应取次高位应取“1” 还是取还是取“0” 。重复上述过程，直至确定重复上述过程，直至确定SAR最低位为止。最低位为止。该过程完成后，状态线改变状态，表示已完成

13、一次完该过程完成后，状态线改变状态，表示已完成一次完整的转换，整的转换，SAR中的内容就是与输入的模拟电压对应中的内容就是与输入的模拟电压对应的二进制数字代码。的二进制数字代码。1315:07:462、双积分式模数转换器的工作原理、双积分式模数转换器的工作原理双积分模数转换器的组成框图如图所示。双积分模数转换器的组成框图如图所示。图图9-3 双积分式模数转换器的组成框图双积分式模数转换器的组成框图tt1T2T1t2t2t2T1iiUu=1OU1OUouOOC PIUiu=212REFinuTNTV2nNiuSS闭合放电后再打开闭合放电后再打开从从0计数到计数到2n溢出溢出K向上闭合向上闭合K电

14、容充电电容充电负1OU+10OU20OUK向下闭合向下闭合0电容放电电容放电又从又从0计数到计数到N20OU计数停止计数停止REFV正+R充电电流:iuR放电电流:REF-VR固定时间:定斜率12O1iREFTTUuVRCRC1400电容电压电容电压U=Q/C,若用恒流充电若用恒流充电,电量电量Q=I*t, U=I*t/C15:07:461OU不会大于饱和电压9.1.1 模数转换器的工作原理模数转换器的工作原理2、双积分式模数转换器的工作原理、双积分式模数转换器的工作原理 双积分式模数转换器转换方法的双积分式模数转换器转换方法的抗干扰能力抗干扰能力比逐次比逐次逼近式模数转换器强。逼近式模数转换

15、器强。该方法的基础是该方法的基础是测量两个时间测量两个时间：一个是模拟输入电压向电容一个是模拟输入电压向电容充电充电的固定时间的固定时间,另一个是在已知参考电压下另一个是在已知参考电压下放电放电所需的时间所需的时间,模拟输入电压与参考电压的比值就等于上述两个模拟输入电压与参考电压的比值就等于上述两个时间值之比。时间值之比。212inuTNTVREF1515:07:462、双积分式模数转换器的工作原理、双积分式模数转换器的工作原理双积分式模数转换器双积分式模数转换器优点是优点是精度高精度高、抗干扰能力强抗干扰能力强，在实际工程中得到了使用在实际工程中得到了使用, 缺点是缺点是转换速度慢转换速度慢

16、。由于由于逐次逼近式模数转换器逐次逼近式模数转换器能很好的能很好的兼顾速度和精度兼顾速度和精度，故在故在16位以下位以下的模数转换器中得到了广泛应用。的模数转换器中得到了广泛应用。还有还有并联比较型并联比较型ADC采用各量级同时并行比较采用各量级同时并行比较, 各位各位输出码同时并行产生输出码同时并行产生, 转换速度快是它的突出优点转换速度快是它的突出优点。并联比较型并联比较型ADC的的缺点是成本高、功耗大缺点是成本高、功耗大。因为因为n位位输出的输出的ADC, 需要需要2n个电阻个电阻, (2n1) 个比较个比较器和器和D触发器触发器, 以及以及复杂的编码网络复杂的编码网络, 其元件数量随位

17、其元件数量随位数的增加数的增加, 以几何级数上升。所以这种以几何级数上升。所以这种ADC适用于要适用于要求求高速、低分辩率的场合高速、低分辩率的场合。1615:07:469.1.2模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标A/D转换器是实现单片机转换器是实现单片机数据采集数据采集的常用的常用外围器件外围器件。A/D转换器的转换器的品种繁多品种繁多, , 性能各异性能各异, 设计数据采集系设计数据采集系统时统时, 需选择合适的需选择合适的A/D转换器以满足系统设计要求。转换器以满足系统设计要求。选择选择A/D转换器转换器需要综合考虑系统需要综合考虑系统技术指标技术指标、成本成本、功耗功耗、安装安装

18、等因素。等因素。1、分辨率、分辨率分辨率是分辨率是A/D转换器能转换器能分辨最小信号的能力分辨最小信号的能力, 表示数字表示数字量量变化一个相邻数码变化一个相邻数码所需输入所需输入模拟电压的变化量模拟电压的变化量。分辨率越高分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就，转换时对输入模拟信号变化的反应就越越灵敏灵敏。1715:07:47例例: 8位位A/D转换器能分辨出满刻度转换器能分辨出满刻度(5V)的的1/256例例: 0000 0000 0000 0001 0000 0010 1、分辨率、分辨率例如，例如，8位位A/D转换器能够分辨出满刻度的转换器能够分辨出满刻度的1/256，若，若满刻度

19、输入电压为满刻度输入电压为5V，则该，则该8位位A/D转换器能够分辨转换器能够分辨出输入电压变化的最小值为出输入电压变化的最小值为19.5mV: 5V*1/256 = 0.0195V分辨率常用分辨率常用A/D转换器输出的二进制位数表示转换器输出的二进制位数表示。常见。常见的的A/D转换器有转换器有8位位、10位位、12位位、14位位和和16位位等。等。一般称一般称8位以下的位以下的ADC器件为低器件为低分辨率分辨率ADC器件器件；912位的位的ADC器件称为器件称为中分辨率中分辨率ADC器件器件；13位以上的位以上的ADC器件称为器件称为高分辨率高分辨率ADC器件器件。1815:07:47如何

20、选择如何选择ADC器件的分辨率器件的分辨率10位以下位以下ADC器件误差较大，器件误差较大，11位以上对减小误差位以上对减小误差并无太大贡献，但对并无太大贡献，但对ADC器件的要求却提得过高。器件的要求却提得过高。因此，取因此，取10位或位或11位是合适的。位是合适的。由于模拟信号由于模拟信号先经过测量装置先经过测量装置，再经再经A/D转换器转转换器转换换后才进行处理，因此，后才进行处理，因此，总的误差总的误差是由是由测量误差测量误差和和量化误差量化误差共同构成的。共同构成的。A/D转换器的精度应与测量装置的精度相匹配转换器的精度应与测量装置的精度相匹配。一方面要求一方面要求量化误差量化误差在

21、总误差中在总误差中所占的比重要小所占的比重要小，使它不显著地扩大测量误差；使它不显著地扩大测量误差；另一方面必须另一方面必须根据目前测量装置的精度水平根据目前测量装置的精度水平，对，对A/D转换器的位数提出恰当的要求。转换器的位数提出恰当的要求。1915:07:479.1.2模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标2、通道通道有的单芯片内部含有有的单芯片内部含有多个多个ADC模块模块，可，可同时实现同时实现多路信号的转换多路信号的转换；常见的常见的多路多路ADC器件只有器件只有一个公共的一个公共的ADC模块模块，由一个多路转换开关实现分时转换。由一个多路转换开关实现分时转换。3、基准电压基准电

22、压基准电压有基准电压有内、外内、外基准和基准和单、双单、双基准之分。基准之分。2015:07:479.1.2模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标4、转换速率、转换速率转换时间转换时间：A/D转换器转换器从启动转换到转换结束从启动转换到转换结束，输出，输出稳定的数字量，需要的一定的转换时间。稳定的数字量，需要的一定的转换时间。转换速率：转换速率：转换时间的倒数转换时间的倒数即每秒钟完成的转换次数。即每秒钟完成的转换次数。A/D转换器的型号不同，转换时间不同。转换器的型号不同，转换时间不同。逐次逼近式逐次逼近式单片单片A/D转换器转换时间的典型值为转换器转换时间的典型值为1.0200s。应根据

23、输入信号的最高频率来确定应根据输入信号的最高频率来确定ADC转换速度，转换速度，保证转换器的保证转换器的转换速率要高于转换速率要高于系统要求的系统要求的采样频率采样频率。ADS7852: 12位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器转换器转换速率转换速率 500kHzICL7109: 12位双积分式位双积分式A/D转换器转换器转换速率转换速率30次次/s2115:07:479.1.2模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标确定确定A/D转换器的转换速率时，应转换器的转换速率时，应考虑系统的采样速考虑系统的采样速率率。例如，如果用转换时间为例如，如果用转换时间为100s的的A/D转换器，则其转换器，

24、则其转换速率为转换速率为10KHz。根据采样定理和实际需要，一个周期的波形需采根据采样定理和实际需要，一个周期的波形需采10个样点，那么这样的个样点，那么这样的A/D转换器最高也只能处理频率转换器最高也只能处理频率为为1KHz的模拟信号。（的模拟信号。（fmax =1KHz, fs = 10fmax ）对一般单片机而言，在如此高的采样频率下，要在对一般单片机而言，在如此高的采样频率下，要在采样时间内完成采样时间内完成A/D转换以外的工作，如转换以外的工作，如读取数据、读取数据、再启动、保存数据、循环计数再启动、保存数据、循环计数等已经比较困难了。等已经比较困难了。2215:07:47根据采样定

25、理：当采样频率 fs 2fmax 时,能由采样重建原信号。9.1.2模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标5、采样、采样/保持器保持器采样采样/保持保持也称为也称为跟踪跟踪/保持保持(Track/Hold缩写缩写T/H)。原则上采集原则上采集直流和变化非常缓慢的直流和变化非常缓慢的模拟信号时可模拟信号时可不不用采样保持器用采样保持器。2315:07:47对于其他模拟信号一般对于其他模拟信号一般都要都要加采样保持器加采样保持器。如。如果果信号频率不高，信号频率不高，A/D转转换器的转换时间短换器的转换时间短，则，则使用高速使用高速A/D转换器时，转换器时，也可不用采样也可不用采样/保持器。保持

26、器。9.1.2模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标6、量程、量程量程即量程即所能转换的电压范围所能转换的电压范围，如，如2.5V、5V和和10V。7、满刻度误差、满刻度误差满度输出满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差时对应的输入信号与理想输入信号值之差称为称为满刻度误差满刻度误差。8、线性度、线性度实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移称为实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移称为线性度。线性度。2415:07:478位位A/D (5V) 满刻度满刻度255, 实际输入实际输入4.98V9.1.2模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标9、数字接口方式、数字接口方式根据转换的数

27、据输出接口方式，根据转换的数据输出接口方式，A/D转换器可以分为转换器可以分为并行接口并行接口和和串行接口串行接口两种方式。两种方式。并行方式并行方式在转换后在转换后可直接接收可直接接收, 但但芯片引脚比较多芯片引脚比较多;串行方式串行方式所用芯片所用芯片引脚少引脚少，封装小，但，封装小，但需要软件处需要软件处理理才能得到所需要的才能得到所需要的数据数据。单片机单片机I/O引脚不多时引脚不多时, 用用串行器件可节省串行器件可节省I/O资源资源。但是但是并行器件具有明显的转换速度优势并行器件具有明显的转换速度优势。在转换速。在转换速度要求较高的情况下应选用并行器件。度要求较高的情况下应选用并行器

28、件。25ADS7852是是12 位位 8 通道并行输出通道并行输出模数转换器模数转换器15:07:479.1.2模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标10、模拟信号类型、模拟信号类型通常通常ADC器件的模拟输入信号都是器件的模拟输入信号都是电压信号电压信号。同。同时根据信号时根据信号是否过零是否过零，还，还分成单极性分成单极性（Unipolar）信号和信号和双极性双极性（Bipolar）信号。）信号。11、电源电压、电源电压电源电压有电源电压有单电源单电源，双电源双电源和和不同电压范围不同电压范围之分，之分，早期的早期的ADC器件要有器件要有+15V/-15V，如果选用，如果选用单单+5V电

29、源的芯片则可以使用单片机系统电源。电源的芯片则可以使用单片机系统电源。2615:07:479.1.2模数转换器的性能指标模数转换器的性能指标12、功耗、功耗一般一般CMOS工艺的芯片功耗较低工艺的芯片功耗较低, 对于电池供电的手持对于电池供电的手持系统对功耗要求比较高的场合一定要注意功耗指标。系统对功耗要求比较高的场合一定要注意功耗指标。13、封装、封装常见的封装有常见的封装有双列直插封装双列直插封装(Dual In-line Package, DIP)和和表贴型表贴型(Surface Mount Devices, SMD)封装。封装。2715:07:47M1 M0 工作方式工作方式功能说明功

30、能说明0 0016位自动装载的定时器位自动装载的定时器/计数器计数器0 1116位定时器位定时器/计数器计数器1 02可自动装入的可自动装入的8位计数器位计数器1 1留作备用留作备用 1）M1和和M0：方式选择控制位：方式选择控制位表表7-1 定时定时/计数器的方式选择计数器的方式选择7-1-2 定时定时/计数器的相关寄存器计数器的相关寄存器位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0定时器名定时器名定时器定时器1定时器定时器0位名称位名称GATE C/M1 M0 GATE C/M1M0TT1、TMOD：定时器工作方式控制寄存器：定时器工作方式控制寄存器2815:07:477-2-1 可编程时钟输

31、出的相关寄存器可编程时钟输出的相关寄存器 T0CLKO=1: 设置设置P3.5为为T0的时钟输出的时钟输出引脚引脚T0CLKO 输出频率输出频率=T0溢出率溢出率/2位号位号 D7 D6D5D4D3D2D1D0位名称位名称 - EX4EX3EX2 LVD_WAKE T2CLKO T1CLKOT0CLKO定时器T0工作在模式2 (8位自动重装模式)时:若若C/T=0, T0对内部系统时钟计数对内部系统时钟计数, 则：则： 1T模式时的模式时的输出频率输出频率=(SYSclk)/(256 - TH1)/212T模式时的模式时的输出频率输出频率=(SYSclk)/12/(256 - TH1)/2若若

32、C/T=1, T0对外部脉冲输入对外部脉冲输入(P3.4/T0)计数计数, 则则输出输出时钟时钟频率频率= (T0_Pin_CLK)/(256 - TH1)/2 T0CLKO=0, 不允许将P3.5配置为定时器0的时钟输出。外部中断使能和时钟输出寄存器外部中断使能和时钟输出寄存器INT_CLKO (也称也称AUXR2)2915:07:47 3）TR1：T1的运行控制位。的运行控制位。可由软件置位或清可由软件置位或清0。 当当GATE(TMOD.7)=0，TR1=1启动启动T1开始计数，开始计数，TR1=0时停止时停止T1计数。计数。 当当GATE(TMOD.7)=1，TR1=1且且INTX输入

33、高电平输入高电平时，才允许时，才允许T1计数。计数。 4）TR0：定时器：定时器T0的运行控制位。的运行控制位。 含义和功能与含义和功能与TR1相似。相似。TCON定时器控制寄存器定时器控制寄存器位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0位名称位名称TF1 TR1 TF0 TR0 IE1IT1IE0IT07.1.1定时定时/计数器的结构及工作原理计数器的结构及工作原理3015:07:47TCON定时器控制寄存器定时器控制寄存器位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0位名称位名称TF1 TR1 TF0 TR0 IE1IT1IE0IT0TCON(地址为地址为88H,复位值为复位值为00H)寄存器的格

34、式如下：寄存器的格式如下： 1）TF1：T1溢出标志位。溢出标志位。 T1启动计数后，最高位产生溢出时，启动计数后，最高位产生溢出时，TF1由硬件置由硬件置1，向向CPU请求中断，当请求中断，当CPU响应中断时，由硬件清响应中断时，由硬件清0。TF1也可以由程序查询或清也可以由程序查询或清0。 2）TF0：定时器：定时器/计数器计数器0溢出标志位溢出标志位。 含义和功能与含义和功能与TF1相似。相似。7.1.1定时定时/计数器的结构及工作原理计数器的结构及工作原理3115:07:479.2 IAP15W4K58S4单片机片内集成的模单片机片内集成的模拟量模块拟量模块 本节首先介绍本节首先介绍I

35、AP15W4K58S4单片机片内集单片机片内集成成的的ADC模块模块的结构和使用方法，然后介绍的结构和使用方法，然后介绍IAP15W4K58S4单片机片内集成的比较器及其使用。单片机片内集成的比较器及其使用。3215:07:479.2.1 IAP15W4K58S4集成集成A/D模块的结构及其使用模块的结构及其使用IAP15W4K58S4单片机集成有单片机集成有8路路10位位高速电压输入高速电压输入型模数转换器型模数转换器(ADC), 速度可达速度可达300KHz(30万次万次/秒秒), 可做温度检测、压力检测、电池电压检测、按键扫可做温度检测、压力检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。描、

36、频谱检测等。1、模数转换器的结构及相关寄存器模数转换器的结构及相关寄存器IAP15W4K58S4集成集成8通道通道10位位模数转换器模数转换器(ADC) 。ADC输入通道与输入通道与P1口复用口复用，上，上电复位后电复位后P1口为弱上口为弱上拉型拉型I/O口口，用户可通过软件，用户可通过软件设置将设置将8路中的任何一路中的任何一路设置为路设置为ADC功能功能，不作为，不作为ADC使用的口可继续作使用的口可继续作为为I/O口使用。口使用。33P1ASF寄存器控制寄存器控制P1口的模拟功能口的模拟功能位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0名称名称 P17ASFP16ASFP15ASFP14ASF

37、P13ASFP12ASFP11ASFP10ASF15:07:47（1）模数转换器的结构）模数转换器的结构结构如图所示。结构如图所示。ADC控制寄存器控制寄存器ADC_CONTRP1ASF寄存器控制寄存器控制P1口口的模拟功能的模拟功能图图9-4 IAP15W4K58S4单片单片机机ADC结构图结构图 位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0名称名称 P17ASF P16ASF P15ASF P14ASF P13ASF P12ASF P11ASF P10ASF控制控制时钟时钟速度速度启启动动转转换换转转换换完完标标志志选择通道选择通道开关电源开关电源3415:07:47（1）模数转换器的结构）模

38、数转换器的结构IAP15W4K58S4的的ADC组成组成多路选择开关多路选择开关比较器比较器逐次比较寄存器逐次比较寄存器SAR10位位DAC转换结果寄存器（转换结果寄存器（ADC_RES和和ADC_RESL）ADC控制寄存器控制寄存器ADC_CONTR3515:07:48（1）模数转换器的结构）模数转换器的结构IAP15W4K58S4的的ADC转换原理转换原理IAP15W4K58S4的的ADC是逐次比较型模数转换器。是逐次比较型模数转换器。逐次比较型逐次比较型ADC由一个比较器和由一个比较器和D/A转换器构成，转换器构成，对对每一输入电压每一输入电压(AD0AD7), 通过逐次比较逻辑通过逐次

39、比较逻辑, 从从SAR的的最高位最高位(MSB)开始开始, 顺序顺序预设置预设置1, 然后将然后将内置内置D/A转换器转换器相应的相应的输出与输入电压进行比较，输出与输入电压进行比较，根据比较结果决定置根据比较结果决定置1的预设是否保留。的预设是否保留。经多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入经多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。模拟量对应值。3615:07:481、模数转换器的结构及相关寄存器模数转换器的结构及相关寄存器 （2）参考电压源参考电压源IAP15W4K58S4单片机单片机ADC模块的模块的参考电压源是参考电压源是输入工作电压输入工作电压Vcc，一般不用外接参考

40、电压源。，一般不用外接参考电压源。如果如果Vcc不稳定不稳定（例如电池供电的系统中，电池电（例如电池供电的系统中，电池电压常常在压常常在5.3V-4.2V之间漂移），之间漂移）， 则则可以在可以在8路路A/D转换的一个通道外接一个转换的一个通道外接一个稳定的参考电压源稳定的参考电压源，计算出此时的工作电压计算出此时的工作电压Vcc，再计算再计算出其他几路出其他几路A/D转换通道的电压转换通道的电压。3715:07:48（3）与）与ADC有关的特殊功能寄存器有关的特殊功能寄存器表表9-1 新出现的与新出现的与ADC模块有关的特殊功能寄存器模块有关的特殊功能寄存器寄存器寄存器 地址地址D7D6D5

41、D4D3D2D1D0P1ASF 9DH P17ASF P16ASFP15ASFP14ASFP13ASFP12ASF P11ASF P10ASFADC_CONTRBCHADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHS0ADC_RESBDHADC_RESLBEHCLK_DIV97HMCKO_S1MCKO_S0ADRJTx_Rx- CLKS2 CLKS1 CLKS03815:07:481）P1口模拟功能控制寄存器口模拟功能控制寄存器P1ASFP1ASF (地址为地址为9DH, 复位值为复位值为00H)各位定义如下：各位定义如下：位号位号D7D6D5D

42、4D3D2D1D0名称名称 P17ASF P16ASF P15ASF P14ASF P13ASF P12ASFP11ASFP10ASF若要用若要用P1相应口相应口P1.x的的模拟功能模拟功能, 需将需将P1ASF特殊功能特殊功能寄存器中的寄存器中的相应位置为相应位置为1。如如, 若要用若要用P1.6的模拟量的模拟量功能功能, 则需将则需将P16ASF置为置为1。注意注意: P1ASF寄存器寄存器不能位寻址不能位寻址, 可用汇编语言指令可用汇编语言指令ORL P1ASF, #40H, 也可用也可用C语言语句语言语句P1ASF |= 0 x40;（3）与）与ADC有关的特殊功能寄存器有关的特殊功能

43、寄存器P1 Analog Special Function Configure register(该寄存器是只写寄存器该寄存器是只写寄存器,读无效读无效)3915:07:48（3）与）与ADC有关的特殊功能寄存器有关的特殊功能寄存器2）ADC控制寄存器控制寄存器ADC_CONTRADC_CONTR(地址为地址为BCH,复位值为复位值为00H)各位定义：各位定义：位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0名称名称ADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2 CHS1CHS0ADC_POWER：ADC电源控制位。电源控制位。0：关闭：关闭ADC电源。电源。1：

44、打开：打开ADC电源。电源。4015:07:482）ADC控制寄存器控制寄存器ADC_CONTR 说明说明建议进入空闲模式前，将建议进入空闲模式前，将ADC电源关闭，即电源关闭，即ADC_POWER =0。启动启动A/D转换前一定要确认转换前一定要确认ADC电源已打开电源已打开，A/D转转换结束后关闭换结束后关闭ADC电源可降低功耗，也可不关闭。电源可降低功耗，也可不关闭。初次打开内部初次打开内部ADC转换模拟电源，需适当延时转换模拟电源，需适当延时，等，等内部模拟电源稳定后，再启动内部模拟电源稳定后，再启动A/D转换。转换。建议启动建议启动A/D转换后，转换后，在在A/D转换结束之前，不改变

45、转换结束之前，不改变任何任何I/O口口的状态的状态，有利于提高，有利于提高A/D转换的精度。转换的精度。4115:07:482）ADC控制寄存器控制寄存器ADC_CONTRSPEED1, SPEED0：ADC转换速度控制位。转换速度控制位。SPEED1 SPEED0A/D转换所需时间转换所需时间1190个时钟周期转换一次个时钟周期转换一次, CPU工作频率工作频率27M Hz时时, A/D转换速度约转换速度约300KHz, 9位精度位精度表表9-2 ADC转换速度控制转换速度控制位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0名称名称ADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_S

46、TARTCHS2 CHS1CHS027MHz/90=300KHz10180个时钟周期转换一次，可达到个时钟周期转换一次，可达到10位精度位精度01360个时钟周期转换一次，可达到个时钟周期转换一次，可达到10位精度位精度00540个时钟周期转换一次，可达到个时钟周期转换一次，可达到10位精度位精度4215:07:482）ADC控制寄存器控制寄存器ADC_CONTRIAP15W4K58S4单片机单片机A/D转换模块的时钟转换模块的时钟使用使用外部晶体时钟或内部外部晶体时钟或内部R/C振荡器所产生的振荡器所产生的系统系统主时钟主时钟，不使用时钟分频寄存器不使用时钟分频寄存器CLK_DIV对系统对系

47、统时钟分频后所产生的供给时钟分频后所产生的供给CPU工作所使用的时钟工作所使用的时钟(系统时钟系统时钟)。优点优点：不仅可以让：不仅可以让ADC用较高的频率工作，提高用较高的频率工作，提高A/D的转换速度；而且可以让的转换速度；而且可以让CPU用较低的频率工用较低的频率工作，降低系统的功耗。作，降低系统的功耗。STC12C5A60S2.pdf说明书有此叙述说明书有此叙述, STC15系列无。系列无。 IAP15W4K58S4单片机单片机A/D转换模块的时钟就是转换模块的时钟就是CPU工工作所使用的时钟作所使用的时钟(系统时钟系统时钟)。 4315:07:482）ADC控制寄存器控制寄存器ADC

48、_CONTRADC_FLAG：A/D转换结束转换结束(中断中断)标志位。标志位。A/D转换完成后，转换完成后，ADC_FLAG = 1，要由软件清零。，要由软件清零。不管不管A/D转换完成后由该位申请产生中断转换完成后由该位申请产生中断, 还是由软还是由软件查询该标志位判断件查询该标志位判断A/D转换是否结束转换是否结束, 当当A/D转换转换完成后完成后, ADC_FLAG = 1, 取数据后取数据后, 一定要软件清一定要软件清0。位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0名称名称ADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2 CHS1CHS04415:07

49、:482）ADC控制寄存器控制寄存器ADC_CONTRADC_START: ADC转换启动控制位，转换启动控制位， 设置为设置为“1”时时, 开始转换开始转换，转换结束后为转换结束后为0。位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0名称名称ADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2 CHS1CHS0 CHS2、CHS1、CHS0：模拟输入通道选择：模拟输入通道选择, 具体具体选择情况见选择情况见表表9-3 。4515:07:48 CHS2、CHS1、CHS0：模拟输入通道选择：模拟输入通道选择,见下表。见下表。CHS2CHS1CHS0模拟输入通道选择模拟输

50、入通道选择000选择选择P1.0作为作为A/D输入来用输入来用001选择选择P1.1作为作为A/D输入来用输入来用010选择选择P1.2作为作为A/D输入来用输入来用011选择选择P1.3作为作为A/D输入来用输入来用100选择选择P1.4作为作为A/D输入来用输入来用101选择选择P1.5作为作为A/D输入来用输入来用110选择选择P1.6作为作为A/D输入来用输入来用111选择选择P1.7作为作为A/D输入来用输入来用表表9-3 模拟输入通道选择模拟输入通道选择位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0名称名称ADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS

51、2 CHS1CHS0ADC_CONTR 控制寄存器控制寄存器4615:07:482）ADC控制寄存器控制寄存器ADC_CONTR需要注意需要注意设置设置ADC_CONTR控制寄存器的语句执行后控制寄存器的语句执行后，要经要经过过4个个CPU时钟的延时时钟的延时，其值才能够保证被设置进，其值才能够保证被设置进ADC_CONTR控制寄存器。控制寄存器。典型代码如下：典型代码如下： MOV ADC_CONTR, #DATA ; #DATA是设置值是设置值 NOP NOP NOP NOP MOV A, ADC_CONTR ;经经4个时钟延时个时钟延时,才能正确读才能正确读ADC_CONTR控制寄存器值

52、控制寄存器值4715:07:483）A/D转换结果存储格式控制及转换结果存储格式控制及A/D转换结果寄存器转换结果寄存器 ADC_RES、ADC_RESLADC_RES(地址地址:BDH, 复位值复位值: 00H)和和ADC_RESL(地地址址:BEH,复位值复位值:00H)用于保存用于保存A/D转换结果转换结果。特殊功能寄存器特殊功能寄存器CLK_DIV中的中的ADRJ位位用于用于设置设置A/D转换结果的存储格式转换结果的存储格式。ADRJ位位在在时钟分频寄存器时钟分频寄存器CLK_DIV (也称也称PCON2,地址地址: 97H, 复位值复位值: 0000 x000B)中中, 其其各位的定

53、义如下各位的定义如下:位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0名称名称MCKO_S1 MCKO_S0 ADRJ Tx_Rx - CLKS2CLKS1CLKS0ADRJ: ADC转换结果调整寄存器位转换结果调整寄存器位the adjustment bit of ADC result4815:07:483）A/D转换结果存储格式控制及转换结果存储格式控制及A/D转换结果寄存器转换结果寄存器ADRJ=0时时, ADC_RES7:0存放存放高高8位位ADC结果，结果， ADC_RESL1:0存放存放低低2位位ADC结果；结果；位名称位名称寄存器寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0ADC_RESADC

54、_RES9ADC_RES8ADC_RES7ADC_RES6ADC_RES5ADC_RES4ADC_RES3ADC_RES2ADC_RESLADC_RES1ADC_RES0CLK_DIV ADRJ=0ADRJ=1时，时，ADC_RES1:0存放存放高高2位位ADC结果，结果，ADC_RESL7:0存放存放低低8位位ADC结果。结果。4915:07:483）A/D转换结果存储格式控制及转换结果存储格式控制及A/D转换结果寄存器转换结果寄存器ADRJ=1时，时，ADC_RES1:0存放存放高高2位位ADC结果，结果，ADC_RESL7:0存放存放低低8位位ADC结果。结果。位名称位名称寄存器寄存器D

55、7D6D5D4D3D2D1D0ADC_RESADC_RES9ADC_RES8ADC_RESLADC_RES7ADC_RES6ADC_RES5ADC_RES4ADC_RES3ADC_RES2ADC_RES1ADC_RES0CLK_DIV ADRJ=15015:07:483）A/D转换结果存储格式控制及转换结果存储格式控制及A/D转换结果寄存器转换结果寄存器如果如果IAP15W4K58S4单片机的单片机的10位位A/D转换结果的高转换结果的高8位存放在位存放在ADC_RES中，低中，低2位存放在位存放在ADC_RESL的的低低2位中位中(ADRJ=0)，模，模/数转换结果计算公式如下：数转换结果计

56、算公式如下：取取10位结果位结果 : (ADC_RES7:0, ADC_RESL1:0) = 1024Vin/Vcc取取8位结果位结果: ADC_RES7:0 = 256Vin / Vcc Vin为为模拟模拟输入通道输入通道输入电压输入电压，Vcc为单片机实际为单片机实际工工作电压作电压，用单片机工作电压作为，用单片机工作电压作为模拟参考电压模拟参考电压。5115:07:484）与）与A/D转换中断有关的寄存器转换中断有关的寄存器中断允许控制寄存器中断允许控制寄存器IE中的中的EADC位位 (D5位位) 用于开放用于开放ADC中断；中断；EA位位 (D7位位) 用于开放用于开放CPU中断。中断

57、。中断优先级寄存器中断优先级寄存器IP中的中的PADC位位(D5位位)用于设置用于设置A/D中断的优先级中断的优先级位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0位名称位名称 EA ELVD EADC ESET1EX1 ET0EX0在中断服务程序中在中断服务程序中, 要用软件将要用软件将A/D中断标志位中断标志位ADC_FLAG (也是也是A/D转换结束标志位转换结束标志位)清清0。位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0位名称位名称PPCA PLVD PADC PSPT1 PX1 PT0 PX05215:07:489.2.1 IAP15W4K58S4集成集成A/D模块的结构及其使用模块的结构及其使

58、用2、IAP15W4K58S4单片机单片机ADC模块的使用模块的使用编程要点编程要点打开打开ADC电源，第一次使用时要打开内部模拟电源电源，第一次使用时要打开内部模拟电源 (设置设置ADC_CONTR . ADC_POWER =1)。适当延时，等内部模拟电源稳定。一般延时适当延时，等内部模拟电源稳定。一般延时1ms以以内即可。内即可。设置设置P1口中的相应口线作为口中的相应口线作为A/D转换通道转换通道 (设置设置P1ASF寄存器寄存器)。(也可在也可在打开打开ADC电源电源前设置前设置)位号位号D7D6D5D4D3D2D1D0名称名称ADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAG

59、ADC_STARTCHS2 CHS1CHS0(在此可在此可设置设置CLK_DIV中的中的ADRJ位位: 转换结果存储格式转换结果存储格式)5315:07:48D7D6D5D4D3D2D1D02、IAP15W4K58S4单片机单片机ADC模块的使用模块的使用选择选择ADC通道通道(设置设置ADC_CONTR中中CHS2CHS0 位位)。延时延时(若切换了通道若切换了通道, 延时延时20s200s, 否则略否则略)。启动启动ADC转换转换(ADC_CONTR中中ADC_START位置位置1)。 (ADC_CONTR的各位设置可一次完成的各位设置可一次完成)查询查询A/D转换结束标志转换结束标志AD

60、C_FLAG，判断，判断A/D转换是转换是否完成，若完成，则读出结果否完成，若完成，则读出结果(结果保存在结果保存在ADC_RES和和ADC_RESL寄存器中寄存器中)，并进行数据处理。，并进行数据处理。(根据需要根据需要设置设置CLK_DIV中的中的ADRJ位位: 转换结果存储格式转换结果存储格式)54并将并将ADC中断请求标志中断请求标志ADC_FLAG清零。清零。15:07:48位号位号D7D6D5D4D3D2D1D02、IAP15W4K58S4单片机单片机ADC模块的使用模块的使用 读取转换结果注意：读取转换结果注意：如果是多通道模拟量进行转换，则更换如果是多通道模拟量进行转换，则更换