《单片机应用技术》课件第5章.pptx

项目5简易数字电压表设计

5.1项目要求

5.2理论知识

5.3项目分析及实施

5.4项目拓展

5.5项目总结

习题

5.1项目要求

本项目通过设计数字电压表，旨在介绍A/D转换在控制系统中的应用。项目要求以STC89C52单片机为核心，设计一个简易数字电压表，要求对0～5V的电压可以测量，电压显示采用液晶LCD1602显示，精度保留到小数点后两位。

项目重难点：

(1)A/D转换原理；

(2)单片机与A/D转换器接口电路设计；

(3)单片机控制A/D转换器程序设计。

技能培养：

(1)熟练掌握单片机与A/D转换芯片的接口电路设计方法；

(2)熟练掌握A/D转换程序设计方法；

(3)能够分析和解决A/D转换中遇到的问题。

5.2理论知识

5.2.1A/D转换原理

A/D转换(Analog-to-DigitalConvert)就是把模拟量转变

为数字量。将模拟量转换成数字量的电路集成封装起来就称为A/D转换器(Analog-to-DigitalConvert)。需要转换的模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等，位数越多，转换精度越高。如图5-1所示，输出数字量D正比于输入模拟量uro

Da-1

输入模拟信号

-Da-2

n位二进制数

u₁

ADC

:D=D._,Da-2Da-3…D。

D₁

D。

图5-1AD转换框图

由于模拟量在时间和(或)数值上是连续的，而数字量在

时间和数值上都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟信号离散化(采样),还要在数值上离散化(量化),所以A/D转

换一般有三个步骤：采样保持→量化→编码。

采样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。如图5-2所示，通过一个周期脉冲信号序列对模拟信号进行采样。模拟信号的大小随时间不断变化，保持就是保持采样信号不变，使有充分时间转换为数字信号。

图5-2采样过程

量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把

模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。

编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示。在A/D转换器中，将模拟电压转换成数字信号，其数字信号最低位LSB=1所对应的模拟电压的大小称为量化单位S,S=

(输入最大模拟电压值/输出最大数字量),输入最大模拟电压值一般取参考电压。

假设需要把0V～+5V的模拟电压转换成三位二进制代

码，我们知道三位二进制代码可以表示八种状态，也就是把0V～+5V分成八等分，称为量化级，那么量化单位就是0.625V,如图5-3所示。将采样点的模拟电压值转化为量化单位的整数倍，就可以得到这个采样点的数字量，也就是编码。但是一般被转换的模拟电压不可能正好是量化单位的整数倍，这个因素引起的误差称为量化误差。

图5-3量化和编码

减少量化误差的方法可以通过增加二进制代码位数的方

法来实现，如果把OV～+5V的模拟电压转换成八位二进制代码，那么量化级就是28,也就是把0V～+5V分成了256份，当电压每变化(5/256)V≈19.53mV时，就会用一个八位的二进制代码表示。当然减少量化误差的方法不止这一种，读者可以自行研究。

A/D转换的基本电路原理主要有积分型、逐次逼近型、并行比较型等，详细分类如表5-1所示。

A/D转换器

直接A/D转换器

电荷再分配型A/D转换器

反馈比较型

逐次逼近式A/D转换器

跟踪计数式A/D转换器

非反馈比较型

串联方式A/D转换器

并联方式A/D转换器

串并联方式A/D转换器

间接A/D转换器

电压/时间变换型

单积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器

多重积分型A/D转换器

脉宽调制积分型A/D转换器

电压/频率变换型A/D转换器

∑一△式A/D转换器

表5-1A/D转换器分类

1.积分型A/D转换器

积分型A/D转换器工作原理是将输入电压转换成时间

(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率),然后由定时器/计数器获得数字值。早期的A/D转换器大多采用积分型，比如

TLC7135、MC14433、ICL7106、AD7555等芯片。

采用积分法原理的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成，如图5-4所示。

时钟

VRef

基准电压控制逻辑

计数器

OO