楊歡 杜少華 袁國鋒 陳曉

摘要：A/D轉(zhuǎn)換器是一種能把輸入模擬電壓或電流變成與其成正比的數(shù)字量的電路芯片，它廣泛應(yīng)用在單片機(jī)的前向輸入通道中。文章采用ADC0804單通道8位并行接口芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，控制器使用美國ATMEL公司的增強(qiáng)型AT89C52單片機(jī)，對轉(zhuǎn)換完成后得到的數(shù)字量經(jīng)過單片機(jī)P1口輸出到8個(gè)LED發(fā)光二極管上顯示。使用Keil C51編程軟件，編譯成功后，用Proteus仿真軟件設(shè)計(jì)電路原理圖，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換過程并顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。

關(guān)鍵詞：Proteus；單片機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換；仿真

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）30-0278-03

在單片測控系統(tǒng)中，對非電物理量如溫度、壓力、流量等的測量，需經(jīng)傳感器先轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號(hào)（電壓或電流），然后再將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能在單片機(jī)中進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為ADC（A/D轉(zhuǎn)換器）。單片機(jī)處理完畢的數(shù)字量，有時(shí)根據(jù)控制需求轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件稱為DAC（D/A轉(zhuǎn)換器）[1]。本文將介紹一種基于Proteus的A/D轉(zhuǎn)換仿真實(shí)現(xiàn)過程，A/D轉(zhuǎn)換器使用ADC0804單通道8位并行接口芯片完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，控制器使用美國ATMEL公司的增強(qiáng)型AT89C52單片機(jī)，轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過單片機(jī)P1口送到8個(gè)LED發(fā)光二極管上顯示輸出。通過該仿真實(shí)驗(yàn)可以清楚地了解A/D轉(zhuǎn)換的原理，直觀地看到A/D轉(zhuǎn)換的對比結(jié)果。

一、A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0804簡介

A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)運(yùn)而生。對設(shè)計(jì)者來說，只需合理地選擇芯片即可。現(xiàn)在部分單片機(jī)片內(nèi)也集成了A/D轉(zhuǎn)換器，位數(shù)為8位、10位或12位，且轉(zhuǎn)換速度也很快，但是在片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器不能滿足需要的情況下，還是需要擴(kuò)充。因此，外部擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器的基本方法，還是應(yīng)當(dāng)掌握[1]。本文采用的是ADC0804作為A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換仿真實(shí)驗(yàn)。ADC0804是單通道8并行接口芯片，是一種8位逐次比較式并行AD轉(zhuǎn)換器，采用CMOS工藝的20引腳芯片。其轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，輸入電壓范圍為0—5V。芯片具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，可直接連接在單片機(jī)或微處理器的數(shù)據(jù)總線上[2]。

芯片的引腳如圖，各引腳功能如下：

CS：芯片選擇信號(hào)。當(dāng)CS=0時(shí)，器件才能工作。

RD：外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號(hào)。RD=1時(shí)輸出為高阻態(tài)不輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，RD=0時(shí)才輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

WR：用來啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，WR=0時(shí)清除上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，WR=1時(shí)當(dāng)前的輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

CLKIN，CLKR：外部時(shí)鐘輸入或接振蕩元件（R，C）頻率在100—1460KHz。

INTR：中斷請求信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換完成后輸出低電平。

VIN（+）、VIN（-）：差動(dòng)模擬電壓輸入。輸入端正電壓時(shí)，VIN（-）接地。

AGND、DGND：分別為模擬信號(hào)地和數(shù)字信號(hào)地。

VREF/2：接輔助參考電壓。注意參考電壓為此端連接電壓的2倍。D0-D7：8位轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字輸出，此8個(gè)引腳為三態(tài)輸出。VCC：電源電壓。ADC0804是8位A/D轉(zhuǎn)換器，8位A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值與采樣值的關(guān)系如表1所示。

二、ADC0804的工作原理

CS是片選端，當(dāng)CS=0時(shí)，器件才能工作。WR是控制芯片啟動(dòng)的輸入端，WR=0時(shí)清除上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，WR=1時(shí)當(dāng)前的輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。INTR是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，輸出變低電平表示本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可作為中斷或查詢信號(hào)。RD為轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出控制端，當(dāng)它和CS同時(shí)為低電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)鎖存器DB0—DB7各口線上出現(xiàn)8位并行二進(jìn)制編碼，這就是AD轉(zhuǎn)換結(jié)果[2]。ADC0804的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)序圖如圖2所示，CS先為低電平，WR隨后置低，經(jīng)過至少tw（WR）L時(shí)間后，WR拉高，隨后A/D轉(zhuǎn)換器被啟動(dòng)，并且在經(jīng)過一定（1—8個(gè)A/D時(shí)鐘周期+內(nèi)部Tc）時(shí)間后，A/D轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入數(shù)據(jù)鎖存器，同時(shí)INTR自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，通過單片機(jī)本次轉(zhuǎn)換已結(jié)束。ADC0804的讀取數(shù)據(jù)時(shí)序圖如圖3所示，當(dāng)INTR變?yōu)榈碗娖胶螅瑢S先置低，接著再將RD置低，在RD置低至少經(jīng)過tACC時(shí)間后，數(shù)據(jù)輸出口上的數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)直接讀取數(shù)字輸出端口數(shù)據(jù)便可得到轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號(hào)，讀取數(shù)據(jù)后，馬上將RD拉高，然后將CS拉高。INTR是自動(dòng)變化的，不必人為干涉。

三、硬件電路設(shè)計(jì)

Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司1989年推出的EDA工具軟件，是一個(gè)集模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路以及多種微控制器為一體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，為各種實(shí)際的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)提供了功能強(qiáng)大的虛擬仿真工具，已有20多年的歷史。Proteus是一種完全用軟件手段對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真開發(fā)，與用戶樣機(jī)在硬件上無任何聯(lián)系，只需在PC機(jī)上安裝仿真開發(fā)工具軟件Proteus，就可進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)、虛擬仿真與調(diào)試[1]。本文使用的是Proteus 7.8 SP2版本。ADC0804與單片機(jī)AT89C52的連接電路圖如圖4所示。

AD轉(zhuǎn)換器接口為ADC0804，單片機(jī)為AT89C52，顯示輸出為8個(gè)LED發(fā)光二極管。ADC0804的DB0—DB7通過數(shù)據(jù)總線和單片機(jī)的P0.0/AD0—P0.7/AD7連接，ADC0804的CS、RD、WR依次和單片機(jī)的P3.5、P3.6和P3.7引腳連接，ADC0804的INTR和單片機(jī)的P3.2引腳連接。ADC0804的CLK IN和CLK R之間接一10kΩ電阻R1，CLK R端經(jīng)一150pF電容C4接地，AGND和DGND接地，VREF/2接2.5V外接參考電壓在VIN+和VIN-之間接入0—+5V模擬輸入電壓，可通過調(diào)節(jié)電位器（微調(diào)電阻）RV1實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的變化。電路中用到的器件名稱如圖5所示。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

AT89C52單片機(jī)控制ADC0804工作可采用以下三種方式：延時(shí)等待、查詢和中斷。延時(shí)等待方式：ADC0804的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，當(dāng)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，采用軟件延時(shí)的方法等待一段時(shí)間，等待時(shí)間稍大于A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間，以保證A/D轉(zhuǎn)換器有足夠的時(shí)間完成轉(zhuǎn)換，待延時(shí)結(jié)束，直接讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。查詢方式：當(dāng)ADC0804的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，INTR信號(hào)將變低，這是個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，CPU就不斷地查詢INTR引腳的狀態(tài)，若INTR為高電平，表示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，繼續(xù)查詢；若INTR為低電平，表示A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。本例中，INTR信號(hào)和單片機(jī)P3.2/INT1連

接，查詢P3.2的電平變化即可[2]。

中斷方式：中斷和查詢方式類似，但查詢方式下，單片機(jī)需不斷地查詢，比較忙；中斷方式下，INTR*變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就會(huì)引起CPU的中斷，在中斷服務(wù)程序中就可讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

查詢方式程序如下：

五、Proteus仿真軟件的結(jié)果

通過調(diào)節(jié)原理圖上電位器RV1（微調(diào)電阻）的電阻值，使輸入信號(hào)依次為0V、1V、2V、3V、4V、5V，即可看到LED等點(diǎn)亮的結(jié)果依次為00H、33H、66H、99H、CCH、FFH，這和表1的8位A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值與采樣值的關(guān)系是完全一致的。例如當(dāng)前通過調(diào)節(jié)RV1（60%），使得輸入電壓為3V，則仿真結(jié)果如圖7所示，LED發(fā)光二極管是共陽極，所以當(dāng)引腳為低電平時(shí)燈亮起，因此亮起的燈為0，不亮的燈為1。因此LED D1—D8的顯示結(jié)果為二進(jìn)制1001 1001B，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制為99H，與表1中的值一致。

六、其他A/D轉(zhuǎn)換器芯片

盡管A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前廣泛應(yīng)用在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的主要有逐次比較型轉(zhuǎn)換器和雙積分型轉(zhuǎn)換器。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，與逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器相比，轉(zhuǎn)換速度較慢，近年來在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。本文中使用的ADC0804就屬于逐次比較型。ADC0804芯片是ADC0801—ADC0805系列型號(hào)的一種，他們之間的區(qū)別只是精度不同。精度較高的是ADC0801，非線性誤差為±（1/4）LSB。最差的是ADC0804和ADC0805的非線性誤差為±1LSB。ADC0802和ADC0803的非線性誤差為±（1/2）LSB居中。與ADC0804性能相近的芯片還有ADC0808系列多通道8位CMOS并行A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0808系列芯片主要有8通道的ADC0808/ADC0809和16通道的ADC0816/ADC0817。

除了并行的A/D轉(zhuǎn)換器外，帶有同步SPI串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器的使用也逐漸增多。串行接口的A/D轉(zhuǎn)換

器具有占用單片機(jī)的端口線少、使用方便、接口簡單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。較為典型的串行A/D轉(zhuǎn)

換器為美國TI公司的TLC549、TLC1549以及TLC1543和TLC2543等。

使用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件操作能力，成為單片機(jī)課程設(shè)計(jì)和大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。在使用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作，能極大地提高單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]張毅剛，趙光權(quán)，劉旺.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].第3版.北京：高等教育出版社，2016.

[2]杜樹春.51單片機(jī)很簡單—Proteus及匯編語言入門與實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.