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关键词：

单片机，数字电压表，A/D转换器，模拟信号

引言

随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，而电压的测量甚为突出，因为电压的测量最为普遍。

同时随着微电子技术的迅速发展和超大规模集成电路的出现，特别是单片机的出现，正在引起测量控制仪表领域的新的技术革命。

由于使用的是高效单片机作为核心的测量系统，以及灵敏度和精度较高的A/D转换器，使本直流电压表具有精度高、灵敏度强、性能可靠、电路简单、成本低的特点，加上经过优化的程序，使其有很高的智能化水平。

数字电压表相对于指针表而言读数直观准确，电压表的数字化是将连续的模拟量转换成不连续的离散的数字形式并加以显示。

这有别于传统的以指针与刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。

1模数转换的原理与典型应用

1．1模数转换的工作原理

ADC0808/0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换器，是美国国家半导体公司的产品，也是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

ADC0808/0809具有8位精度，用单电源5V工作，不需要外部的0和全量程调节，依靠锁存和解码复用器地址输入，以及锁存TTL三态输出ADC0808/0809可提供与微处理器间方便的接口。

ADC0808/0809的主要特性包括：

易于联接所有微处理器的接口[1]；

比例制的操作或者5V（或可调节参考电压范围）的模拟范围；

不需要和全量程调节；

用地址逻辑来区分的8路通道；

单电源5V供电，输入范围0～5V；

输出符合TTL电压声明；

标准密封或浇注的28脚DIP封装；

ADC0808可与MM74C949替换及ADC0809可与MM74C949-1替换。

ADC0808/0809集成了一个8位的A/D转换器、一个8路通道和一个兼容控制逻辑的微处理器。

其中，8位的A/D转换器采用了连续逼近的转换技术，具有高阻抗稳定的断续比较器特性，包括一个带模拟开关树的256R的分压器和一个逐次逼近寄存器；

而由ADC0808/0809中的8路通道，可直接从8个单一模拟信号中获取任何一个作为输入信号。

这个器件包括一个8通道单端模拟信号复用器。

通过使用地址解码器，选择一个输入通道。

在地址锁存能信号由低到高变化时，地址被锁存住。

这个器件的数据获取系统的关键部分是它的8位模/数转换器。

转换器的数字输出是正实数，这个转换器被设计成能在宽的温度范围内达到快速、精确、可重复的转换。

该转换器分成3个主要部分：

256R的阶梯网络、连续逼近的电阻和比较器[2]。

256R的阶梯网络用逼近的办法替代了传统的R/2R阶梯，其本身的单一性保证了不会丢失数字编码——在闭环反馈系统中，这种单一性尤其重要（一个非单一性的关系可能引起振荡，这种振荡对于系统可能是灾难性的）。

同时，256R的阶梯网络不会在参考电压上引起负载变化,对于ADC0808/0809，使用256R网络就可以把逼近技术延伸到8位。

A/D转换器的连续逼近寄存器（SAR）在起始转换（SC）脉冲的上升沿复位，转换在起始转换脉冲下降沿开始，处理过程中的转换将被新的起始转换脉冲中断。

把转换结束标示（EOC）输出连接到SC输入，这样可以达到连续转换的目的[3]。

假如使用这个模式，则在上电后，需要从外部输入一个起始转换脉冲，在起始转换脉冲的上升沿后0～8个时钟脉冲之间EOC将变低。

A/D转换器最重要的部分是比较器，它负责整个转换器的最终精度。

一个稳定断续比较器提供了符合所有转换器要求的最有效方法。

这个稳定断续比较器把DC输入信号转换成一个AC信号，这个信号通过一个高增益AC放大器反馈，并且能回复DC电平。

既然漂移的是DC分量，它不会通过AC放大器，因此这个技术就限制了放大器的漂移分量，使得整个A/D转换器对于极端的温漂、长期漂移和输入偏移误差都不敏感[3]。

1.2模数转换的典型电路应用

（1）比例转换器

ADC0808和ADC0809可设计成一个比例制转换系统的完整数据获取系统（DAS）。

在比例制系统中，被测量的物理变量是用一个对全量程的百分比来表达的，不需要有一个绝对标准相关。

下面公式描述了ADC0808的输入电压：

其中，V为ADC0808的输入电压，V为全量程电压，V为0电压，D为被测试的数据点，D为最大数据极限，D为最小数据极限。

一个比例制转换器的最好例子就是作为位置传感器的电位计，滑变点的位置就是通过电位计的全量程电压的一部分[4]。

由于数据是全量程的一部分，这样涉及的要求就大大减少，对于许多应用就消除了很多误差源和费用。

ADC0808和ADC0809的最大优点是输入电压范围等于供电范围，以至于变换器能直接和电源相连，其输出又可以直接与复用器输入相连。

（2）电阻阶梯限制

在转换中，来自电阻阶梯组的电压被按照设定的电压比较8次，电压通过一个模拟开关树与比较器相耦合，这些模拟开关树是以供电电源作为参考的。

该阶梯电阻组的上部、中部与底部都必须被严格控制，以保持正确地操作。

阶梯电阻组的顶部电压（Ref（+））不能高于供电电压，底部电压（Ref（-））不能低于地，而中部电压必须接近供电电压的中心，因为在这个点上模拟开关树由N通道变到P通道。

上述条件在比例制系统中可以自动得到满足，并且在以地为参考的系统中很容易获得。

ADC0808需要的供电电流小于1个毫安，因此对于参考端的要求很容易达到[5]。

（3）模拟比较器输入

动态比较器的输入电流是由偏移电容的周期性开关引发的，这些电流作为断续稳定比较器的操作部分，交替连接到电阻阶梯/开关树网络的输出端和比较器的输入端。

比较器输入电流的平均值是直接随着时钟频率和V而变化的。

假如在模拟输入端没有滤波电容，同时信号源的阻抗为低，那么比较器的输入电流就不会引入到转换器的误差，这是因为电容的瞬时放电现象在比较器输出被探测到之前就已经消失了[6]。

若为了减少噪音和信号调节需要加输入滤波电容时，它们会平衡动态比较器的输出电流，然后呈现出DC偏移电流的特性，这时电流的影响一般可以被预测出来。

2模数转换电路周边芯片介绍

2.1AT89C51单片机原理

接口分配电路设计如图2所示。

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在这里P0口作为输入与输出分别与ADC0808的输出端和LCD显示的输入端相连，且P0外部被阻值为1KΏ的电阻拉高。

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

这里只用到了P2.0~P2.3四个端口，其中P2.1~P2.3都是作为输出端口控制显示电路的寄存器选择、读写信号和使能端口[7]。

图2单片机接口电路

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

同时P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，在这里用到了P3.3/INT1（外部中断1）、P3.6/WR（外部数据存储器写选通）、P3.7/RD（外部数据存储器读选通）。

2.2ADC0809芯片原理说明

ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据，IN0－IN7为8条模拟量输入通道

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；

输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换，数字量输出及控制线为11条[8]。

ST为转换启动信号。

当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；

下跳沿时，开始进行A/D转换；

在转换期间，ST应保持低电平。

EOC为转换结束信号。

当EOC为高电平时，表明转换结束；

否则，表明正在进行A/D转换。

OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE＝1，输出转换得到的数据；

OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

D7－D0为数字量输出线[9]。

CLK为时钟输入信号线。

因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，本次实验中用51单片机内部时钟产生500KHZ的时钟[10]。

2.3数码管显示原理说明

1、静态显示驱动原理

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动[11]。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×

8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢）[12]，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

2、动态显示驱动原理

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"

a,b,c,d,e,f,g,dp"

的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制[13]，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动[14]。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

总结

数字电压表的设计实际上就是一个数据采集的程序设计，只不过这里数据采集的是模拟电压罢了。

虽然这个单片机的课题比较简单，但是从中我还是学到了许多新东西。

在之前的学习过程中没有用到Proteus这个软件，所以刚刚开始的时候一边在XX里看Proteus入门教程一边实践操作Proteus这个软件，不过幸好以前学过Protell99绘图软件，举一反三的在短时间内把Proteus磕磕碰碰学会了。

通过这次论文综述的书写，巩固了在大学4年内学过的知识，尤其是单片机和模拟电子方面的知识，同时通过这次毕设提高了单片机编程的能力，尤其是获得的软件调试经验，同时加强了我的实际编程能力，同时也让自己更加的知道了自己知识领域里的不足和缺陷。

在局部电路图中遇到很多问题，通过查阅大量资料以及老师和同学的帮助讲解才逐渐懂得如何应用，如在Proteus软件中仿真选用了最常用的直流电压电源和可调电阻组成0~+15V的模拟电压，而在试验台上可以直接连接可调电压源。

参考文献

[1]贾秀美.数字电路实践技术（第一版）.中国科学技术出版社，2000.

[2]王毓银.脉冲与数字电路（第三版）.高等教育出版社，1999.

[3]路勇.电子电路实践及仿真（第一版）.清华大学出版社，2004.

[4]岳怡.数字电路与数字电子技术（第一版）.西北工业大学出版社，2001.

[5]刘常澍.数字逻辑电路（第一版）.国防工业出版社，2002.

[6]萧宝瑾.protel99SE操作指导与电路设计实例（第一版）.太原理工大学，2004.

[7]杨家成.单片机原理与应用及C51程序设计.北京：

清华大学出版社，2007.

[8]邓兴成.单片机原理与实践指导.北京：

机械工业出版社，2010.

[9]刘书明.高性能模数与数模转换器件.西安：

西安电子科技大学出版社，1999.

[10]AnalogDevice.Inc.Loop-Powered4—20mvDAC.DataSheet.1996.

[11]HansPeterLimbah.IEEE1394-dasTorzuMultimedia.1997

[13]J.Frank.InstrumentationforProcessMeasurementandControl[M].BEIJING:

SciencePublishingHouse.2000,60-79.

[14]HeJian-jun,YuShou-yi.TemperatureIntelligentControlSystemofLarge-ScaleStandingQuenchFurnace[J].JournalofElectronicScienceandTechnologyofChina,2005,

（1）,72-88.