12位AD转换器与单片机的接口电路设计.doc

课程设计任务书

2012/2013学年第1学期

学院：
电子与计算机科学技术学院
专业：

学 生 姓 名：

学 号：

课程设计题目：
12位A/D转换器与单片机的接口电路设计

起迄日期:

课程设计地点:

指导教师:

系主任：

下达任务书日期: 2012年 12月 19日

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目的：
1．掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；
2．学习简单电路系统设计，掌握Protel99的使用方法；
3．掌握8051单片机、12位A/D芯片AD574的应用；
4．学习掌握硬件电路设计的全过程。
2．设计容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

1．学习掌握8051单片机的工作原理与应用；
2. 学习掌握12位A/D芯片AD574的工作原理与应用；
2. 设计基于AD574的12位模拟信号采集器的工作原理图与PCB版图；
3. 整理设计容，编写设计说明书。
4.Protues仿真。 

3．设计工作任务与工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：
1．该设计理论上可以实现某种功能。
2．本课程设计说明书。
3．硬件原理图与PCB图。

课 程 设 计 任 务 书
4．主要参考文献：
①童诗白．模拟电子技术基础．：高等教育，2002
②建华．数字电子技术．：机械工业，2004
③ 汝全．电子技术常用器件应用手册．：机械工业，2005
④ 毕满清．电子技术实验与课程设计．：机械工业，2005
⑤ 永雄．电子线路CAD实用教程．：电子科技大学，2002
⑥亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．：航空工业，2004
5．设计成果形式与要求：
 提交容：课程设计说明书（原理设计、PCB制作过程要在设计说明书详细说明）。
 基本要求：设计的原理图满足任务书的设计要求。
6．工作计划与进度：
2012年12月19日～12月24日 查阅资料，熟悉任务要求，理解设计原理
2012年12月25日～12月27日 方案设计
2012年12月28日～12月31日 电路原理图，PCB图
2013年01月01日～01月13日 电路仿真
2013年01月14日～01月15日 整理设计说明书
2013年01月16日 设计答辩与考核
系主任审查意见：

签字：
年 月 日

目录
第一章 设计任务与功能要求……………………….5
1.1 摘要…………………………………………5
1.2 设计课题与任务……………………………5
1.3 功能要求与说明…………………………....5

第二章 硬件设计…………………………………….6
2.1 系统设计元器件功能说明…………………7
2.2 硬件电路总体与部分设计…………………10

第三章 软件设计…………………………………….12
3.1 基本原理容设计…………………………12
3.2 keil编程调试……………………………….13
3.3 proteus仿真电路图………………………...19

第三章 结果分析与总结………………………………..19

附录 …….................................................................................20

第一章设计任务与功能要求
1.1摘要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入，单片机对我们的生活影响越来越大，很多工业领域中都用到单片机，日常生活中我们也离不开单片机的应用。当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会，随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。A/D和D/A转换器作为模拟和数字电路的借口，正受到日益广泛的关注。随着数字技术的飞速发展，人们对A/D和D/A转换器的要求也越来越高，新型模拟/数字和数字/模拟之间的转换技术不断涌现，正是因为这些，高集成度的逻辑器件应运而生，而且发展迅速，它不断地更新换代以满足程序的要求，并尽可能的提高其利用率。本课程设计就对其中AD574模数转换器在微机数据采集系统中的应用加以阐述。
关键字：AD574转换器，80c51单片机，LED数码显示，串行输出
1.2 设计课题与任务
1．掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；
2．学习简单电路系统设计，掌握Protel99的使用方法；
3．掌握8051单片机、12位A/D芯片AD574的应用；
4．学习掌握硬件电路设计的全过程。
1.3 功能要求与说明
1．学习掌握8051单片机的工作原理与应用；
2. 学习掌握12位A/D芯片AD574的工作原理与应用；
3. 设计基于AD574的12位模拟信号采集器的工作原理图与PCB版图；
4. 整理设计容，编写设计说明书。
5.Protues仿真。 

第二章硬件设计
2.1系统设计元器件功能说明
12位AD574功能与引脚说明

AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：

分辨率：12位
非线性误差：小于±1/2LBS或±1LBS
转换速率：25us
模拟电压输入围：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种
电源电压：±15V和5V
数据输出格式：12位/8位
芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式

AD574A的引脚说明：

[1]. Pin1(+V)——+5V电源输入端。

[2]. Pin2()——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。

[3]. Pin3()——片选端。

[4]. Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。

[5]. Pin5()——读转换数据控制端。

[6]. Pin6(CE)——使能端。
现在我们来讨论AD574A的CE、、、和A0对其工作状态的控制过程。在CE=1、=0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当=0时A/D转换，当=1是进行数据读出。和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0-0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当=1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和控制数据输出状态的格式。当=1时，数据以12位并行输出，当=0时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。其控制逻辑真值表见表1。

[7]. Pin7(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。

[8]. Pin8(REF OUT)——10V基准电源电压输出端。

[9]. Pin9(AGND)——模拟地端。

[10]. Pin10(REF IN)——基准电源电压输入端。

[11]. Pin(V-)——负电源输入端，输入-15V电源。

[12]. Pin1(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。

[13]. Pin13(10V IN)——10V量程模拟电压输入端。

[14]. Pin14(20V IN)——20V量程模拟电压输入端。

[15]. Pin15(DGND)——数字地端。

[16]. Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12条数据总线。通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。

[17]. Pin28(STS)——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。

AD574A的工作模式：以上我们所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A工作于单一模式，只需将CE、端接至+5V电源端，和A0接至0V，仅用端来控制A/D转换的启动和数据输出。当=0时，启动A/D转换器，经25us后STS=1，表明A/D转换结束，此时将置1，即可从数据端读取数据。

AD574A控制端标志意义
CE

A0
工作状态
0
X
X
X
X
禁止
x
1
X
X
X
禁止
1
0
0
X
0
启动12位转换
1
0
0
X
1
启动8位转换
1
0
1
接+5V
X
12位并行输出有效
1
0
1
接0V
0
高8位并行输出有效
1
0
1
接0V
1
低4位并行输出有效

74LS373
八 D 锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性) 简要说明: 373为三态输出的八 D 透明锁存器,共有 54/74S373 和 54/74LS373 两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别):
型号
tpd
Pd
54S373/74S373
7ns
525mW
54LS373/74LS373
17ns
12.mW
373 的输出端O0~O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端OE 为低电平时，O0~O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE 为高电平时，O0~O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE 为高电平时，O 随数据D 而变。当LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。当LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。引出端符号：D0～D7 数据输入端OE 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端O0~O7 输出端
外部管腿图：

逻辑图：

真值表：

极限值: 电源电压 …………………………………………. 7V 输入电压 54/74S373…………………………….…………. 5.5V 54/74LS373……………………………………. 7V 输出高阻态时高电平电压 …………………………. 5.5V 工作环境温度 54XXX …………………………………. -55~125℃ 74XXX …………………………………. 0~70℃存储温度 …………………………………………. -65~150℃
推荐工作条件：

54/74S373 54LS373/74LS373

54
电源电压 Vcc 74
最小
4.5
4.75
额定
5
5
最大
5.5
5.25
最小
4.5
4.75
额定
5
5
最大
5.5
5.25
单位

V

输入高电平电压ViH

2

2

V
54
输入低电平电压ViL 74

0.8
0.8

0.7
0.8

V
54
输出高电平电流IOH74

-2
-6.5

-1
-2.6

mA
54
输出低电平电流IOL74

20
20

12
24

mA

2.2硬件电路总体与部分设计
A
D
5
7
4
输入模拟
量
1

8
0
C
5
1
模拟输入量
2
A
D
5
7
4

7
4
L
S
3
7
3
显示
输出
模拟输入变量……

图 单片机的部晶振

图 数码管显示

图2.2.3 74373的接口设计

图 AD574接口图
第三章 软件设计
3.1 硬件电路总体与部分设计
AD574A的接口电路
8051单片机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由(、和A0)有8051的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作过程。AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051，由于我们只使用了8位数据口，12位数据分两次读进8051，所以接地。当8051的p3.0查询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051，然后再将低4位读进8051。这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将8051的写控制线和读控制线通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE相连
开始
发送启动转换信号
A/D转换完?成？
Delay(10)
依次读取12位A/D数据
数据计算
写入对应的数据
结束

3.2 Keil编程
#include<reg51.h>
#include<intrins.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
sbit ADout=P1^0;
sbit ADin=P1^1;
sbit CS=P1^2;
sbit CLK=P1^3;
sbit EOC=P1^4;
sbit LE=P1^6;
sbit LE2=P1^7;
uchar duan[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x7c};
uchar D=0,wei[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xdf,0xef};
float k,z;
uint n;
//////////延时子函数
void delay(uint us)
{
uchar i;
for(i=0;i<us;i++)
_nop_();
}

////////数码管显示子函数
void display(uint AD)
{
uchar q,b,s,g; //////千位、百位、十位、个位
q=AD/1000;
b=AD/100%10;
s=AD/10%10;
g=AD%10;

P0=0xff;
LE1=1;
P0=wei[0];
LE1=0;
LE2=1;
P0=duan[q];
LE2=0;
delay(10);

P0=0xff;
LE1=1;
P0=wei[1];
LE1=0;
LE2=1;
P0=duan[b];
LE2=0;
delay(10);

P0=0xff;
LE1=1;
P0=wei[2];
LE1=0;
LE2=1;
P0=duan[s];
LE2=0;
delay(10);

P0=0xff;
LE1=1;
P0=wei[3];
LE1=0;
LE2=1;
P0=duan[g];
LE2=0;
delay(10);
}

///////TLC2543转换和读取子函数，只转换了三路模拟电压信号。
uint readAD(uchar port)
{
uchar ch,i,j;
uint ad;
ch=port;
for(j=0;j<3;j++)
{
ad=0;
ch=port;
EOC=1;
CS=1;
CS=0;
CLK=0;
for(i=0;i<12;i++)
{
if(ADout) ad|=0x01;
ADin=(bit)(ch&0x80);
CLK=1;
CLK=0;
ch<<=1;
ad<<=1;
}
}
CS=1; //转换和读取数值
while(!EOC);
ad>>=1;
return(ad);
}
//主函数
void main()
{
while(1)
{
n=readAD(0x00); //得到通道0的数值
k=readAD(0x10); //得到通道1的数值
z=readAD(0x20); //得到通道2的数值
display(n); //显示一路
// display(k);
// display(z);
}
}
3.3 proteus仿真
Proteus 仿真图与其pcb板见附录。

第四章 结果分析与总结
ADC转换结果
单次转换结果如下
ADC=Vin * (2^12 -1) / Vref
其中 Vin是输入的模拟电压
Vref是标准基准电压为5v
(注：12位AD最大输出量为4094)
当输入Vin=2.5v时，ADC=2047，验证了仿真的正确性

总结 通过此次课程设计，是我学习到了很多课外知识：
（1） 了解了单片机80c51的基本使用过程与其原理。
（2） 学会了proteus仿真软件的使用方法。
（3） 学会了keil与proteus联合调试分析方法。
（4） 学会制作简单的pcb板与相关软件的使用。
（5） 掌握了AD574，TLC2543，74373芯片的原理功能与其应用电路。
（6） 明白了A/D转换的原理过程。
附录
串行A／D转换器TLC2543原理与应用
志东，增华
(1．商学院，抗州310035；2．港务局电力供应套司，066012)
摘要：介绍了一种多通道高精度串行A／D转换器TLC2543的主要特点、工作原理和实际应用。
关键词：A／D转换器；SPI
中图分类号：TN79'2 文献标识码：B 文章编号：1001-1390(2001)03-0040—04
The principle and applications of the serial A／D converter TLC2543
Pan Zhidong ，Liu Zenghua~
(1．Hangzhou Commerleal College，Hangzhou 3 10035，China；
2．Power Supplies Company of Qinhuaugd80 Pml Bureau，Hebei Qinhuangdao 06601 2，China)
Abstract：This paper introduces the features， the operating principle and the applications of
TLC2543 which is a multi-channel and hish accuracy serial A／D eonve~er．
Key words：A／D eonve~er；SP1
0 引言
TLC2543是lrJ公司生产的一种l2位开关电容逐次逼近A／D转换器，芯片共有11个模拟输入通
道。芯片的三个控制端：串行三态输出数据端(DATA OUTPUT)、输入数据端(DATA INPUT)、输入／时钟(I／O CLOCK)能形成与微处理器之间数据传输较快和较为有效的串行外设接口一SPI。片
具有一个l4通道多路选择器用于在11个模拟输入通道和3个部自测试(SELF—TEST)电压中任
选一个，可通过对其8位部控制寄存器进行编程完成通道的选择，并可对输出结果的位数、MSB／
LSB导前和极性进行选择。1 TLC2543性能特点(1)12位分辨率。(2)11个模拟输入通道。(3)线性误差±1LSB MAX．．(4)输出数据单极性或双极性、数据长短、MSB或LSB前导可编程。(5)正常温度围10Ws转换时间。(6)自动采样与保持。(7)片系统时钟。(8)三种置自测试方式(9)转换结束信号EOC。
2 引脚与功能TLC2543的引脚如图1所示，其功能如下AIN0~AIN10：1 1个模拟量输入；西：片选端，负电平有效；DATA INPUT：数据输入端；DATA OUTPUT：数据输出端；I／0 CLOCK：输入／出时钟端；
VCC：正电源；GND：地,EOC：转换结束端；REF+：正基准电压端，通常接Vcc；REF一：负基准电压端，通常接GND3 工作原理
3．1 部控制寄存器
部控制寄存器有8位，其结构格式如表1所示。部控制寄存器的设定数据为高位导前，部
控制寄存器各个位的基本功能如下：D7~D4：作为片14个通道多路选择器的控制
位用于1 1路模拟量和3个校准电压的选择以与掉电模式的设定。D3、D2：用于转换后数据串行输出位数的选择，共有三位数可供选择：8位(精度较低，方便单字节串行数据传输)、12位(标准位数)、16位(低四位为零，便于16位串行数据传输)。D1：为⋯0’时表示输出数据的最大位导前，为⋯1’时表示最小位导前。DO：为⋯0时表示输出数据是单极性(无符号二进制)，为⋯1’时表示双极性(有符号二进制)。
3．2 采样过程
转换的工作包括二个周期：I／O周期和转换周期 (conv)。I／O周期完成对部控制寄存器的置数
和在DATA OUTPUT端数据的输出；转换周期是由I／O时钟同步的部时钟来控制。在转换周期开始
时，EOC输出变低；当转换完成时变高，输出数据寄存器锁存。上电后，cS的电平必须从高到低以开始一次I／O周期。部控制寄存器被置为零，并且EOC为低电平。为了对芯片初始化，孺被转为高再到低以开始下一次I／O周期。第一次转换结果可能不准确，应忽略。
在采样周期中，当对部控制寄存器进行设定、模拟信号通道确定后，芯片即开始对选定的输人信号进行采样。采样开始于VO时钟的第四个下降沿。保持采样方式直到第8、12或16个I／O CLOCK下降沿，当然这取决于对部控制寄存器有关数据长度的设定。从最后一个I／0 CLO CK下降沿到EOC的延迟时间之后，EOC输出端变低表示采样周期已结束，而转换周期开始。在EOC变低后，所选通的拟信号端的变化不会影响转换的结果。转换结束后，EOC信号再次变高，转换结果被存人输出数据寄存器。EOC的上升沿使转换器返回到复位状态，以便开始新的转换周期。若在转换中 S为无效(即
高电平)，则当cS为下降沿，转换数据的第一位即在DATA OUTPUT端，如图2所示：若在转换过程中cs有效(即低电平)，在EOC的上升沿，当cs为低，则转换数据的第一位即出现在DATA Ou rPuT管
脚上，如图3所示。3,3 掉电方式在掉电方式时，芯片部处于低电流待机状态。当一个“lll0”二进制通道选择地址数在前四个I／OCLOCK周期置人输入数据寄存器时，就选择了掉电方式，在第四个I／O CLOCK下降沿时被激活。这时芯片不进行转换工作，而是在输出数据寄存器中保持上次转换结果，直到一个非“11 10”的通道选择地址数被置人输人数据寄存器，即选通一个有效的通道时，芯片进入新的A／D转换的周期中。

①童诗白．模拟电子技术基础．：高等教育，2002
②建华．数字电子技术．：机械工业，2004
③ 汝全．电子技术常用器件应用手册．：机械工业，2005
④ 毕满清．电子技术实验与课程设计．：机械工业，2005
⑤ 永雄．电子线路CAD实用教程．：电子科技大学，2002
⑥ 亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．：航空工业，2004
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