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简易数字电压表的设计与制作毕业设计.doc
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1、目 录第一部分 设计任务与调研31.设计任务32.调研33.作品相关34.总结9第二部分 设计说明111.设计目标 112.设计思路 11第三部分 设计成果151.作品实物 152.电路图 163.程序16第四部分 结束语20第五部分 致谢21第六部分 参考文献22第一部分 设计任务与调研1.设计任务 设计一个能正确测量模拟电压0-5v,误差1%,利用ADC 0809采样输入的模拟量,转换后的电压值显示在4位数码管上。2.调研 在现代检测技术中,常用的高精度数字电压表进行检测,将检测到的数据送入微型计算机系统,完成计算、存储、控制等功能。数字电压表相对于指针表而言读书直观准确,电压表的数字化是
2、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表进行读数的方法,避免了读数的视差和视觉疲劳。本文中数字电压表的的控制系统采用AT89C51单片机。A/D转换器采用ADC0809为主要硬件,实现数字电压表的硬件电路与软件设计。该系统的数字电压表电路简单,采用的元件较少,成本低,调节工作可实现自动化,还可以方便进行8路A/D转换的测量,远程测量结果传送等功能。数字电压表可以测量05V的8路输入电压值,并在四位LED数码管上轮流显示或单路显示。设计结果能实现相应的功能。3.作品相关 A/D转换器是将模拟量转换成数字量的器件,模拟量可以是电压、电流等信号,也可以是声、
3、光、压力、温度、湿度等随时间连续变化的非电的物理量。非电量的模拟量可通过适当的传感器(如光电传感器、压力传感器、温度传感器)转换成电信号。 3.1A/D转换器工作原理A/D是把模拟量(通常是模拟电压)信号转换为n位二进制数字量信号的电路。这种转换通常分4步进行:采样保持量化编码。前两步在采样保持电路中完成,后两步在A/D转换过程中同时实现。(1)采样。所谓采样是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续变化的(离散的)模拟量。或者说,采样是把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个串脉冲,脉冲的幅度取决于输入模拟量,时间上通常采用等时间间隔采样。采样过程的示意图如图1-1所示。图1-1 采样过程
4、的示意图采样器相当于一个受控的理想开关,s(t)=1时,开关闭合,fs(t)=f(t);s(t)=0时,开关断开,fs(t)=0。如用数字逻辑式表示,即为fs(t)=f(t)s(t),s(t)=1或s(t)=0,也可用波形图表示,如图1-2(a)、图1-2(b)、图1-2(c)所示。从波形图可见,在s(t)=1期间,输出跟踪输入变化,相当于输出把输入的“样品”采集下来,所以也可把采样电路称为跟踪电路。图1-2 采样器的波形图(2)保持。所谓保持,就是将采样得到的模拟量值保持下来,s(t)=0期间使输出不等于0,而等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值,如图1-1(d)所示。保持发生在s(t)=
5、0期间。最基本的采样保持电路如图1-3所示。它由MOS管采样开关T、保持电容Cb和由运算放大器做成的跟随器三部分组成。s(t)=1时,T导通,vi向Cb充电,vc和vo跟踪vi变化,即对vi采样。s(t)=0时,T截止,vo将保持前一瞬间采样的数值不变。只要Cb的漏电电阻、跟随器的输入电阻和MOS管T的截止电阻都足够大,大到可忽略Cb的放电电流的程度,vo就能保持到下次采样脉冲到来之前基本不变。实际中,进行A/D转换时所用的输入电压,就是这种保持下来的采样电压,也就是每次采样结束时的输入电压。图1-3 最基本的采样保持电路(3)量化和编码。所谓量化,就是用基本的量化电平q的个数来表示采样保持电
6、路得到的模拟电压值。这一过程实质上是把时间上离散而数字上连续的模拟量以一定的准确度变为时间上、数字上都离散的、量级化的等效数字值。量级化的方法通常有两种:只舍不入法和有舍有入法(四舍五入法)。这两种量化法的示意图分别如图1-4(a)和图1-4(b)所示。图1-4(c)给出了一个用只舍不入法量化的实例。从图中可以看出,量化过程也就是把采样保持下来的模拟值舍入成整数的过程。对于连续变化的模拟量,只有当数值正好等于量化电平的整数倍时,量化后才是准确值,如图1-4(c)中T1,T2,T4,T6,T8,T11,T12时刻所示。不然,量化的结果都只能是输入模拟量的近似值。这种由于量化而产生的误差,称为量化
7、误差,它直接影响了转换器的转换精度。量化误差是由于量化电平的有限性造成的,所以它是原理性误差,只能减小,而无法消除。为减小量化误差,根本的办法是取小的量化电平。另外,在量化电平一定的情况下,一般采用四舍五入法带来的量化误差只是只舍不入法引起的量化误差的一半。编码就是把已经量化的模拟数值(它一定是量化电平的整数倍)用二进制数码、BCD码或其他码来表示。比如,用二进制对图1-4(c)的量化结果进行编码,则可得到图中所示的编码输出。至此,即完成了A/D转换的全过程,将各采样点的模拟电压转换成了与之一一对应的二进制数码。图1-4 量化和编码(a)只舍不入法;(b)有舍有入法;(c)实例(采用只舍不入法
8、量化)(4)逐次逼近法A/D转换器。逐次逼近法A/D转换是一个具有反馈回路的闭路系统。A/D转换器可划分成3大部分:比较环节、控制环节、比较标准(D/A转换器)。图1-5所示就是逐次逼近法A/D转换器的原理电路。其主要原理为:将一个待转换的模拟输入信号VIN与一个“推测”信号V1相比较,根据推测信号是大于还是小于输入信号来决定减小还是增大该推测信号,以便向模拟输入信号逼近。推测信号由D/A变换器的输出获得,当推测信号与模拟输入信号“相等”时,向D/A转换器输入的数字即为对应的模拟输入的数字。图1-5 逐次逼近法A/D转换器的原理电路3.2 ADC 0809 A/D转换器(1)ADC 0809的
9、结构。ADC 0809是National半导体公司生产CMOS材料的A/D转换器。它是具有8个通道的模拟量输入线,可在程序控制下对任意通道进行A/D转换,得到8位二进制数字量。其主要技术指标如下: 8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。 具有转换起停控制端。 转换时间为100 s(时钟为640 kHz时),130 s(时钟为500 kHz时)。 单个+5 V电源供电。 模拟输入电压范围0+5 V,不需零点和满刻度校准。 工作温度范围为-40 +85 。 低功耗,约15 mW。图1-6 ADC 0809引脚其引脚如图1-6所示,内部结构图如图1-7所示。引脚功能如下: IN0IN7:8
10、路模拟输入,通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC选通一路。 D7D0:A/D转换后的数据输出端,为三态可控输出,故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位,D0为最低位。 ADDA、ADDB、ADDC:模拟通道选择地址信号,ADDA为低位,ADDC为高位。地址信号与选中通道对应关系见表3-1。 VR(+)、VR(-):正、负参考电压输入端,用于提供片内D/A电阻网络的基准电压。在单极性输入时,VR(+)=5 V,VR(-)=0 V;双极性输入时,VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。 ALE:地址锁存允许信号,高电平有效。当此信号有效时,A、B、C三位地址信
11、号被锁存,译码选通对应模拟通道。在使用时,该信号常和START信号连在一起,以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。 START:A/D转换启动信号,正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清0,下降沿开始A/D转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲,则原来的转换进程被中止,重新从头开始转换。 EOC:转换结束信号,高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平,其余时间为高电平。该信号可作为被CPU查询的状态信号,也可作为对CPU的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下,EOC也可作为启动信号反馈接到START端,但在刚加电时需由外电路第一次启动。 OE:输出允许信号
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