基于51單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-04-09 04:56 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的工作過(guò)程是：當(dāng)模擬電壓 V/I 加到 V/F 的輸入端，便產(chǎn)生頻率 F 與 Vi 成正比的脈沖，在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)該脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，時(shí)間到，統(tǒng)計(jì)到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值正比于輸入電壓 Vi，從而完成 A/D 轉(zhuǎn)換。 基于 51 單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 7 ADC 性能參數(shù) 目前的實(shí)時(shí)信號(hào)處理機(jī)要求 ADC 盡量靠近視頻、中頻甚至射頻，以獲取盡可能多的目標(biāo)信息。因而， ADC 的性能好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)的高低和性能好壞，從而使得 ADC 的性能測(cè)試變得十分重要 ， 表征 ADC 性能的參數(shù)，由于尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各主要器件 生產(chǎn)廠家在其產(chǎn)品參數(shù)特性表中給出的也不完全一致。一般來(lái)說(shuō)，可以分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。 1． 2． 1 ADC 靜態(tài)特性 ADC 的靜態(tài)特性是指其與時(shí)間特性無(wú)關(guān)的特性，主要包括以下幾類： 1) 分辨率 ADC 的分辨率定位為二進(jìn)制末位變化 1 所需的最小輸入電壓與參考電壓的比值，即 ADC 能夠分辨的最小的模擬量的變化 。 2) 量化誤差 量化電平定義為滿量程電壓（或滿度信號(hào)值） UFSR 與 2 的 N 次冪的比值，其中 N位被數(shù)字化的數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。量化電平一般用 Q 表示 。 3) 全輸入范圍 和 動(dòng)態(tài)范圍 全輸入范圍是指允許輸入模 擬信號(hào)的最大值與最小值之差 ； 動(dòng)態(tài)范圍是指全輸入范圍與 ADC 最小可分辨的量值之比。 4) 偏置誤差 和 增益誤差 ADC 的偏置誤差定義為使最低位被置成 “1” 狀態(tài)時(shí) ADC 的輸入電壓與理論上使最低位被置成 “1” 狀態(tài)時(shí)的輸入電壓之差。當(dāng)偏置誤差高速為零之后，輸出為全 1 時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸入電壓與理想輸入電壓之差。 基于 51 單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 8 ADC 動(dòng)態(tài)特性 高速 ADC 的動(dòng)態(tài)特性是指輸入為交變簡(jiǎn)諧信號(hào)時(shí)的性能技術(shù)指標(biāo)，它是與 ADC 的操作速度有關(guān)的特性。 其 主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1) 轉(zhuǎn)換時(shí)間、采集時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從信號(hào)開(kāi)始轉(zhuǎn)換到可獲得完整的信 號(hào)輸出所用的時(shí)間，它是高速ADC 的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 采集時(shí)間是指采樣保持電路在采樣模式下能夠保證其在隨之到來(lái)的保持模式輸出在采樣保持轉(zhuǎn)換時(shí)，相對(duì)該時(shí)刻存在的輸入電平之間的誤差將會(huì)限制在一定的誤差范圍內(nèi)所需的時(shí)間。 2) 頻率響應(yīng) 它是沖擊響應(yīng)的傅立葉變換，其最佳表達(dá)方式是幅頻與相頻曲線，從系統(tǒng)辨識(shí)的角度看這是在頻域?qū)?ADC 動(dòng)態(tài)線性特性的非參數(shù)模型描述。 3) 動(dòng)態(tài)積分非線性誤差和動(dòng)態(tài)微分非線性誤差 動(dòng)態(tài)積分非線性誤差（ INL）定義為在動(dòng)態(tài)情況下（一般輸入信號(hào)為正弦信號(hào)），ADC 實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線之間的最大偏差。 每個(gè)數(shù)碼的偏差都是由那個(gè)數(shù)碼的中心值來(lái)度量的。 動(dòng)態(tài)微分非線性誤差（ DNL）定義為在動(dòng)態(tài)情況下（一般輸入信號(hào)為正弦信號(hào)），ADC 實(shí)際轉(zhuǎn)換特性的碼寬（ 1LSB）與理想代碼寬度之間的最大偏差，單位為 LSB。為了保證 ADC 不失碼，通常規(guī)定在 25oC 時(shí)最大 DNL 為 1/2LSB。 4) 信噪比、信噪失真比和有效位數(shù) 基于 51 單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 9 信噪比（ SNR）是信號(hào)電平的有效值與各種噪聲（包括量化噪聲、熱噪聲、白噪聲等）有效值之比的分貝數(shù)。其中信號(hào)是指基波分量的有效值，噪聲指奈奎斯特頻率以下的全部非基波分量的有效值（除諧波分量和直流分量外）。 5) 小信號(hào)帶寬和全功率帶寬 ADC 的模擬帶寬是指輸入掃描頻率基波在 ADC 輸出端用 FFT 分析得到的基波頻譜下降到 3dB 處的帶寬（不考慮諧波失真和噪聲影響）。根據(jù)輸入信號(hào)幅值不同，模擬帶寬又可以分為小信號(hào)帶寬（ SSBW，一般指 1/10 滿量程）和全功率帶寬（ FPBW，指滿量程）。 ADC 性能測(cè)試 ADC 測(cè)試方法主要有兩種：模擬方法和數(shù)字方法。前者是將 A/D 采集的數(shù)字信號(hào)經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換位模擬信號(hào)再用傳統(tǒng)的測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，優(yōu)點(diǎn)是易于理解，缺點(diǎn)是許多 A/D 采集卡本身不帶 D/A，即或有， D/A 的性能也 將影響 A/D 指標(biāo)的測(cè)試； 1． 3 常用 ADC 芯片概述 A/D 轉(zhuǎn)換器是用來(lái)通過(guò)一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。模擬量可以是電壓、電流等電信號(hào)，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號(hào)。但在 A/D轉(zhuǎn)換前，輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào) 。 基于 51 單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 10 第二章 8OC51 單片機(jī)引腳 圖 80C51 引腳 總線型 DIP40 引腳封裝 電源引腳（ 2 個(gè)） VCC：接 +5V 電源。 GND：接地端。 外接晶體引腳（ 2 個(gè)） XTAL1：外接晶振輸入端（采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地）。 XTAL2：外接晶振輸入端（采用外部振蕩器時(shí)，此引腳作為外部振蕩信號(hào)輸入端）。 并行輸入 /輸出引腳（ 32 個(gè)） ~：通用 I/O 引腳。 ~：通用 I/O 引腳。 ~：通用 I/O 引腳或數(shù)據(jù)低 8 位地址總線復(fù)用引腳。 ~：通用 I/O 引腳或第二功能引腳（ RXD、 TXD、 INT0、 INT T0、T WR 、 RD）。 基于 51 單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 11 控制引腳（ 4 個(gè)） RST/VPD：復(fù)位信號(hào)輸入引腳 /備用電源輸入引腳。 ALE/PROG： 地址鎖存允許信號(hào)輸出引腳 /編程脈沖輸入引腳。 EA/VPP：內(nèi)、外存儲(chǔ)器選擇引腳 /片內(nèi) EPROM(或 Flatiron)編程電壓輸入引腳。 PSEN： 片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出引腳。 基于 51 單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 12 第三章 ADC0809 ADC0809 引腳功能 ADC0809 的引腳如圖所示，下面對(duì)引腳功能做簡(jiǎn)要說(shuō)明 : 圖 ADC0809 引腳 IN0~IN7： 8 個(gè)模擬量的輸入端。 D0~D7： 8 位數(shù)字量輸出端。 START：?jiǎn)?dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，加正脈沖后 A/D 轉(zhuǎn)換開(kāi)始。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)， EOC 信號(hào)變低電平；轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)， EOC信號(hào)返回高電平。該信 號(hào)可以作為 CPU 查詢 A/D 轉(zhuǎn)換是否完成的信號(hào)，也可以作為向 CPU 發(fā)出中斷申請(qǐng)的信號(hào)。 OE：輸出允許信號(hào)，輸入高電平有效。 OE 端的電平由低變高時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果被送到數(shù)據(jù)線上。此信號(hào)有效時(shí)， CPU 可以從 ADC0809 中讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以作為 ADC0809 的片選信號(hào)。 CLK：實(shí)時(shí)時(shí)鐘，頻率范圍為 10KHZ~1280KHZ，典型值為 640KHZ。 ALE:通道地址鎖存允許信號(hào)，輸入高電平有效。在 ALE=1 時(shí)，鎖存ADDA~ADDC,選中模擬量輸入。 ADDC~ADDC：通道地址選擇輸入，其排列順序從低到高依次為 ADDA 、ADDB、 ADDC。該地址與 8 個(gè)模擬量輸入，通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 1 所示 : 基于 51 單片機(jī)的簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì) 13 VREF+、 VREF正負(fù)參考電壓。一般情況下， VREF+接 +5V,VREF接地。此時(shí)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如表 2 所示： VCC\GND：工作電源和接地 表 1 ADC0809 的輸入輸出關(guān)系 輸入模擬電壓 輸出數(shù)字量 輸入模擬量 輸出數(shù)字量 0 0000 0000B ... ... ... ... 5 1111
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