单片机外设A/D转换器工作原理

如图，为单片机AD转换器的一种：

ADC0804单片集成A/D转换器。它采用CMOS工艺20引脚集成芯片，分辩率为8位，转换时间为100µs，输入电压范围为0～5V。芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接接在数据总线上。

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各引脚名称及作用如下：

VIN(+)，VIN(-)——两模拟信号输入端，用以接收单极性、双极性和差模输入信号。

DB7～DB0——具有三态特性数字信号输出口。

AGND——模拟信号地。

DGND——数字信号地。

CLK——时钟信号输入端。

CLKR——内部时钟发生器的外接电阻端，与CLK端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/(1.1RC)。

CS#---片选信号输入端，低电平有效，一旦CS#有效，表明A/D转换器被选中，可启动工作。

WR#---写信号输入，低电平启动A/D转换。

RD#---读信号输入，低电平输出端有效。

INTR#---A/D转换结束信号，低电平有效表示本次转换已完成。

VREF/2---参考电平输入，决定量化单位。

VCC---芯片电源5V输入。

打开ADC0804的数据手册，我们可以看到以下典型的电路接法:

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我们可以用仿真软件画出来：

接下来，我们分析一下上图的工作原理:

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①ADC0804的片选端CS连接U2锁存哭的Q7输出端，我们可通过控制锁存器来控制CS，这样接的原因是TX-1C实验板扩展的外围太多，没有多余的I/O口独立控制ADC0804的CS端，所以选择U2。

②VIN(+)接电位器的中间滑动端，VIN(-)接地，因为这两端可以输入差分电压，即它可测量VIN(+)与VIN(-)之间的电压，当VIN(-)接地时，VIN(+)端的电压即为ADC0804的模拟输入电压。VIN(+)与电位器之间串联一个10kΩ电阻，目的是限制流入VIN(+)端的电流，防止电流过大而烧坏A/D芯片，当用短路帽短接插针ADIN后，电位器的中间滑动端便通过电阻R12与VIN(+)连接，此时调节电位器的旋钮，其中间滑动端的电压便在0～VCC变化，进而ADC0804的数字输出端也在0x00~0xFF变化。

③CLKR，CLR，GND之间用电阻和电容组成RC振荡电路，用来给ADC0804提供工作所需的脉冲，其脉冲的频率为1/(1.1RC)，按芯片手册上说明，R取10kΩ,C取150pF,TX-1C实验板上为了减少元件种类和焊接方便，C选用的是104磁片电容。大家在设计自己的电路时，可选择150pF电容，否则会影响A/D的转换速率。

④VREF/2端用两个1kΩ的电阻分压得到VCC/2电压，即2.5V，将该电压作为A/D芯片工作时内部的参考电压。

⑤WR#、RD#分别接单片机的P3.6和P3.7引脚，数字输出端接单片机的P1口。

⑥将AGND和DGND同时连接到实验板的GND上。我们在设计产品时，若用到A/D和D/A，一般这些芯片都提供独立的模拟地(AGND)和数字地(DGND)引脚，为了达到精度高，稳定性好的目的，最好将所有器件的模拟地和数字地分别连接，最后将模拟地与数字地仅在一点连接。

⑦INTR#引脚未连接，TX-1C实验板上读取A/D数据未用中断法，因此可不接该引脚。数字芯片在操作时首先要分析它的操作时序图，图4.4.6是ADC0804的启动转换时序图。

ADC0804转换时序图:

分析图4.4.6可知，CS先为低电平，WR#随后置低，经过至少tW(WR#)L时间后，WR#拉高，随后A/D转换器被启动，并且在经过(1～8个A/D时钟周期+内部TC)时间后，模/数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时INTR自动变为低电平，通知单片机本次转换已结束。关于几个时间的大小在芯片手册中都有说明。

我在写单片机程序启动A/D转换时就要遵循上面的时序，由于TX-1C实验板未用中断读取A/D数据，因此我们在启动A/D转换后，稍等一会儿时间，然后直接读取A/D的数字输出口即可。读取结束启动一次A/D转换，如此循环下去。4.4.7是ADC0804读取数据时序图。

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分析上图可知，CS先为低电平，WR#随后置低，经过至少tW(WR#)L时间后，WR#拉高，随后A/D转换器被启动，并且在经过(1～8个A/D时钟周期+内部TC)时间后，模/数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时INTR自动变为低电平，通知单片机本次转换已结束。关于几个时间的大小在芯片手册中都有说明。

我在写单片机程序启动A/D转换时就要遵循上面的时序，由于TX-1C实验板未用中断读取A/D数据，因此我们在启动A/D转换后，稍等一会儿时间，然后直接读取A/D的数字输出口即可。读取结束启动一次A/D转换，如此循环下去。下图是ADC0804读取数据时序图。

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分析上图可知，当INTR#变为低电平后，将CS#先置低，在RD#置低至少经过tACC时间后，数字输出口上的数据达到稳定状态，此时直接读取数字输出端口数据便可得的数字信号，读走数据后，马上将RD#拉高，然后再将CS#拉高，INTR#是自动变化的，当RD#置低tR1时间后，INTR#自动拉高，我们不必人为去干涉。

图4.4.6和图4.4.7是ADC0804启动转换和读取数据的时序图，这是启动一次和读取一次数据的时序图，当我们要连续转换并且连续读取数据时，有没有必要每次都把CS#置低再位高，因为CS#是片选信号，置低表示该芯片可被操作或处于能够正常工作状态，所以在写程序时，只要一开始将CS#置低，以后当要启动转换和读取数据时只需操作WR#和RD#即可。