基于单片机的16位逐次逼近AD电路设计

基于单片机的16位逐次逼近AD电路设计

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1. 系统功能概述

本设计的“基于单片机的16位逐次逼近AD电路”是一种高精度的模数转换系统。系统采用分立元件搭建的逐次逼近式ADC（Successive Approximation Analog-to-Digital Converter, SAR ADC），并通过单片机进行数字控制与结果显示。设计目标是在不依赖现成高精度ADC芯片的前提下，实现对模拟电压信号的精确采样与数字化处理，并将转换结果通过LCD1602液晶模块显示出来。

系统主要功能包括：

1. 实现16位逐次逼近模数转换电路：通过比较器、D/A转换电路、控制逻辑电路和单片机控制实现高精度的16位A/D转换；
2. 实时电压采集与数值计算：单片机控制ADC逐位逼近，获取对应数字量并计算实际电压；
3. LCD1602显示模块输出：LCD显示当前采集的模拟电压值以及对应的AD数字值；
4. 系统误差控制与校准：由于分立元件的非理想特性与仿真精度限制，误差控制在5%左右；
5. 仿真可视化展示：系统可在Proteus中进行模数混合仿真，展示ADC逐次逼近过程与显示结果。

本系统在教学与实验中具有较高的参考价值，可直观理解逐次逼近型A/D转换的原理和实现方法，同时具备良好的可扩展性，可移植至8位、12位或更高精度的AD设计。

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2. 系统电路设计

系统的硬件设计以单片机为核心，围绕逐次逼近A/D电路、比较器模块、D/A转换模块、LCD1602显示模块和电源模块构成。整个系统的核心思想是：通过单片机控制D/A转换器输出一个参考电压，与输入模拟电压进行比较，根据比较结果逐位逼近，最终得到与输入信号最接近的数字量。

2.1 单片机主控模块

主控模块选用 STC89C52 单片机，属于MCS-51系列。其功能包括：

• 控制逐次逼近寄存器（SAR）逻辑；
• 读取比较器输出信号；
• 控制D/A转换器的输出电平；
• 完成AD值与实际电压的计算；
• 驱动LCD1602液晶模块进行数据显示。

单片机的P1口用于逐位控制DAC输出，P3.2端口用于读取比较器输出信号，P2端口用于LCD显示接口。系统的主频设置在12MHz，可保证逐次逼近与显示的同步进行。

STC89C52在本系统中的作用类似于一个可编程的SAR控制器：其内部程序实现了“二分搜索算法”，控制DAC输出16次逼近过程，并在每次比较后更新结果寄存器。

2.2 比较器模块设计

比较器是逐次逼近ADC中的关键元件，负责将输入模拟电压与D/A转换电压进行比较。当输入电压高于DAC输出时，比较器输出高电平；反之输出低电平。

系统采用高速运算放大器（如LM324或OP07）构建比较器。由于逐次逼近过程需要快速响应，因此比较器的响应时间与输入偏置电压至关重要。

比较器的作用原理如下：

• 当输入电压 Vin > Vdac 时，比较器输出逻辑“1”；
• 当输入电压 Vin < Vdac 时，输出逻辑“0”；
• 单片机根据比较结果调整下一个逼近位。

为减少噪声影响，在输入端加入RC低通滤波电路，以稳定电压信号。

2.3 D/A转换模块设计

D/A转换模块由R-2R电阻网络实现，该网络是一种常见的精密电阻梯形结构，通过数字信号转换成对应的模拟电压输出。

该模块的核心原理为：

• 输入端接收来自单片机的16位数字信号；

• 通过R-2R网络形成比例电压；

• 输出电压与输入数字值成线性关系：

  [
  V_{DAC} = V_{REF} \times \frac{D}{2^{16}}
  ]

其中 (D) 为16位数字值，(V_{REF}) 为参考电压（一般设为5V）。

R-2R结构简单且线性度高，但由于分立元件误差存在一定偏差，因此系统整体误差约在5%以内，属于可接受范围。

2.4 LCD1602显示模块

LCD1602用于显示AD转换结果及实际电压值。其数据端接至P2口，控制端（RS、RW、E）接至P3.4、P3.5、P3.6。显示内容包括：

• 当前ADC转换后的16位数字值；
• 计算得到的对应电压值（以伏为单位）。

LCD模块初始化后，主程序循环更新显示内容，使得用户可实时观察输入信号与转换结果。

2.5 电源与时钟模块

系统工作电压为5V直流电，电源模块使用7805稳压芯片提供稳定输出。时钟电路由12MHz晶振和两只30pF电容组成，为单片机提供精确时钟信号。电路中各模块共地，确保参考电位一致。

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3. 程序设计

系统程序采用C语言编写，使用Keil uVision进行开发与编译。程序主要实现如下功能：

• 单片机初始化；
• 逐次逼近算法控制；
• 比较器信号采集；
• AD值与电压计算；
• LCD1602实时显示。

整个程序的核心在于逐次逼近算法实现，该算法类似二分搜索过程，通过不断调整DAC输出位，逐步接近输入模拟电压。

3.1 主程序设计

主程序负责协调各模块运行，包括ADC过程启动、结果显示更新等。主程序流程如下：

1. 系统初始化；
2. 启动一次ADC转换；
3. 根据比较器结果逐位逼近；
4. 计算实际电压；
5. 更新LCD显示；
6. 延时并循环执行。

主程序代码如下：

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"#define uint unsigned int
#define uchar unsigned charsbit COMP = P3^2;     // 比较器输入端
sbit DAC_CS = P3^3;   // DAC片选信号
float Voltage;
uint ADValue;void Delay_ms(uint x);
uint ADC_Convert(void);
void Display_Result(uint value);void main() {LCD_Init();LCD_ShowString(0,0,"16Bit ADC Test");while(1) {ADValue = ADC_Convert();Voltage = (float)ADValue * 5.0 / 65535;Display_Result(ADValue);Delay_ms(500);}
}

3.2 逐次逼近算法实现

逐次逼近算法核心思想是通过每次比较确定当前位的取值，从最高位到最低位依次判断，使输出电压逐渐逼近输入电压。

程序逻辑如下：

1. 初始化16位变量 value = 0;
2. 从高位开始，每次假设该位为1；
3. 将当前值输出到DAC；
4. 读取比较器输出；
5. 若比较器输出为低电平，说明DAC电压高于输入电压，则清除该位；
6. 若为高电平，则保留该位；
7. 重复16次，得到最终结果。

代码实现如下：

uint ADC_Convert(void) {uint i;uint value = 0;for(i = 0; i < 16; i++) {value |= (0x8000 >> i);      // 设置当前位为1P1 = value >> 8;             // 高8位输出P0 = value & 0xFF;           // 低8位输出DAC_CS = 0;                  // 启动DAC输出DAC_CS = 1;Delay_ms(1);if(COMP == 0) {              // 比较器输出低电平value &= ~(0x8000 >> i); // 清除当前位}}return value;
}

3.3 LCD显示程序

LCD显示函数负责输出AD值与电压。通过将数字转为字符串后显示，直观反映输入电压变化。

void Display_Result(uint value) {char buf[16];LCD_ShowString(0,1,"AD Value:");sprintf(buf,"%05u",value);LCD_ShowString(10,1,buf);LCD_ShowString(0,2,"Voltage:");sprintf(buf,"%.3fV",Voltage);LCD_ShowString(9,2,buf);
}

3.4 延时函数

void Delay_ms(uint x) {uint i, j;for(i = 0; i < x; i++)for(j = 0; j < 120; j++);
}

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4. 系统运行原理与分析

系统运行时，输入的模拟电压首先送入比较器，与DAC输出的电压进行比较。单片机通过逐次逼近逻辑，不断调整DAC的数字输入，使得DAC输出电压与输入电压差最小。完成16次比较后，得到最终AD值。LCD1602实时显示对应的数字量与换算电压。

其核心特征包括：

1. 高分辨率：16位ADC分辨率为1/65536，对5V满量程，最小分辨率为约0.076mV；
2. 精度受限：由于R-2R电阻网络误差与仿真精度，系统存在5%左右的误差；
3. 速度可调：逐次逼近次数固定为16次，每次转换约需几十微秒；
4. 可视化输出：LCD实时更新显示AD结果；
5. 可扩展性强：可改为12位或8位ADC，仅需调整逼近次数。

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5. 系统特点与总结

本设计实现了一种完全基于分立元件的16位逐次逼近A/D转换系统，结合单片机控制与LCD显示，充分展示了逐次逼近ADC的基本原理与工程实现过程。其主要特点如下：

1. 完全自研ADC结构：使用R-2R电阻网络与比较器实现逐次逼近式AD功能；
2. 高精度显示：LCD1602实时显示电压与数字值；
3. 算法精简高效：采用二分搜索逐次逼近逻辑，程序简单且运算效率高；
4. 误差可控：系统误差约为5%，可通过校准降低；
5. 教学演示意义强：可用于实验教学、原理演示、AD算法验证等场景。

总体而言，该系统在硬件与软件上均体现了模数混合设计思想，为理解ADC原理与实现提供了完整实例。