A/D转换器设计与应用
a/d转换器设计与应用
一、 前言
holtek微控器是由盛群所开发，而盛群在1998年12月在竹科正式开始营运，在短短的四年间即推出14种不同系列的微控器，其范围包括有通用型与专用型微控器(mcu)，除一般应用领域外，更涵盖语音、通讯、计算机外设、家电等各专业领域，此外并提供各种电源管理，非易失性内存等微控制器外围组件，本文主要锁定在具内嵌式之模拟/数字转换器之微控器，它可应用于交换式电源供应、电磁炉、电毯、电饭锅、洗衣机、烘碗机、多功能电池充电器等。
二、 a/d系列之微控器
ht46系列的微控器具内嵌式之模拟/数字转换器，如表1所示。该系列的微控器是以是否含有lcd驱动器，将它们分成两大类八种微控器，每一种都包含两种型式，其一为c型的mask版本，适合大量生产使用；另一为r型的otp版本，适合于少量或实验的场合。ht46x47（x是指r或c）微控制器适用于电池快速充电器的设计应用，其内嵌式之模拟/数字转换器a/d及具脉波宽度调变的数字/模拟转换器（pwmd/a），对于设计电池充电器时，能省略外部a/d、pwmd/a、及模拟开关等组件，使得生产成本大大地降低，pwmd/a之设计更是采用高频设计，其优点为可降低系统电力输出级之电感线圈、尺寸与重量及提升电力运用效率，而a/d转换器共有四个信道，其分辨率为9bits，信道的选择及a/d选项均采用软件方式控制，在设计应用上非常方便。
三、 工作原理
以ht46r47微控器为例，其内嵌式之模拟/数字转换器之工作原理系利用四个特殊缓存器来完成，分别是adrl（20h）、adrh （21h）、adcr（22h）、和acsr（23h）。adrl和adrh分别代表a/d转换完成后的低、高字节，因此这两个缓存器仅具有只读的特性。而adcr是控制a/d转换的工作缓存器，它被用来定义a/d转换的可用信道的数目、那一个模拟信道被选择、开始转换位、及完成指示旗标等，其位定义如表二所示。此外，acsr缓存器可以被用来设定转换的时序来源，如表三所示。模拟/数字转换器之使用方法如下：
1. 首先以pcr0-pcr2定义好端口b的配置，如表二所示，对于不需要用的信道建议关闭，以节省电源消耗。换言之，选择刚好够用的模拟信道数目，且从端口b的位0开始依序指定，例如需要三个模拟信道、则可以使用位0、位1、及位2、。
2. 再来用acs0-acs2来选择工作的模拟信道，如表2所示。
3. 然后再将start位给于上升及下降的讯号变化，如：0→1→0。当start位由0→1时eoc会被设定成1。
4. 最后，等待eoc位变成0即表示转换完成，其转换后的结果存在adrl和adrh，其位的配置如表四所示。
模拟/数字转换器使用方法的最后步骤，必须经常查看eoc旗标，因此会浪费许多宝贵的时间，holtek也设计使用中断的方法，来取得a/d转换后的结果，其中断形成的先决条件有三：其一为a/d转换完毕；其二是激活中断向量；最后堆栈尚有空间，也就是说不会造成堆栈溢出的情形。当此三个条件满足后，程序会直接跳至地址00ch处。
四、 范例：三点式温度检知器
本节依据ht46r47微控器具有四组模拟/数字转换器之特性，，我们分别使用了j型热电耦（电压型）、ad590（电流型）、及pt100（电阻型）三种温度感知器，来说明模拟/数字转换器之使用。以下将就硬件设计、功能规划、和软件设计三方面详加说明，在硬件规划方面将分成主电路和感测电路，而在功能规划方面则说明显示器及按键的功能，最后则说明本系统的三支主要程序。 主电路的规划
ht46r47微控器主电路及显示电路如图一所示，规划使用pa3-pa0经由74ls47译码ic控制四个共阳型七段显示器之数字、pa4控制四个共阳型七段显示器之小数点、pa6-pa5经由74ls139译码ic控制四个共阳型七段显示器之电源供扫瞄显示及扫瞄按键、pa7读取按键值，图中四个二极管主要隔离作用、当数个按键同时按下时可以避免74ls139译码ic之输出短路。ad590（电流型）、pt100（电阻型）及k型热电耦（电压型）温度感测电路如图2、图3、及图4所示，经由op07放大器将讯号放大、当温度从摄氏0度至100度变化时输出电压范围为0~5v之间，再分别接入ht46r47微控器的pb0~pb2接脚。利用pd0以脉波宽度调变方式 (pwm)经由继电器来控制加热器的启闭，考量pd0重置时为高电位，因此使用晶体管设计成反相器，当pd0送出低电位时激活加热器；反之，pd0送出高电位时可关闭加热器。
四颗共阳极七段显示器显示规划如表5所示，编号ds1用来标示第几信道，例如：显示“0”表示信道an0(ad590传感器)，编号ds2- ds4七段显示器系显示温度ds2为拾位数、ds4为小数点第一位，显示范围为99.9-0.00。为了区隔显示目前温度与设定温度，故在显示目前温度时以正常方式显示，反之显示设定温度时则以闪烁显示方式处理。
按键功能归划
在本系统中共有四个按键，而工作模式共有显示目前温度、设定温度、察看其它组目前温度、察看其它组温度设定情形及设定温度控制组别等模式，必须使用复合键(双键同按)，按键功能规划如表六所示。
软件程序规划
在软件规划方面，分成三大部份：主程序、计时中断程序、a/d中断程序，流程图如图5所示。计时中断程序(如图6a所示)主要产生250us中断时间基频，每中断一次将co_numb_0内存值增加一，主程序依据co_numb_0值产生5ms信号做扫瞄显示及扫瞄按键使用。a/d中断程序(如图六b所示)主要将每一个模拟信号信道之adrh及adrl的值取样128次后取平均值，考量ht46微控器其堆栈系以地址堆栈方式，因此在执行a/d中断时先将acc及status缓存器存入内存acc_b及status_b中、执行完毕再从内存acc_b及status_b取回原先之值，避免影响主程序的执行。主程序负责工作包括：依据计时中断所产生时间基频做扫瞄显示、扫瞄按键、温度转换、及以pwm方式进行温度控制，经由按键做查询各信道目前温度、设定温度、及调整更换设定温度。
五、 结论
holtek微控器采用精简指令集架构设计而成，具有很强的运算能力，再加上它根据不同的需求设计专用的微控器，除了提升效能外，也大量减少硬件电路设计的成本，以本文所介绍的模拟/数字转换器为例，一般通用型的微控器不但要增加模拟/数字转换芯片，而且对于有多信道的需求，要兼顾到成本的考量，往往只用一颗模拟/数字转换芯片搭配一颗模拟开关，而采用ht46系列的微控器，上述两颗芯片都可以省略，而且使得应用电路更加的简洁
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一、 前言
holtek微控器是由盛群所开发，而盛群在1998年12月在竹科正式开始营运，在短短的四年间即推出14种不同系列的微控器，其范围包括有通用型与专用型微控器(mcu)，除一般应用领域外，更涵盖语音、通讯、计算机外设、家电等各专业领域，此外并提供各种电源管理，非易失性内存等微控制器外围组件，本文主要锁定在具内嵌式之模拟/数字转换器之微控器，它可应用于交换式电源供应、电磁炉、电毯、电饭锅、洗衣机、烘碗机、多功能电池充电器等。
二、 a/d系列之微控器
ht46系列的微控器具内嵌式之模拟/数字转换器，如表1所示。该系列的微控器是以是否含有lcd驱动器，将它们分成两大类八种微控器，每一种都包含两种型式，其一为c型的mask版本，适合大量生产使用；另一为r型的otp版本，适合于少量或实验的场合。ht46x47（x是指r或c）微控制器适用于电池快速充电器的设计应用，其内嵌式之模拟/数字转换器a/d及具脉波宽度调变的数字/模拟转换器（pwmd/a），对于设计电池充电器时，能省略外部a/d、pwmd/a、及模拟开关等组件，使得生产成本大大地降低，pwmd/a之设计更是采用高频设计，其优点为可降低系统电力输出级之电感线圈、尺寸与重量及提升电力运用效率，而a/d转换器共有四个信道，其分辨率为9bits，信道的选择及a/d选项均采用软件方式控制，在设计应用上非常方便。
三、 工作原理
以ht46r47微控器为例，其内嵌式之模拟/数字转换器之工作原理系利用四个特殊缓存器来完成，分别是adrl（20h）、adrh （21h）、adcr（22h）、和acsr（23h）。adrl和adrh分别代表a/d转换完成后的低、高字节，因此这两个缓存器仅具有只读的特性。而adcr是控制a/d转换的工作缓存器，它被用来定义a/d转换的可用信道的数目、那一个模拟信道被选择、开始转换位、及完成指示旗标等，其位定义如表二所示。此外，acsr缓存器可以被用来设定转换的时序来源，如表三所示。模拟/数字转换器之使用方法如下：
1. 首先以pcr0-pcr2定义好端口b的配置，如表二所示，对于不需要用的信道建议关闭，以节省电源消耗。换言之，选择刚好够用的模拟信道数目，且从端口b的位0开始依序指定，例如需要三个模拟信道、则可以使用位0、位1、及位2、。
2. 再来用acs0-acs2来选择工作的模拟信道，如表2所示。
3. 然后再将start位给于上升及下降的讯号变化，如：0→1→0。当start位由0→1时eoc会被设定成1。
4. 最后，等待eoc位变成0即表示转换完成，其转换后的结果存在adrl和adrh，其位的配置如表四所示。
模拟/数字转换器使用方法的最后步骤，必须经常查看eoc旗标，因此会浪费许多宝贵的时间，holtek也设计使用中断的方法，来取得a/d转换后的结果，其中断形成的先决条件有三：其一为a/d转换完毕；其二是激活中断向量；最后堆栈尚有空间，也就是说不会造成堆栈溢出的情形。当此三个条件满足后，程序会直接跳至地址00ch处。
四、 范例：三点式温度检知器
本节依据ht46r47微控器具有四组模拟/数字转换器之特性，，我们分别使用了j型热电耦（电压型）、ad590（电流型）、及pt100（电阻型）三种温度感知器，来说明模拟/数字转换器之使用。以下将就硬件设计、功能规划、和软件设计三方面详加说明，在硬件规划方面将分成主电路和感测电路，而在功能规划方面则说明显示器及按键的功能，最后则说明本系统的三支主要程序。 主电路的规划
ht46r47微控器主电路及显示电路如图一所示，规划使用pa3-pa0经由74ls47译码ic控制四个共阳型七段显示器之数字、pa4控制四个共阳型七段显示器之小数点、pa6-pa5经由74ls139译码ic控制四个共阳型七段显示器之电源供扫瞄显示及扫瞄按键、pa7读取按键值，图中四个二极管主要隔离作用、当数个按键同时按下时可以避免74ls139译码ic之输出短路。ad590（电流型）、pt100（电阻型）及k型热电耦（电压型）温度感测电路如图2、图3、及图4所示，经由op07放大器将讯号放大、当温度从摄氏0度至100度变化时输出电压范围为0~5v之间，再分别接入ht46r47微控器的pb0~pb2接脚。利用pd0以脉波宽度调变方式 (pwm)经由继电器来控制加热器的启闭，考量pd0重置时为高电位，因此使用晶体管设计成反相器，当pd0送出低电位时激活加热器；反之，pd0送出高电位时可关闭加热器。
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软件程序规划
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五、 结论
holtek微控器采用精简指令集架构设计而成，具有很强的运算能力，再加上它根据不同的需求设计专用的微控器，除了提升效能外，也大量减少硬件电路设计的成本，以本文所介绍的模拟/数字转换器为例，一般通用型的微控器不但要增加模拟/数字转换芯片，而且对于有多信道的需求，要兼顾到成本的考量，往往只用一颗模拟/数字转换芯片搭配一颗模拟开关，而采用ht46系列的微控器，上述两颗芯片都可以省略，而且使得应用电路更加的简洁
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