第11講 MCS-51的模擬量輸入輸出擴(kuò)展

1、1第11講 MCS-51的模擬量輸入輸出電氣工程系趙志衡E-mail:2課程主要內(nèi)容ADC及DAC的基本原理及性能指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)（ADC0809）D/A轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)（DAC0832）3 非電物理量（溫度、壓力、流量、速度等），須經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成模擬電信號（電壓或電流），再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能在單片機(jī)中處理。 A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）：模擬量數(shù)字量的器件， D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）：數(shù)字量模擬量的器件。數(shù)字量，也常常需要轉(zhuǎn)換為模擬信號。 只需合理選用商品化的大規(guī)模ADC、DAC芯片，了解功能、引腳以及與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)。概述4ADC的基本原理及性能指標(biāo) 模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 隨著

2、超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的飛速發(fā)展，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)運(yùn)而生。51.A/D轉(zhuǎn)換器的分類 根據(jù)轉(zhuǎn)換原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分成兩大類（1）直接型A/D轉(zhuǎn)換器（2）間接型A/D轉(zhuǎn)換器。6常見的A/D轉(zhuǎn)換器工作原理逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器將輸入模擬信號與推測信號比較，調(diào)節(jié)推測信號逼近輸入信號，直至兩者相等雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器采用輸入模擬信號與標(biāo)準(zhǔn)電壓反向積分的方法，完成模擬信號的轉(zhuǎn)換V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器 將輸入模擬信號轉(zhuǎn)化為線性對應(yīng)的頻率信號，通過測量頻率實(shí)現(xiàn)模擬信號的轉(zhuǎn)化7 應(yīng)用特點(diǎn) 逐次比較型:精度、速度和價(jià)格都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。 雙積分型:精度高、抗干擾性好、

3、價(jià)格低廉,但轉(zhuǎn)換速度慢，得到廣泛應(yīng)用。 V/F轉(zhuǎn)換型:適于轉(zhuǎn)換速度要求不太高，遠(yuǎn)距離信號傳輸。 具有逐次比較與雙積分式的雙重優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力及轉(zhuǎn)換速度，得到了廣泛的重視。82. A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。逐次比較式：0.4s，速率為2.5M次/s。(2) 分辨率 用輸出二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。例如AD574，二進(jìn)制12位，即用212個(gè)數(shù)進(jìn)行量化，分辨率為1LSB，百分?jǐn)?shù)表示1/212=0.24。 又如雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器MC14433, 分辨率為三位半。若滿字位為1999，其分辨率為1/1999=0.05%

4、。 9 量化過程引起的誤差為量化誤差，是由于有限位數(shù)字對模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。量化誤差理論上規(guī)定為1個(gè)單位分辨率，提高分辨率可減少量化誤差。（3）轉(zhuǎn)換精度 定義為一個(gè)實(shí)際ADC與一個(gè)理想ADC在量化值上的差?？捎媒^對誤差或相對誤差表示。絕對精度 在轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應(yīng)的實(shí)際模擬電壓與其理想電壓值之差的最大值稱為絕對精度相對精度 絕對精度的百分?jǐn)?shù)表示103. A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 按輸出代碼的有效位數(shù)分:8位、10位、12位等。 按轉(zhuǎn)換速度分為超高速（1ns）、高速（1s）中速（1ms）、低速（1s）等。 A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢：為適應(yīng)系統(tǒng)集成需要，將多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、時(shí)鐘電路、基準(zhǔn)電壓源、

5、二/十進(jìn)制譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，為用戶提供方便。11（1）A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定 系統(tǒng)總精度涉及的環(huán)節(jié)較多：傳感器變換精度、信號預(yù)處理電路精度和A/D轉(zhuǎn)換器及輸出電路、控制機(jī)構(gòu)精度，還包括軟件控制算法。 A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比系統(tǒng)總精度要求的最低分辨率高1位，位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所能達(dá)到的精度相適應(yīng)。 只要不低于它們就行，太高無意義，且價(jià)高。 8位以下：低分辨率，912位：中分辨率，13位以上：高分辨率。 12（2）A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的確定 從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時(shí)間，這就是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。低速：轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾ms到幾十ms 。中速：逐次比較型的

6、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間可從幾s 100s左右。高速：轉(zhuǎn)換時(shí)間僅20100ns。適用于雷達(dá)、數(shù)字通訊、 實(shí)時(shí)光譜分析、實(shí)時(shí)瞬態(tài)紀(jì)錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)等。13（3）是否加采樣保持器 直流和變化非常緩慢的信號可不用采樣保持器。其他情況都要加采樣保持器。14（4）工作電壓和基準(zhǔn)電壓選擇使用單一+5V工作電壓的芯片，與單片機(jī)系統(tǒng)共用一個(gè)電源比較方便。 基準(zhǔn)電壓源是提供給A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換時(shí)所需要的參考電壓，在要求較高精度時(shí)，基準(zhǔn)電壓要單獨(dú)用高精度穩(wěn)壓電源供給。15ADC0809接口電路設(shè)計(jì)及軟件編程ADC0809芯片結(jié)構(gòu)ADC0809功能及管腳ADC0809與8031接口電路設(shè)計(jì)1及軟件編程ADC08

7、09與8031接口電路設(shè)計(jì)2及軟件編程16ADC0809功能特點(diǎn)為:分辨率為8位 ADC0809最大不可調(diào)誤差1LSB 模擬輸入電壓范圍為05V，單電源供電 鎖存控制的8路模擬開關(guān) 轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率，其范圍101280kHz，當(dāng)頻率為500kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換速度為128s 17 逐次逼近式8路模擬輸入、8位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC080918 共28腳，雙列直插式封裝。主要引腳功能如下：(1)IN0IN7：8路模擬信號輸入端。(2) D0D7：8位數(shù)字量輸出端。(3) C 、B 、A：控制8路模擬通道的切換，C、B、A= 000111分別對應(yīng)IN0IN7通道，ALE是其鎖存信號。(4

8、) OE、START、CLK：控制信號端，OE為輸出允許端， START為啟動(dòng)信號輸入端，CLK為時(shí)鐘信號輸入端。VR(+)和VR(-)：參考電壓輸入端。19ADC0809結(jié)構(gòu)框圖20ADC0809功能及管腳ADC0809芯片管腳介紹START：為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制口，輸入正脈沖將啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 ALE：為地址鎖存控制口，輸入正脈沖將鎖存3位地址。 EOC：為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出口，轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，結(jié)束為高電平輸出。 OE：為轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出允許控制口，上升沿控制結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)線上。 REF(+)REF(-)： 為參考電壓輸入端，一般接VCC和GND。 CLK：為轉(zhuǎn)換時(shí)鐘輸入端。IN0IN7：8路模擬量輸入端2

9、-12-8：數(shù)字量輸出ADC0809管腳圖21ADC0809操作時(shí)序ADC0809操作時(shí)序圖22ADC0809編程要點(diǎn)選通模擬量輸入通道發(fā)出啟動(dòng)信號用查詢或中斷方法等待轉(zhuǎn)換結(jié)束初學(xué)建議采用延時(shí)方法等待轉(zhuǎn)換結(jié)束讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果23ADC0809與8031接口電路設(shè)計(jì)1AD接口設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的提供轉(zhuǎn)換完成判斷，8031外接晶振6MHz模擬通道的選擇ADC0809與8031接口電路1原理圖24例1：ADC0809接口電路編程要求：設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)對8路模擬信號的采樣，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM區(qū)30H37H中。 ;-;ADC0809的07模擬通道對應(yīng)地址7FF8H7FFFH;-ORG0000HMAIN:MOVR1,

10、#30H；置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)首地址MOVDPTR,#7FF8H；指向ADC0809的0通道MOVR7,#08H；置通道數(shù)LOOP:MOVXDPTR,A；啟動(dòng)轉(zhuǎn)換LCALLDELAY_130us；等待130usMOVXA,DPTR；讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果MOVR1,A；保存轉(zhuǎn)換結(jié)果INCDPTR；指向下一個(gè)轉(zhuǎn)換通道INCR1；指向下一個(gè)存儲(chǔ)空間DJNZR7,LOOP；判斷8個(gè)通道采樣是否完成？25例2：ADC0809與8031接口AD接口設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的提供轉(zhuǎn)換完成判斷模擬通道的選擇ADC0809與8031接口電路2原理圖26例2編程要求 編程實(shí)現(xiàn)對第0路模擬信號的采樣并實(shí)時(shí)在數(shù)碼上顯示采樣值，待顯示的采樣值存放

11、在RAM區(qū)30H，31H中。 ;-;主程序代碼，完成中斷設(shè)置、啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換的功能;-ORG0000H；系統(tǒng)復(fù)位程序入口地址AJMPMAIN；轉(zhuǎn)向主程序ORG0013H；外部硬件中斷1程序入口地址AJMPINT1P；轉(zhuǎn)向中斷處理子程序MAIN:SETBIT1；設(shè)INT1為邊沿觸發(fā)方式SETBEX1；允許INT1中斷SETBEA；開中斷MOVR0,#30H；指向顯示緩沖區(qū)首地址MOVA,#00H；指向模擬通道0MOVDPTR,#8000H；指向ADC0809MOVXDPTR,A；啟動(dòng)通道0轉(zhuǎn)換WAIT:AJMPWAIT；等待轉(zhuǎn)換完成中斷27例2編程;-;中斷處理程序代碼，讀取采樣值，并顯示在數(shù)碼管

12、上;-INT1P:MOVXA,DPTR；讀取采樣值MOVR1,A；暫存采樣值于R1ANLA，#0FH；取采樣值低4位MOVR0,A；保存采樣值低4位于30HINCR0；保存地址指向31HMOVA,R1SWAPA； A的高4位與低4位交換ANLA，#0FH；取采樣值高4位MOVR0,A；保存采樣值高4位于31HLCALLSHOW；調(diào)用顯示子程序MOVA,#00H；指向模擬通道0MOVDPTR,#8000H；指向ADC0809MOVXDPTR,A ；啟動(dòng)通道0轉(zhuǎn)換RETI；中斷返回28DA轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)DA轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識(shí)DAC0832芯片結(jié)構(gòu)DAC0832功能及管腳DAC0832與8031雙緩沖接口電

13、路設(shè)計(jì)及軟件編程DAC0832與8031單緩沖接口電路設(shè)計(jì)及軟件編程29DAC的基本原理及性能指標(biāo)1. 概述 輸入：數(shù)字量，輸出：模擬量。 轉(zhuǎn)換過程：送到DAC的各位二進(jìn)制數(shù)按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬分量，再把各模擬分量疊加，其和就是D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 使用D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，要注意區(qū)分:* D/A轉(zhuǎn)換器的輸出形式; * 內(nèi)部是否帶有鎖存器。(1) 輸出形式 兩種輸出形式:電壓輸出形式與電流輸出形式。電流輸出的D/A轉(zhuǎn)換器，如需模擬電壓輸出，可在其輸出端加一個(gè)I-V轉(zhuǎn)換電路。30（2）D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部是否帶有鎖存器 D/A轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)輸入端的數(shù)字量應(yīng)穩(wěn)定，為此應(yīng)在數(shù)字量輸入端之前

14、設(shè)置鎖存器，以提供數(shù)據(jù)鎖存功能。根據(jù)芯片內(nèi)是否帶有鎖存器，可分為內(nèi)部無鎖存器的和內(nèi)部有鎖存器的兩類。* 內(nèi)部無鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器 可與P1、P2口直接相接（因P1口和P2口的輸出有鎖存功能）。但與P0口相接，需增加鎖存器。* 內(nèi)部帶有鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器 可與MCS-51的P0口直接相接。目前有的D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部不但有鎖存器，還包括地址譯碼電路，有的還有雙重或多重的數(shù)據(jù)緩沖電路。312.主要技術(shù)指標(biāo) (1)分辨率 輸入給DAC的單位數(shù)字量變化引起的模擬量輸出的變化，通常定義為輸出滿刻度時(shí)的模擬量值與2n之比。顯然，二進(jìn)制位數(shù)越多，分辨率越高。 例如，若滿量程為10V，根據(jù)定義則分辨率為10V

15、/2n。 設(shè)8位D/A轉(zhuǎn)換，即n=8，分辨率為10V/2n =39.1mV，該值占滿量程的0.391%，用1LSB表示。同理：10位 D/A：1 LSB=9.77mV=0.1% 滿量程 12位 D/A：1 LSB=2.44mV=0.024% 滿量程根據(jù)對DAC分辨率的需要,來選定DAC的位數(shù)。 32 (2)建立時(shí)間描述DAC轉(zhuǎn)換快慢的參數(shù),表明轉(zhuǎn)換速度。定義：為從輸入數(shù)字量到輸出達(dá)到終值誤差(1/2)LSB(最低有效位)時(shí)所需的時(shí)間。電流輸出時(shí)間較短，電壓輸出的，還要加上I-V轉(zhuǎn)換的時(shí)間，因此建立時(shí)間要長一些?？焖貲AC可達(dá)1s以下。（3）精度 理想情況，精度與分辨率基本一致，位數(shù)越多精度越高

16、。但由于電源電壓、參考電壓、電阻等各種因素存在著誤差,精度與分辨率并不完全一致。 位數(shù)相同，分辨率則相同，但相同位數(shù)的不同轉(zhuǎn)換器精度會(huì)有所不同。33 MCS-51與DAC0832的接口1. DAC0832芯片介紹 (1)DAC0832的特性 美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品，具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC,能直接與MCS-51單片機(jī)相連。主要特性如下：電流輸出，建立時(shí)間為1s；分辨率為8位；可雙緩沖輸入、單緩沖輸入或直接數(shù)字輸入；單一電源供電（+5+15V）；34（2）DAC0832的引腳及邏輯結(jié)構(gòu)35DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)：36DI0DI7：8位數(shù)字信號輸入端CS*：片選端ILE： 數(shù)據(jù)鎖存允許

17、控制端，高電平有效。 WR1*：輸入寄存器寫選通控制端。當(dāng)CS*=0、ILE=1、 WR1*=0時(shí)，數(shù)據(jù)信號被鎖存在輸入寄存器中XFER*：數(shù)據(jù)傳送控制WR2* ：DAC寄存器寫選通控制端。 當(dāng)XFER*=0，WR2* =0時(shí)，輸入寄存器的數(shù)據(jù)鎖存入DAC寄存器中。 IOUT1：電流輸出1端，輸入數(shù)字量全“1”時(shí)，IOUT1最大， 輸入數(shù)字量全為“0”時(shí)，IOUT1最小。引腳功能：37IOUT2：D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出2端，IOUT2+IOUT1=常數(shù)。 Rfb：外部反饋信號輸入端， 內(nèi)部已有反饋電阻Rfb，根據(jù)需要也可外接反饋電阻。VREF：基準(zhǔn)電源輸入Vcc：電源輸入端，可在+5V+15V范

18、圍內(nèi)。 DGND：數(shù)字信號地。 AGND：模擬信號地?！?位輸入寄存器”用于存放CPU送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由LE1*控制； “8位DAC寄存器” 存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由LE2*控制； “8位D/A轉(zhuǎn)換電路”由T型電阻網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)組成，T型電阻網(wǎng)絡(luò)輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。382.DAC的應(yīng)用電流型DAC的電壓輸出形式： (1) 單極性電壓輸出 單極性模擬電壓輸出，具體原理圖見本講的例3例5。 8位DA芯片輸出電壓Vout與輸入數(shù)字量B的關(guān)系: Vout = （B/255）*V REF 式中，B=b727+ b626+ b121+ b020； B為0時(shí)，Vout也為0

19、，輸入數(shù)字量為255時(shí)，Vout為最大值,單極性。 39 Vout =（B128）*（VREF/128） 在選用+VREF時(shí)，（1）若輸入數(shù)字量b71，則Vout為正； （2）若輸入數(shù)字量b70，則Vout為負(fù)。 在選用-VREF時(shí)，Vout與+VREF時(shí)極性相反。（2）雙極性電壓輸出40DAC0832編程舉例單緩沖接口電路：得到一個(gè)三角波及鋸齒波電壓y(t)。雙緩沖接口電路：實(shí)現(xiàn)兩路同時(shí)輸出，一般作為二維圖形中平面坐標(biāo)（x,y）的輸出。41例3：DAC0832與8031單緩沖接口硬件設(shè)計(jì)0832地址8000HDAC0832單緩沖方式應(yīng)用原理圖42例3：DAC0832單緩沖接口軟件編程要求：設(shè)計(jì)程序在模擬量輸出端產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波電壓y（t）START:MOVDPTR,#8000H；指向0832地址 MOVA,#00H；設(shè)波形輸出初值LOOP:MOVXDPTR,A；輸出模擬量