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项目六、 A/D D/A 转换器接口

项目六、 A/D D/A 转换器接口. 项目六、 A/D D/A 转换器接口 任务.1数字电压表系统设计. 1、能将 A/D 转换器 AD0808（AD0809） 和单片机进行硬件连接 2、能进行单片机对 A/D 转换器 AD0808（AD0809） 进行读写，进行模拟量转换成数字量的采集。 学习内容 1、常用 A/D 转换器类型和选择依据 2、常用 A/D 转换器和单片机的连接方式. 一、任务要求

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项目六、 A/D D/A 转换器接口

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  1. 项目六、A/D D/A转换器接口

  2. 项目六、A/D D/A转换器接口 任务.1数字电压表系统设计 1、能将A/D转换器AD0808（AD0809）和单片机进行硬件连接 2、能进行单片机对A/D转换器AD0808（AD0809）进行读写，进行模拟量转换成数字量的采集。 学习内容 1、常用A/D转换器类型和选择依据 2、常用A/D转换器和单片机的连接方式

  3. 一、任务要求 利用单片机AT89C51与AD0808设计一个数字电压表，能够测量0～5V之间电压值，利用单片机动态显示方法显示模拟电压转换成数字量，用4位共阳数码管显示。 二、任务分析 用电位器的两端分别接0V和5V，滑动点输出模拟电压接AD0808的输入端，考虑到AD0808转换的结果为16进制，为显示直观，必须将转换的16进制结果转换为十进制（BCD码）进行显示。

  4. 三、学习知识 （一）数码管动态显示 在如图6-1所示中，其中P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别是数码管的位选信号，P0口为段码信号，动态数码显示的工作过程:将最高位数码管片选P2.0设为0，其余为1，其中“0”为片选选中状态，“1”为片选未选中状态，由P0口输出最高位的段码，显示最高位相应的数码值，然后将次高位数码管片选P2.1设为0，其余为1，由P0口输出次高位的段码，显示次高位相应的数码值，依次由高位进行到最低位，然后再循环从最高位显示到最低位，

  5. 由于从高位到低位显示的时间非常短，人的眼睛分辨不出四个数码管显示的时间差距，感觉四个数码管是同时显示的，起到数码管动态显示的效果。由于从高位到低位显示的时间非常短，人的眼睛分辨不出四个数码管显示的时间差距，感觉四个数码管是同时显示的，起到数码管动态显示的效果。

  6. 8031 开关量输出 模拟电信号 A/D转换器 D/A转换器 模拟非电信号 传感器 模拟量输出 （二）A/D转换器的工作原理 1、认识并正确选用A/D转换器 图6-2 具有模拟量输入输出的MCS-51系统

  7. （1）A/D转换器类型 1）双积分式A/D转换器 双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜。其缺点是转换速度较慢，因此，这种转换器主要用于速度要求不高的场合。 2）逐次逼近式A/D转换器 另一种常用的A/D转换器是逐次逼近式的，逐次逼近式A/D转换器是一种速度较快，精度较高的转换器，其转换时间大约在几μs到几百μs之间。

  8. （2）A/D转换器的主要技术指标及选用时的主要依据（2）A/D转换器的主要技术指标及选用时的主要依据 1）A/D转换器的主要技术指标 ①分辨率 分辨率是指数字量变化一个最小值时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。 ②精度 精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，与温度漂移、元件线性度等有关。精度分为绝对精度和相对精度两种。

  9. ③转换时间与转换速率。 A/D转换时间是指完成一次A/D转换所需要的时间，即从启动A/D转换器开始到获得相应数据所需的总时间。积分型A/D转换器的转换时间是毫秒级，属低速A/D；逐次逼近型A/D转换器是微妙级，属中速A/D。采样时间是指两次转换的间隔。 转换速率是转换时间的倒数。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。

  10. ④量程 即所能转换的电压范围，如10V、5V。 ⑤输出逻辑电平 大多数为与TTL电平配合。在使用中应注意是否用三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等。 ⑥基准电压 基准电压的精度将对整个系统的精度产生影响。A/D转换器分为内部和外部基准电源，故选芯片时应考虑是否要外加精密参考电源等。

  11. 2）A/D转换器的选用主要依据 ①A/D转换器用于什么系统、输出的数据位数、系统的精度、线性度。 ②输入的模拟信号类型，包括模拟输入信号的范围、极性（单、双极性）、信号的驱动能力、信号的变化快慢。 ③后续电路对A/D输出数字逻辑电平的要求、输出方式（并行、串行）、是否锁存等。 ④系统工作在动态条件还是静态条件、带宽要求、转换时间、采样速度等。 ⑤基准电压源的选择。基准电压源的幅度、极性及稳定性，电压是固定还是可调、电压由外部还是A/D转换器芯片内部提供等。 ⑥成本及芯片来源等。

  12. 2、MCS-51单片机与ADC0809接口设计 （1）典型A/D转换器芯片ADC0809的内部逻辑结构 多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，如表6-1所示。

  13. C B A 选择的输入通道 0 0 0 IN0 1 0 0 IN1 0 0 1 IN2 1 0 1 IN3 0 1 0 IN4 1 1 0 IN5 0 1 1 IN6 1 1 1 IN7 表6-1 通道选择表

  14. （2）信号引脚 ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装，其引脚排列见图6-4。 图6-4 ADC0809引脚图

  15. 对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下： ①IN7～IN0：模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量的要求主要有：信号单极性，电压范围0～5V，若信号过小还需进行放大。另外，在A/D转换过程中，模拟量输入的值不应变化太快，因此，对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。 ②A、B、C：地址线。A为低位地址，C为高位地址，用于对模拟通道进行选择。图6-4中为ADDA、ADDB和ADDC，其地址状态与通道相对应的关系见表6-1。 ③ALE：地址锁存允许信号。在对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

  16. ④START：转换启动信号。START上跳沿时，所有内部寄存器清0；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。④START：转换启动信号。START上跳沿时，所有内部寄存器清0；START下跳沿时，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。 ⑤D7～D0：数据输出线。其为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。 ⑥OE：输出允许信号。其用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高电阻；OE=1，输出转换得到的数据。 ⑦CLK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500kHz的时钟信号。

  17. ⑧EOC：转换结束状态信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。⑧EOC：转换结束状态信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。该状态信号既可作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。 ⑨VCC：+5V电源。 ⑩Vref：参考电源。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V（Vref(+)=+5V，Vref(-)=0V）

  18. （3）MCS-51单片机与ADC0809接口 电路连接主要涉及两个问题，一是8路模拟信号通道选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。 图6-5ADC0809与8031单片机的连接

  19. 8031 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0809 × × × × × × × ST × × × × × C B A × × × × × × × 0 × × × × × 0 0 0 … … × × × × × × × 0 × × × × × 1 1 1 1）8路模拟通道选择 图6-5中使用的是线选法，口地址由P2.0确定，同时和写信号相或取反后作为开始转换的选通信号。因此，该ADC0809的通道地址确定如下：

  20. 若无关位都取0，则8路通道IN0～IN7的地址分别为0000H～0007H。当然，口地址也若无关位都取0，则8路通道IN0～IN7的地址分别为0000H～0007H。当然，口地址也 可以由单片机其它片选不用的口线，或者由几根口线经过译码后来提供，这样，8路通道的地址也就有所不同。 2）转换数据的传送 ①定时传送方式 ADC0809转换时间为128μs，设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用这个延时子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

  21. ②查询方式 A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此，可以用查询方式，软件测试EOC的状态，即可确知转换是否完成，然后进行数据传送。EOC的状态是高电平表明转换是完成。 ③中断方式 把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

  22. MOV DPTR，#0000H ；选中通道0 MOVX A， @DPTR ；信号有效，输出转 换后的数据到A累加器

  23. 四、任务实施 1、 硬件设计 数字电压表硬件设计如图6-6所示。U1为单片机AT89C51,U3为A/D转换器AD0808，采用的是共阳极数码管显示，四个数码管的片选为P2.0、P2.1、P2.2、P2.3，低电平为选中，段码从P0口输出。

  24. 图6-6 数字电压表硬件电路

  25. LED_0 EQU 30H LED_1 EQU 31H LED_2 EQU 32H ；存放段码 ADC EQU 35H CLOCK BIT P2.4 ；定义ADC0808时钟位 ST BIT P2.5 EOC BIT P2.6 OE BIT P2.7 ORG 00H SJMP START ORG 0BH LJMP INT_T0 2、软件设计 数字电压表程序设计如下：

  26. START: MOV LED_0,#00H MOV LED_1,#00H MOV LED_2,#00H MOV DPTR,#TABLE ；段码表首地址 MOV TMOD,#02H MOV TH0,#245 MOV TL0,#00H MOV IE,#82H SETB TR0 WAIT: CLR ST SETB ST CLR ST ；启动AD转换

  27. SETB OE MOV ADC,P1 ；读取AD转换结果 CLR OE MOV A,ADC MOV B,#100 ；AD转换结果转换成BCD码 DIV AB MOV LED_2,A MOV A,B MOV B,#10 DIV AB MOV LED_1,A MOV LED_0,B

  28. LCALL DISP SJMP WAIT INT_T0: CPL CLOCK ；提供ADC0808时钟信号 RETI DISP: MOV A,LED_0 ；显示子程序 MOVC A,@A+DPTR CLR P2.3 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.3 MOV A,LED_1 MOVC A,@A+DPTR CLR P2.2 MOV P0,A

  29. LCALL DELAY SETB P2.2 MOV A,LED_2 MOVC A,@A+DPTR CLR P2.1 MOV P0,A LCALL DELAY SETB P2.1 RET DELAY: MOV R6,#10 ；延时5毫秒 D1: MOV R7,#250 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 RET

  30. TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH END

  31. 3、仿真调试 图6-7 数字电压表仿真调试结果

  32. 五、总结与提高 1、选择A/D转换器时应主要考虑的问题： 精度、转换速度。为了达到一定的精度，对电源的精度也有要求，因为电源的精度直接影响A/D转换器转换精度。 2、几种常见的A/D转换器性能比较： 并行A/D转换器的特点是转换速度快、价格较昂贵，主要用于要求高速度的场合；逐次逼近型A/D转换器是一种在速度、精度和价格上都处于适中位置的最常用的A/D转换器；双积分A/D转换器具有精度高、抗干扰性能好、价格低廉等优点，其缺点是转换速度慢。 所以，选择A/D转换器时要综合考虑上面两方面的问题。

  33. 项目六、A/D D/A转换器接口 任务2.锯齿波发生器电路设计 能力目标 1、能用AT89C51单片机和DAC0832进行硬件连接 2、能利用AT89C51单片机通过D/A转换器DAC0832进行数字到模拟信号转换 学习内容 一、任务要求 利用AT89C51单片机和DAC0832制作一个波形发生器。要求DAC完成锯齿波的电路波形输出设计。

  34. 二、任务分析 当给DAC0832一个从00H至FFH连续变化的数字输入时，DAC0832输出相应的从0～5V模拟电压,可以通过示波器观察到DAC0832输出的这种锯齿波变化的波形，改变DAC0832输入端变化的速度，可以看到输出端的锯齿波的频率在发生变化，由此可以利用单片机控制DAC0832的输入来使之输出端产生锯齿波。

  35. 三、学习知识 （一）认识并正确选用D/A转换器 1、D/A转换器性能指标 （1）分辩率 分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。如果 数字量的位数为n，则D/A转换器的分辨率为2-n。 （2）建立时间 建立时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出达到终值误差±（1/2）LSB（最低有效位）时所需的时间。

  36. （3）接口形式 D/A转换器与单片机接口方便与否，主要决定于转换器本身是否带数据锁存器。有两类D/A转换器，一类是不带锁存器的，另一类是带锁存器的。对于不带锁存器的D/A转换器，为了保存来自单片机的转换数据，接口时要另加锁存器，因此这类转换器必须在口线上；而 带锁存器的D/A转换器，可以把它看作是一个输出口，因此可直接在数据总线上，而不需另加锁存器。

  37. 2、典型D/A转换器芯片DAC0832 图6-9 DAC0832内部结构框图 图6-8 DAC0832引脚图

  38. •DI7～DI0：转换数据输入。 •ILE：数据锁存允许信号（输入），高电平有效。 • ：片选信号（输入），低电平有效。 ：第1写信号（输入），低电平有效。 上述两个信号控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式，当ILE=1和 =0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1和 =1时，为输入寄存器锁存 方式。 • ：第2写信号（输入），低电平有效。 • ：数据传送控制信号（输入），低电平有效。

  39. •Iout1：电流输出1。 •Iout2：电流输出2。 DAC转换器的特性之一是：Iout1+Iout2=常数。 •Rfb：反馈电阻端。 DAC0832是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算放大器，Rfb即为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图6-10所示。 •Vref：基准电压，其电压可正可负，范围是-10V～+10V。 • AGND：模拟地。 •DGND：数字地。

  40. （二）DAC0832单缓方式的接口与应用 1、单缓冲方式连接 所谓单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。 图6-11 DAC 0832单缓冲方式接口

  41. 2、单缓冲方式应用举例——产生锯齿波 图6-12 用DAC产生锯齿波

  42. 在许多控制应用中，要求有一个线性增长的电压（锯齿来控制检测过程，移动记录笔或移动电子束等）。对此可通过在DAC0832的输出端接运算放大器，由运算放大器产生锯齿波来实现，电路连接如图6-12所示。图中的DAC8032工作于单缓冲方式，其中输入寄存器受控，而DAC寄存器直通。假定输入寄存器地址为7FFFH，产生锯齿波的源程序清单如下：

  43. ORG 0200H DASAW： MOV DPTR，#7FFFH ；输入寄存器地址，假定P2.7接片选信号 MOV A，#00H ；转换初值 WW: MOVX @DPTR，A ；D/A转换 INC A NOP NOP NOP AJMP WW

  44. 执行上述程序，在运算放大器的输出端就能得到如图6-13所示的锯齿波。对锯齿波的产生作如下几点说明：执行上述程序，在运算放大器的输出端就能得到如图6-13所示的锯齿波。对锯齿波的产生作如下几点说明： ①程序每循环一次，A加1，因此实际上锯齿波的上升边是由256个小阶梯构成的，但 由于阶梯很小，所以宏观上看就是如图6-13中所表示的线性增长锯齿波。 ②可通过循环程序段的机器周期数计算出锯齿波的周期，并可根据需要，通过延时的办法来改变波形周期。当延迟时间较短时，可用NOP指令来实现（本程序就是如此）； 锯齿波的斜率就不同。当需要延迟时间较长时，可以使用一个延时子程序。延迟时间不同，波形周期不同，

  45. 图6-13 D/A转换产生的锯齿波 ③通过A加1，可得到正向的锯齿波；如要得到负向的锯齿波，改为减1指令即可实现。 ④程序中A的变化范围是0～255，因此得到的锯齿波是满幅度的。如要求得到非满幅锯齿波，可通过计算求得数字量的初值和终值，然后在程序中通过置初值判终值的办法即可实现。用同样的方法也可以产生三角波、矩形波、梯形波，请读者自行编写程序。

  46. （三）DAC0832双缓冲方式的接口与应用 1、双缓冲方式连接 所谓双缓冲方式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。 图6-14 DAC 0832的双缓冲方式连接

  47. 2、双缓冲方式应用举例 双缓冲方式用于多路D/A转换系统，以实现多路模拟信号同步输出的目的。例如使用单片机控制X-Y绘图仪。 对X-Y绘图仪的控制有两点基本要求：一是需要两路D/A转换器分别给X通道和Y通道提供模拟信号，二是两路模拟量要同步输出。两路模拟量输出是为了使绘图笔能沿X-Y轴作平面运动。

  48. 图6-16 控制X-Y绘图仪的双片DAC0832接口

  49. MOV R1，#DATA X坐标数据单元地址 MOV R0，#0F0H X向输入寄存器地址 MOV A，@R1 X坐标数据送A MOVX @R0，A X坐标数据送输入寄存器 INC R1 指向Y坐标数据单元地址 INC R0 指向Y向输入寄存器地址 MOV A，@R1 Y坐标数据送A MOVX @R0，A Y坐标数据送输入寄存器 INC R0 指向两个DAC寄存器地址 MOVX @R0，A X、Y转换数据同步输出 假定X方向DAC 0832输入寄存器地址为F0H，Y方向DAC0832输入寄存器地址为F1H， 两个DAC寄存器公用地址为F2H；X坐标数据存于DATA单元中，Y坐标数据存于DATA+1单元中，则绘图仪的驱动程序为：

  50. 四、任务实施 1、 硬件设计 图6-17 锯齿波波形发生器硬件原理图

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