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第 9 章 数/模及模/数转换器接口

第 9 章 数/模及模/数转换器接口. 9-1 D/A 转换器接口及应用. 9-2 A/D 转换器接口及应用. 扩展 I/O 电路的功能：. 1 、速度协调； 2 、输出数据锁存； 3 、输入数据三态； 4 、数据转换： 模拟量→数字量：由 A/D 转换完成； 数字量→模拟量：由 D/A 转换完成。. 单片机和被控实体间的接口示意图. 举例 1 ：温度测控系统. 举例 2 ：速度测控系统. A. 1. BISS0001. 16. 1 OUT. 1 IN-. V 0. 2. 15. RR 1. 3. 14. 1 IN+. RC 1.

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第 9 章 数/模及模/数转换器接口

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  1. 第9章 数/模及模/数转换器接口 9-1 D/A转换器接口及应用 9-2 A/D转换器接口及应用

  2. 扩展I/O电路的功能： 1、速度协调； 2、输出数据锁存； 3、输入数据三态； 4、数据转换： 模拟量→数字量：由A/D转换完成； 数字量→模拟量：由D/A转换完成。

  3. 单片机和被控实体间的接口示意图

  4. 举例1：温度测控系统

  5. 举例2：速度测控系统

  6. A 1 BISS0001 16 1OUT 1IN- V0 2 15 RR1 3 14 1IN+ RC1 4 13 2IN- 12 2OUT RC2 5 11 VDD RR2 6 10 IB Vss 7 9 Vc 8 VRF/RESET 红外线传感器集成芯片BISS0001特点 （1）用CMOS工艺，功耗低。 （2）具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配。 （3）双向鉴幅器可有效抑制干扰信号。 （4）内设延时和封锁定时器，性能稳定，调节范围宽。 （5）内置参考电源。 （6）工作电压范围宽（3V～5V）。

  7. 9-1 D/A转换器接口及应用 9-1-1 D/A转换概述 一、D/A（Digit to Analog）转换器： 为把数字量转换成模拟量，在D/A转换芯片中要有解码网络： ①权电阻网络； ②倒T型电阻网络。

  8. T型电阻网络型D/A转换器： D/A转换器的原理： 把输入数字量中每位都按其权值分别转换成模拟量，并通 过运算放大器求和相加。根据克希荷夫定律，如下关系成立： I0=20 I1=21 I2=22 I3=23

  9. 二、D/A输出形式： ①电压； ②电流 运算放大器电压。 n位数字量与模拟量的关系式： VO =—VREF×（数字码 / 2n）(VREF —— 参考电压) 注：因使用反相比例放大器来实现电流到电压的转换，所以输出模拟信号(VO)的极性与参考电压(VREF)极性相反。

  10. 三、注意区分D/A内部是否带有锁存器： 与P1、P2接口：不需加锁存器，直接接口。 无锁存器 与P0接口：因P0的特殊功能，需加锁存器。 D/A内 如：DAC800、AD7520、AD7521等。 有锁存器：最好与P0直接接口。 如：DAC0832、DAC1230等。

  11. 四、性能指标： 1、分辨率（Resolution）是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，取决于输入数字量的二进制位数。 2、建立时间（Establishing Time）是描述D/A转换速度的快慢。 3、转换精度（Conversion Accuracy）指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。 4、偏移量误差（Offset Error）偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。 5、线性度（Linearity）线性度是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。

  12. 主要技术指标： 1、分辨率（Resolution）： 对D/A转换器输入量变化敏感程度进行描述， 与输入数字量的位数有关。 • 若数字量的位数为n，则分辨率为2－n。 • 数字量位数越多，分辨率就越高。 • 应用时，应根据分辨率的需要选定转换器的位数。 注：BCD码输出的A/D转换器用位数表示分辨率。 2、建立时间（Establishing Time）：（转换速度） 描述D/A转换速度的快慢。 • 输出形式为电流的转换器比电压的建立时间短。 • D/A转换速度远高于A/D转换。 3、转换精度（Conversion Accuracy）： 指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。

  13. Rfb 输入 寄存器 DAC 寄存器 8位 DAC IOUT1 VO - + DI0～7 IOUT2 LE1 ILE 与 LE2 AGND CS 与 WR1 0：锁存； WR2 与 LE1（LE2）= XFER 1：直通。 DI0～7：转换数据输入（8位）； CS：片选信号（输入）； ILE：数据锁存允许信号（输入）； XFER：数据传送控制信号（输入）； WR1：第一写信号（输入），与ILE共同控制输入寄存器是数据直通方式还是 数据锁存方式； WR2：第2写信号（输入），与XFER共同控制DAC寄存器是数据直通方式还是 数据锁存方式； 一、内部结构：DAC 0832：8位双缓冲器结构的D/A转换器。 9-1-2 D/A转换芯片DAC0832 DAC 0832内部结构框图（请见P242图9.3）

  14. DAC的应用： lDAC用作单极性电压输出； lDAC用作双极性电压输出； lDAC用作控制放大器。

  15. 输入数字量B b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 Vout（理想值） +VREF时 -VREF时 1 1 1 1 1 1 1 1 |VREF|-LSB -|VREF|+LSB ┆ ┆ ┆ 1 1 0 0 0 0 0 0 |VREF|/2 -|VREF|/2 ┆ ┆ ┆ 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ┆ ┆ ┆ 0 1 1 1 1 1 1 1 -LSB LSB ┆ ┆ ┆ 0 0 1 1 1 1 1 1 -|VREF|/2-LSB |VREF|/2+LSB ┆ ┆ ┆ 0 0 0 0 0 0 0 0 -|VREF| |VREF| 双极性输出电压与输入数字量的关系

  16. 双极性DAC的接法 :

  17. 双极性DAC的另一种接法:

  18. 控制放大器用DAC0832:

  19. 1、直通方式： 输入寄存器和DAC寄存器共用一个地址，同时选通输出；WR1和WR2同时进行，并且不与CPU相接。 特点：转换速度快。 二、DAC 0832与单片机的接口： 有3种工作方法：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 MOV P1，A

  20. 100ms 举例： 例：D/A转换程序，用DAC0832输出0～+5V锯齿波， 电路为直通方式。设VREF=-5V，若DAC0832地址 为00FEH，脉冲周期要求为100ms。 DACS：MOV DPTR，#00FEH；0832I/O地址 MOV A，#00H ；开始输出0V DACL：MOVX @DPTR，A ；D/A转换 INC A ；升压 ACALL DELAY；延时100ms/256：决定锯齿波的周期 AJMP DACL ；连续输出 DELAY：…；延时子程序

  21. 2、单缓冲方式： 输入寄存器和DAC寄存器共用一个地址，同时选通输出，输入数据在控制信号作用下，直接进入DAC寄存器中；WR1和WR2同时进行，并且与CPU的WR相连，CPU对0832执行一次写操作，将数据直接写入DAC寄存器中。适用：只有一路模拟信号输出或几路模拟信号非同步输出。

  22. 80C51 单缓冲方式下的DAC0832

  23. 100ms 举例： 例：D/A转换程序，用DAC0832输出0～+5V三角波， 电路为单缓冲方式。设VREF=-5V，若DAC0832地 址为00FEH，脉冲周期要求为（100ms）。 ORG 2000H STAR：MOV DPTR，#00FEH；DAC0832地址 MOV A，#00H ；开始输出0V UP： MOVX @DPTR，A ；D/A转换 INC A ；产生上升段电压 JNZ UP；上升到A中为FFH（A≠0跳） DOWN：DEC A ；产生下降段电压 MOVX@DPTR，A JNZ DOWN；下降到A中为00H SJMP UP；重复 注：若想改变波形的周期（频率），只需在SJMP UP前插入延时程序即可。

  24. C51程序： #include<absacc.h> #include<reg51.h> #define DAC0832 XBYTE[0x00FE] #define uchar unsigned char #define unit unsigned int void stair(void) { uchar i; while(1) { for(i=0;i<=255;i=i++) /*形成锯齿波输出值，最大255*/ {DAC0832=i; /*D/A转换输出*/ } } }

  25. 3、双缓冲器方式：输入寄存器和DAC寄存器分配有各自的地址，可分别选通用同时输出多路模拟信号。适用：同时输出几路模拟信号的场合，可构成多个0832同步输出电路。3、双缓冲器方式：输入寄存器和DAC寄存器分配有各自的地址，可分别选通用同时输出多路模拟信号。适用：同时输出几路模拟信号的场合，可构成多个0832同步输出电路。

  26. 举例： 例：用DAC0832实现驱动绘图仪，电路为双缓冲方式。 1#和2#DAC0832地址分别为00FEH和00FDH。 则绘图仪的驱动程序为： ORG 2000H MOV DPTR，#00FEH ；选中1#0832（的输入寄存器）：A0=0 MOV A，#Datax MOVX @DPTR，A ；Datax写入1#0832输入寄存器 MOV DPTR，#00FDH ；选中2#0832（的输入寄存器）：A1=0 MOV A，#Datay MOVX@DPTR，A ；Datay写入2#0832输入寄存器 MOV DPTR，#00FBH ；选中1#和2#0832的DAC寄存器： A2=0 MOVX@DPTR，A ；1#和2#输入寄存器的内容同时 传送到DAC寄存器中

  27. C51程序： #include<absacc.h> #include<reg51.h> #define INPUTR1 XBYTE[0x00FE] #define INPUTR2 XBYTE[0x00FD] #define DACR XBYTE[0x00FB] #define uchar unsigned char void dac2b(data1,data2) uchar data1,data2; { INPUTR1=data1; /*数据送到一片DAC0832*/ INPUTR2=data2; /*数据送到另一片DAC0832*/ DACR=0; /*启动两路D/A同时转换*/ }

  28. 三、DAC1208内部框图

  29. 80C51 80C51与DAC1208的接口

  30. PC/XT的D/A接口使用DAC0832。其有关信号接线如图所示，其输出电压Vo和输入数字量DI7-DI0之间呈线性且如表所示。现要求Vo从零开始按图示波形周期变化（周期可自定）。试用汇编语言编写其控制部分程序。

  31. 9-2 A/D转换器接口及应用 A/D接口设计要点： 1．选择合适的系统采样速度； 2．减小A/D转换的孔径误差； 3．合理选用A/D转换器。

  32. A/D转换是把模拟量信号转化成与其大小成比例的数字信号。A/D转换是把模拟量信号转化成与其大小成比例的数字信号。 A/D转换电路主要分成： 1、双积分式（速度慢，精度高：用于速度要求不高的场合）； 2、逐次逼近式（速度较快，精度较高：常用）。 常用芯片： MC14433（3 ½位） 双积分式 ICL7135（4 ½位） ICL7109（12位） ADC0808、ADC0809（8位） 逐次逼近式 ADC1210（12位） AD574（12位） 一、转换原理：

  33. 1、双积分型A/D转换器工作原理： 双积分型A/D转换是一种间接A/D 转换技术。首先将模拟电压转换成积分时 间，然后用数字脉冲计时方法转换成计数 脉冲数，最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成 二进制或BCD码输出。因此，双积分型A/D转换器转换时 间较长，一般要大于40～50ms。

  34. 双积分ADC电路原理图

  35. 80C51 MC14433 MC14433与80C51直接连接的接口

  36. 80C51 ICL7109与80C51的接口电路图

  37. 2、逐次逼近A/D转换原理： N位寄存器用来存放N位二进制数码。 当VX≥VN，则保留DN-1=1，否则清0。 其余类推。

  38. 多路 转换 开关 IN0 IN1 IN7 A/D转换 A B C ADC 0809/0808为8路输入通道、8位逐次逼近式A/D转换器，可分时转换8路模拟信号。 二、ADC0809与单片机的接口： 1、结构： 一个8位逐次逼近式A/D转换器、8路模拟转换开关、3-8地址锁存译码器和三态输出数据锁存器（详见P249）。 2、引脚： （1）8路模拟量分时输入信号端： IN0～IN7； （2）8位数字量输出信号端： D0～D7； （3）通道选择地址信号输入端： ADDA、ADDB、ADDC； （4）基准参考电压为VR（+）和VR（-）： 决定输入模拟量的范围。 典型值分别为+5V和0V。 （5）转换结束信号EOC： 0：正在进行转换； 1：一次转换完成。 （6）时钟信号输入端：CLK（其内部无时钟电路）。

  39. 转换数据的传送： ①定时传送方式； （不需接EOC脚） ②查询方式； （测试EOC脚的状态） ③中断方式。 （EOC脚接INT脚） 注： （1）不能用无条件方式； （2）2个ALE不能相接。 8 AD0～7 ALE INT WR P2.0 RD D0～7 ADDABC CLK EOC START ALE OE 3 1 ≥1 MCS-51 ADC0809 ≥1 3、ADC 0809与单片机连接： 涉及2个问题： （1）8路模拟信号通道选择； （2）A/D转换完成后转换数据的传送。 IN0～7 ADC0809的口地址：FEFFH； 8路模拟通道的地址：FEF8H～FEFFH。

  40. A/D转换程序：（延时等待方法） MOV DPTR，#0FEFFH ；ADC0809地址 MOV A，#00H ；选中IN0 MOVX @DPTR，A ；启动A/D转换 LCALL DELAY ；等待转换结束 MOVX A，@DPTR ；读转换结果 RET 不用接EOC脚，采用定时传送方式。

  41. 例：P252应用举例 设有一个8路模拟量输入的巡回检测系统，采样数据依次存放在外部RAM 0A0H～0A7H单元中，ADC0809的8个通道地址为0FEF8H～0FEFFH。 初始化程序：（中断方式） MOV R0，#0A0H ；数据存储区首地址 MOV R2，#08H ；8路计数器 SETB IT1 ；边沿触发方式 SETB EA ；中断允许 SETB EX1 ；允许外部中断1中断 MOV DPTR，#0FEF8H ；指向ADC0809首地址 LOOP：MOVX @DPTR，A ；启动A/D转换 HERE：SJMP HERE ；等待中断 DJNZ R2，LOOP ；巡回，未完继续 CLR EA ；结束，关中断 SJMP $ ；结束停止

  42. 中断服务程序： MOVX A，@DPTR ；读数 MOVX @R0，A ；存数 INC DPTR ；指向下一模拟通道 INC R0；指向数据存储区下一单元 RETI

  43. C51程序： #include<absacc.h> #include<reg51.h> #define uchar unsigned char #define IN0 XBYTE[0xFEF8] /*设置ADC0809的通道0地址*/ sbit ad_busy=P3^3; /*即EOC状态*/ void ad0809(uchar idata * x) /*采样结果放指针中的A/D采集函数*/ { uchar i; uchar xdata * ad_adr; ad_adr=&IN0; for(i=0;i<8;i++) /*处理8通道*/ { *ad_adr=0; /*启动转换*/ i=i; /*延时等待EOC变低*/ i=i; while(ad_busy==0); /*查询等待转换结束*/ x[i]=*ad_adr; /*存转换结果*/ ad_adr++; /*下一通道*/ } } void main(void) { static uchar idata ad[10]; ad0809(ad); /*采样ADC0809通道的值*/ }

  44. 80C51 三、AD574A与MCS-51单片机接口

  45. AD574A逻辑控制真值表

  46. 小 结 1、D/A转换原理、内部结构、信号输出形式 和主要技术指标。 2、DAC0832内部结构、管脚、3种工作方 法及其对应接口的特点、电路和应用程序。 3、A/D转换原理和常用ADC芯片。 4、ADC0809的内部结构及管脚、转换数据 传送方式及其对应接口图和程序。

  47. 应用举例： 1、用8位DAC芯片组成双极性电压输出电路，其参考电压为-5V～+5V，求对应以下偏移码的输出电压： ①0100 0000 ②1111 1110 解：VOUT1=-VREF. VOUT2=-(VREF+2VOUT1) ① VOUT1=-VREF.=-1.25V～+1.25V VOUT2=-(VREF+2VOUT1) =-2.5V～+2.5V ② VOUT1=-VREF.=-4.96～+4.96V VOUT2=-(VREF+2VOUT1) =-4.92V～+4.92V

  48. 2、某12位A/D转换器的输入电压为0～+5V，求出当输入模拟量为下列值时输出的数字量：2、某12位A/D转换器的输入电压为0～+5V，求出当输入模拟量为下列值时输出的数字量： ①1.25V ②3.75V 解： ① ②

  49. 3、某梯度炉温变化范围为0～1600℃，经温度变送器输出电压为1～5V，再经ADC0809转换，ADC0809的输入范围为0～5V，试计算当采样数值为9BH时，所对应的梯度炉温是多少？3、某梯度炉温变化范围为0～1600℃，经温度变送器输出电压为1～5V，再经ADC0809转换，ADC0809的输入范围为0～5V，试计算当采样数值为9BH时，所对应的梯度炉温是多少？ 解：9BH=155D

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