单片微机原理及应用课件_第8章_数模(_DA)及模数(AD)转

第8章数/模（D/A）及模/数（A/D）转换器接8.1概述8.2D/A转换器及其接口8.3A/D转换器及其接口8.1概述图8-1单片机和被控实体间的接口示意图返回本章首页8.2D/A转换器及其接口8.2.1D/A转换器8.2.2MCS-51和D/A的接口返回本章首页8.2.1D/A转换器图8-2最简单D/A转换器框图关系式：Vout=B×VR式中，Vout为输出电压；VR为常量，由参考电压VREF决定；B为数字量，常为一个二进制数。数字量B的位数通常为8位和12位等，由D/A转换器芯片型号决定。B为n位时的通式为：B=bn-1bn-2…b1b0=bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+b1×21+b0×20式中，bn-1为B的最高位（0、1）；b0为最低位。1．D/A转换器的原理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（如图9-3所示）。根据基尔荷夫定律，如下关系成立：I3==23·I2==22·I1==21·I0==20·图8-3T型电阻网络型D/A转换器2．D/A转换器的性能指标l分辨率（Resolution）：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。（=满刻度电压/（2n-1））如：8位转换器模拟电压的变化范围分为（2n-1，256）级；10位转换器模拟电压的变化范围分为（2n-1，1023）级；因此，同样范围的模拟电压，用10位转换器比8位转换器所能测量的最小值要小得多。l绝对精度（AbsoluteAccuracy）：实际模拟电压与其理想模拟电压差值的最大值。用最低位（LSB）的倍数来表示，如：+（1/2）LSB或+LSB。分辨率和精度是两个不同的概念。l量化误差（QuantizingError）：有限分辨率A/D转换器的特性曲线与无限分辨率A/D转换器的特性曲线之间的最大偏差。当A/D转换器进行转换时，必须把采样电压化为某个规定的最小数量单位LSB的整数倍，这就是量化。由于模拟电压是连续的，因此，在量化过程中不可避免地会引入误差。P209l线性度（Linearity）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，用多少LSB表示。l量程（满刻度范围-FullScaleRange)指输入模拟电压的变化范围。如：某转换器具有10V的单极性范围或-5V~+5V的双极性范围，则它们的量程都是10V。应当指出，转换器的最大输出值总是比满刻度值小1/2n，n为转换器的位数。如：12位的A/D转换器，其满刻度值为10V，而实际的最大输出值为：10-10×(1/212)=10×4095/4096=9.9976(V)。l建立时间（Settingtime）这是D/A转换器的一个重要的动态参数，当输入数码变化时，模拟输出电压也跟着变化，经过一定时间后新的模拟电压才能稳定下来，这段时间为D/A转换器的建立时间。l转换时间（Conversiontime）A/D转换器完成一次从模拟量的采样到数字量的编码所需的时间。D/A转换器与A/D转换器主要性能指标基本相同。3．DAC0832与单片机的接口技术lDAC0832内部结构DAC0832内部由三部分的电路组成（如图8-4所示）。“8位输入寄存器”、“8位DAC寄存器”、“8位D/A转换电路”由8位T型电阻网络和电子开关组成，l主要特性P215l引脚功能DAC0832共有20条引脚，双列直插式封装。引脚连接和命名如图所示。（1）数字量输入线DI7～DI0（8条）；（2）控制线（5条）；（3）输出线（3条）；（4）电源线（4条）。图8-4DAC0832原理框图该D/A转换器为20引脚双列直插式封装，各引脚含义如下：(1)DI7～DI0——转换数据输入端。(2)CS——片选信号（输入），低电平有效。(3)ILE——数据锁存允许信号（输入），高电平有效。(4)WR1——第一信号（输入），低电平有效。该信号与ILE信号共同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WR1=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1和WR1=1时，为输入寄存器锁存方式。(5)WR2——第2写信号(输入),低电平有效.该信号与信号XFER合在一起控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式:当WR2=0和XFER=0时,为DAC寄存器直通方式;当WR2=1和XFER=0时,为DAC寄存器锁存方式。(6)XFER——数据传送控制信号(输入),低电平有效。(7)Iout1——电流输出“1”。当数据为全“1”时，输出电流最大；为全“0”时输出电流最小。(8)Iout2——电流输出“2”。DAC转换器的特性之一是：Iout1+Iout2=常数。(9)Rfb——反馈电阻端即运算放大器的反馈电阻端，电阻（15KΩ）已固化在芯片中。因为DAC0832是电流输出型D/A转换器，为得到电压的转换输出，使用时需在两个电流输出端接运算放大器，Rfb即为运算放大器的反馈电阻，运算放大器的接法如图8.3所示。(10)Vref——基准电压，是外加高精度电压源，与芯片内的电阻网络相连接，该电压可正可负，范围为-10V～+10V.(11)DGND——数字地(12)AGND——模拟地8.2.2DAC0832工作方式DAC0832利用WR1、WR2、ILE、XFER控制信号可以构成三种不同的工作方式。1)直通方式——WR1=WR2=0时，数据可以从输入端经两个寄存器直接进入D/A转换器。2)单缓冲方式——两个寄存器之一始终处于直通，即WR1=0或WR2=0，另一个寄存器处于受控状态。3)双缓冲方式——两个寄存器均处于受控状态。这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。8.2.3单缓冲方式的接口与应用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（多位DAC寄存器）处于直通方式，而另一个处于受控锁存方式。单缓冲方式连接如图8.3所示。为使DAC寄存器处于直通方式，应使WR2=0和XFER=0。为此可把这两个信号固定接地，或如电路中把WR2与WR1相连，把XFER与CS相连。为使输入寄存器处于受控锁存方式，应把WR1接80C51的WR，ILE接高电平。此外还应把CS接高位地址线或地址译码输出，以便于对输入寄存器进行选择。图8.3DAC0832单缓冲方式接口P216,P1222．单缓冲方式应用举例【例9.1】锯齿波电压发生器在一些控制应用中，需要有一个线性增长的电压（锯齿波）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，其电路连接图如图8.4所示。图8.4用DAC0832产生锯齿波电路图中的DAC0832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，产生锯齿波的程序清单如下：MOVA，#00H2；取下限值MOVDPTR，#7FFFH1；指向0832口地址MM：MOVX@DPTR，A2；启动D/A转换输出INCA1；累加器内容加1（NOP）SJMPMM2；连续输出波形执行上述程序就可得到如图8.5所示的锯齿波。图8.5D/A转换产生的锯齿波几点说明：(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，所以宏观上看就如图中所画的线性增长锯齿波。（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，通过延时的方法来改变波形周期。若要改变锯齿波的频率，可在AJMPMM指令前加入延迟程序即可。延时较短时可用NOP指令实现（本程序就是如此），需要延时较长时，可以使用一个延长子程序。延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。（3）通过A加1，可得到正向的锯齿波，反之A减1可得到负向的锯齿波。（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，可通过计算求的数字量的初值和终值，然后在程序中通过置初值和终值的方法实现。程序执行一次循环需要5个机器周期，若单片机采用12MHZ的晶振，1个机器周期为1μs，则每个阶梯的长度为Δt=5×1μs=5μs，而一个正向阶梯波的总长度为T=255×Δt=1275μs=1.275ms。若满刻度电压为5V，则一个阶梯波的幅度为：ΔV=5/28=5/256=19.5mv。ΔtΔV编写一个锯齿波程序，已知台阶电压ΔV=39mv，要求波形的起始电压2V，终止电压为5V。（51）（128）【例8.2】矩形波电压发生器采用单缓冲方式，口地址设为8000H.参考程序如下：ORG1100HMOVDPTR,#8000H；送DAC0832口地址LOOP:MOVA,#dateH；送高电平数据MOVX@DPTR,ALCALLDELAYH；调用延时子程序MOVA,#dateL；送低电平数据MOVX@DPTR,ALCALLDELAYL；调用延时子程序SJMPLCALL执行上述程序就可得到如图8.5所示的矩形波。图8.5D/A转换产生的矩形波（1）以上程序产生的是矩形波，其低电平的宽度由延时子程序DELAYL所延时的时间来决定，高电平的宽度则由DELAYH所延时的时间决定。（2）改变延时子程序DELAYL和的DELAYH延时时间，就可改变矩形波上下沿的宽度。若DELAYL=DELAYH（两者延时一样），则输出的是方波。（3）改变上限值或下限值便可改变矩形波的幅值；单极性输出时为0～-5V或0～+5V；双极性输出时为-5V～+5V。【例8.3】三角波电压发生器利用DAC0832产生三角波的参考程序如下：几点说明：MOVXDPTR,#8000H；指向0832口地址MOVA,#00H；取下限值Up：MOVX@DPTR,A；启动D/A转换输出(NOP)；延时INCA；转换值增量，上升沿CJNEA,#0FFH,Up；未到峰值，则继续DOWN:MOVX@DPTR,A；已到峰值启动D/ADECA；下降沿(NOP)；延时CJNEA,#0FFH,DOWN；未到谷值，则继续AJMPUp；已到谷值，则重复2.双缓冲方式D/A接口 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 在多路D/A转换的情况下，若要求同步转换输出，必须采用双缓冲方式。DAC0832采用双缓冲方式时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步进行的。第一， CPU分时向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中。第二，CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各路输入寄存器中的数据进入DAC寄存器，实现同步转换输出。图8.6为两片DAC0832与8031的双缓冲方式连接电路，能实现两路同步输出。图8.68031与DAC0832双缓冲方式接口电路３３实现两路D/A同步输出的程序如下：MOVDPTR，#0DFFFH；送0832（1）输入锁存器地址MOVA，#data1；data1送0832（1）输入锁存器MOVX@DPTR，AMOVDPTR，#0BFFFH；送0832（2）输入锁存器地址MOVA，#data2；data2送0832（2）输入锁存器MOVX@DPTR，AMOVDPTR，#7FFFH；送两路DAC寄存器地址MOVX@DPTR，A；两路数据同步启动D/A转换DAC1208实验要求利用DAC0832，编制程序产生锯齿波、三角波、正弦波。三种波轮流显示，用示波器观看。实验电路及连线0用示波器探头接-5V~+5V输出，观察电压波形。８.3A/D转换器及其接口8.3.1A/D转换器分类及接口设计要点8.3.2选择A/D转换器的原则和指南8.3.3８路A/D转换器ADC0809与单片机的接口技术返回本章首页对于一个模拟信号转换成数字信号所要求的基本部件有：Ø     模拟多路转换器与信号调节（调理）电路。Ø     采样/保持电路。（把一个时间连续的信号变换为时间离散的信号，并将采样信号保持一段时间T。Ø     A/D转换器（量化编码电路）。Ø     通道控制电路。A/D转换器分类：A/D转换器８.3.1A/D转换器分类及接口设计要点直接型间接型逐次逼近型A/D转换器并行A/D转换器电压／时间变换型A/D转换器电压／频率变换型A/D转换器A/D转换器接口设计要点：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8.3.2选择A/D转换器的原则和指南P219返回本节典型A/D转换器芯片ADC08098路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100µs左右。一、ADC0809的内部逻辑结构ADC0809的内部逻辑结构图如图８-7所示。主要特性：P2198.3.3８路A/D转换器ADC0809与单片机的接口技术逐次逼近型ADC基本原理图为逐次逼近ADC原理电路框图四位逐次逼近型A/D转换时序图８.7ADC0809内部逻辑结构图８.8ADC0809引脚图　　图中多路开关可选通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，这是一种经济的多路数据采集方法。　　地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。表８-1为通道选择表，图８.9ADC0809的工作时序图表８-1通道选择表图8.9ADC0809的工作时序图图8-9`0809工作时序图二、信号引脚ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图9.8。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7～IN0——模拟量输入通道A、B、C——地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表８-1。ALE——地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START——启动控制输入端，高电平有效，用于启动ADC0809内部的A/D转换过程。START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换，在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST.D7～D0——数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高OE——输出允许控制信号。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，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。CLK——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，对应的转换时间为128μs。EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。Vcc——+5V电源。Vref——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(-)=-5V)。三、ADC0809与MCS-51单片机的接口设计　　ADC0809与MCS-51单片机的连接如图８.10所示。电路连接主要涉及两个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。一是8路模拟信号通道的选择；二是A/D转换完成后转换数据的传送。1.8路模拟通道选择图８.10ADC0809与MCS-51的连接　　如图８.11所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址选择以WR作写选通信号，这一部分电路连接如图８.12所示。图８.11ADC0809的部分信号连接图８.12信号的时间配合从图中可以看到，把ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。图8.19是有关信号的时间配合示意图。启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换：MOVDPTR,#FE00H；送入0809的口地址MOVX@DPTR,A；启动A/D转换（IN0）注意：此处的A与A/D转换无关，可为任意值。2.转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128µs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，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。（2）查询方式A/D转换芯片由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，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。（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。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以RD信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为MOVX读指令，仍以图8-17所示为例，则有MOVDPTR,#FE00HMOVXA,@DPTR该指令在送出有效口地址的同时，发出有效信号RD，使0809的输出允许信号OE有效，从而打开三态门输出，使转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。这里需要说明的是，ADC0809的三个地址端A、B、C既可如前所述与地址线相连，也可与数据线相连，例如与D0～D2相连。这是启动A/D转换的指令与上述类似，只不过A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号IN0～IN7相一致。例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时，启动IN7的A/D转换指令如下：MOVDPTR，#FE00H；送入0809的口地址MOVA，#07H；D2D1D0=111选择IN7通道MOVX@DPTR，A；启动A/D转换A/D转换应用举例1、查询方式图如P223所示。ALE=START=WR+P2.7在锁存通道地址的同时启动A/D转换。在读取A/D转换结果时，OE=RD+P2.7产生的正脉冲信号用于打开三态输出锁存器。EOC信号与单片机的P1.0相连，作为A/D转换是否结束的状态信号供单片机查询。采用查询方式分别对8路模拟信号顺序采样，并依次把A/D转换结果存到数据存储区。采样转换程序如下：ORG100HMAIN:MOVR1,#DATA；设置数据区首址MOVDPTR,#7FF8H；P2.7=0，且指向0通道MOVR7,#08H；置通道数LOOP:MOVX@DPTR,A；启动A/D转换NOPTEST:JNBP1.0,TEST；判断转换是否结束MOVXA,@DPTR；读取转换结果MOV@R1,A；存储数据INCDPTR；指向下一个通道INCR1；修改数据区指针DJNZR7,LOOP；8个通道采样完否？实验内容一、实验要求利用实验板上的ADC0809做A/D转换器，实验板上的电位器提供模拟量输入，编制程序，将模拟量转换成二进制数字量，用8255的PA口输出到发光二极管显示。同学可以试试编程用中断方式读回A/D结果.连线说明modeequ082h;方式0，PA，PC输出，PB输入CS0809equ8000hPortAequ9000h;PortAPortBequ9001h;PortBPortCequ9002h;PortCCAddrequ9003h;控制字地址org0movdptr,#Caddr；置8255工作方式mova,#modemovx@dptr,amovdptr,#CS0809mova,#0；0通道movx@dptr,a;起动A/Dmova,#40hdjnzACC,$;延时>100usmovxa,@dptr;读入结果movr7,#100dly:；将A/D转换结果通过8255PA口送LED显示movdptr,#PortAmovx@dptr,adjnzr7,dly;延时ljmp0End40h=64,64×2+1=1292、延时方式图7.138255工作方式控制字AB设有一个8路模拟量输入的巡回监测系统，采样数据依次存放在外部RAM0A0H～0A7H单元中,按图8.10所示的接口电路，ADC0809的8个通道地址为0FEF8H～0FEFFH.其数据采样的初始化程序和中断服务程序（假定只采样一次）如下：初始化程序：MOVR0,#0A0H；数据存储区首地址MOVR2,#08H；8路计数器SETBIT1；边沿触发方式SETBEA；中断允许SETBEX1；允许外部中断1中断 MOVDPTR,#0FEF8H；A/D转换器地址LOOP:MOVX@DPTR,A；启动A/D转换HERE:SJMPHERE；等待中断3、中断方式中断服务程序：DJNZR2,ADENDMOVXA,@DPTR；数据采样MOVX@R0,A；存数INCDPTR；指向下一模拟通道INCR0；指向数据存储器下一单元MOVX@DPTR,A ADEND:RETI  P225，12位转换器ADC1210与单片机的接口技术输入口扩展简单输入口扩展使用的集成芯片，比较典型的如74LS244芯片。图7.1为74LS244芯片的引脚。74LS244是8位三态门，当/CS1、/CS2均为低电平时，允许输入数据；否则，为高阻态。START:低电平有效。EOC:转换结束信号。（低电平有效）D0~D11:12位数据输出。通常有三种接法：（1）VREF=+5V~+15V输入模拟电压范围为0~VREF输出的二进制码为反码，在编程时，应取反后还原成原码。（2）（3）ADC1210的输出没有三态数据锁存器，必须外加锁存电路。P1.0接OE,用于查询转换是否结束。低8位地址：1111，1101，1111，1111B即0FDFFH高8位地址：1111，1110，1111，1111B即0FEFFHMOVR0,#50H；置数据暂存区首址SETBP1.1CLRP1.1NOPSETBP1.1；启动A/D转换WAIT:JBP1.0,WAIT；判断转换是否结束MOVDPTR,#0FDFFHMOVXA,@DPTR；读低8位转换结果CPLA；将反码取反为二进制码MOV@R0,A；存低8位转换结果INCR0MOVDPTR,#0FEFFHMOVXA,@DPTR；读高8位转换结果CPLA；将反码取反为二进制码ANLA,#0FH；去掉高4位MOV@R0,A；存A/D转换结果高4位8.3.2双积分型A/D转换器工作原理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。积分式ADC：如MC14433图8-13双积分ADC电路原理图图8-14各点输出波形2．MC14433与MCS-51单片机的接口图8-15MC14433与8031直接连接的接口方法THANKYOUVERYMUCH！本章到此结束，谢谢！结束放映返回本章首页