哈工大单片机张毅刚课件-第11章

第11章MCS-51与D/A转换器、A/D转换器的接口非电物理量（温度、压力、流量、速度等），须经传感器转换成模拟电信号（电压或电流），必须转换成数字量，才能在单片机中处理。A/D转换器（ADC）：模拟量→数字量的器件，D/A转换器（DAC）：数字量→模拟量的器件。数字量，也常常需要转换为模拟信号。只需合理选用商品化的大规模ADC、DAC芯片，了解引脚及功能以及与单片机的接口设计。11.1MCS-51与DAC的接口11.1.1D/A转换器概述1.概述输入：数字量，输出：模拟量。转换过程：送到DAC的各位二进制数按其权的大小转换为相应的模拟分量，再把各模拟分量叠加，其和就是D/A转换的结果。使用D/A转换器时，要注意区分:*D/A转换器的输出形式;*内部是否带有锁存器。(1)输出形式两种输出形式:电压输出形式与电流输出形式。电流输出的D/A转换器，如需模拟电压输出，可在其输出端加一个I-V转换电路。（2）D/A转换器内部是否带有锁存器D/A转换需要一定时间，这段时间内输入端的数字量应稳定，为此应在数字量输入端的前设置锁存器，以提供数据锁存功能。根据芯片内是否带有锁存器，可分为内部无锁存器的和内部有锁存器的两类。*内部无锁存器的D/A转换器可与P1、P2口直接相接（因P1口和P2口的输出有锁存功能）。但与P0口相接，需增加锁存器。*内部带有锁存器的D/A转换器内部不但有锁存器，还包括地址译码电路，有的还有双重或多重的数据缓冲电路，可与MCS-51的P0口直接相接。2.主要技术指标(1)分辨率输入给DAC的单位数字量变化引起的模拟量输出的变化，通常定义为输出满刻度值与2n之比。显然，二进制位数越多，分辨率越高。例如，若满量程为10V，根据定义则分辨率为10V/2n。设8位D/A转换，即n=8，分辨率为10V/2n=39.1mV，该值占满量程的0.391%，用符号1LSB表示。同理：10位D/A：1LSB=9.77mV=0.1%满量程12位D/A：1LSB=2.44mV=0.024%满量程根据对DAC分辨率的需要,来选定DAC的位数。(2)建立时间描述DAC转换快慢的参数,表明转换速度。定义：为从输入数字量到输出达到终值误差(1/2)LSB(最低有效位)时所需的时间。电流输出时间较短，电压输出的，加上完成I-V转换的时间，因此建立时间要长一些。快速DAC可达1s以下。(3）精度理想情况，精度与分辨率基本一致，位数越多精度越高。但由于电源电压、参考电压、电阻等各种因素存在着误差。严格讲精度与分辨率并不完全一致。位数相同，分辨率则相同，但相同位数的不同转换器精度会有所不同。例如，某型号的8位DAC精度为0.19%，另一型号的8位DAC精度为0.05%。11.1.2MCS-51与8位DAC0832的接口1.DAC0832芯片介绍(1)DAC0832的特性美国国家半导体公司产品，具有两个输入数据寄存器的8位DAC,能直接与MCS-51单片机相连。主要特性如下：*分辨率为8位；*电流输出，稳定时间为1s；*可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入；*单一电源供电（+5～+15V）；（2）DAC0832的引脚及逻辑结构引脚：DAC0832的逻辑结构如下：引脚功能：DI0～DI7：8位数字信号输入端CS*：片选端。ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效。WR1*：输入寄存器写选通控制端。当CS*=0、ILE=1、WR1*=0时，数据信号被锁存在输入寄存器中。XFER*：数据传送控制。WR2*：DAC寄存器写选通控制端。当XFER*=0，WR2*=0时，输入寄存器状态传入DAC寄存器中。IOUT1：电流输出1端，输入数字量全“1”时，IOUT1最大，输入数字量全为“0”时，IOUT1最小。IOUT2：D/A转换器电流输出2端，IOUT2+IOUT1=常数。Rfb：外部反馈信号输入端，内部已有反馈电阻Rfb，根据需要也可外接反馈电阻。Vcc：电源输入端，可在+5V~+15V范围内。DGND：数字信号地。AGND：模拟信号地。“8位输入寄存器”用于存放CPU送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由LE1*控制；“8位DAC寄存器”存放待转换的数字量，由LE2*控制；“8位D/A转换电路”由T型电阻网络和电子开关组成，T型电阻网络输出和数字量成正比的模拟电流。2.DAC的应用接口与DAC的具体应用有关。(1)单极性电压输出单极性模拟电压输出，可采用图11-5或图11-9所示接线。输出电压Vout与输入数字量B的关系:Vout=－B*（VREF/256）式中，B=b7·27+b6·26+……+b1·21+b0·20；VREF/256为一常数。B为0时，Vout也为0，输入数字量为255时，Vout为最大值，输出电压为单极性。（2）双极性电压输出双极性电压输出，采用图11-3接线：Vout=（B－128）*（VREF/128）由上式，在选用+VREF时，（1）若输入数字量b7＝1，则Vout为正；（2）若输入数字量b7＝0，则Vout为负。在选用-VREF时，Vout与+VREF时极性相反。（3）DAC用作程控放大器DAC还可作程控放大器，见图11-4。DAC的输出和输入之间的关系:Vout=-(Vin/B）*256256/B看作放大倍数。但输入数字量B不得为“0”。3.MCS-51与DAC0832的接口电路(1)单缓冲方式DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽是多路模拟量输出但并不要求多路输出同步的情况下，可采用单缓冲方式。单缓冲方式的接口如图11-5:由图，WR2*和XFER*接地，故DAC0832的“8位DAC寄存器”（图11-2）处于直通方式。“8位输入寄存器”受CS*和WR1*端控制，且由译码器输出端FEH送来（也可由P2口的某一根口线来控制）。因此，8031执行如下两条指令就可在WR1*和CS*上产生低电平信号，使0832接收8031送来的数字量。MOVR0，#0FEH；DAC地址FEH→R0MOVX@R0，A；WR*和译码器FEH输出端有效现举例说明DAC0832单缓冲方式的应用。例11-1DAC0832用作波形发生器。分别写出产生锯齿波、三角波和矩形波的程序。(1)锯齿波的产生ORG2000HSTART:MOVR0，#0FEH；DAC地址FEH→R0MOVA，#00H；数字量→ALOOP:MOVX@R0，A；数字量→D/A转换器INCA；数字量逐次加1SJMPLOOP输入数字量从0开始，逐次加1，为FFH时，加1则清0，模拟输出又为0，然后又循环，输出锯齿波，如图11-6。每一上升斜边分256个小台阶，每个小台阶暂留时间为执行后三条指令所需要的时间。(2)三角波的产生ORG2000HSTART:MOVR0，#0FEHMOVA，#00HUP:MOVX@R0，A；三角波上升边INCAJNZUPDOWN:DECA；A=0时再减1又为FFHMOVX@R0，AJNZDOWN；三角波下降边SJMPUP(3)矩形波的产生ORG2000HSTART:MOVR0，#0FEHLOOP:MOVA，#data1MOVX@R0，A；置矩形波上限电平LCALLDELAY1；调用高电平延时程序MOVA，#data2MOVX@R0，A；置矩形波下限电平LCALLDELAY2；调用低电平延时程序SJMPLOOP；重复进行下一个周期DELAY1、DELAY2为两个延时程序，决定矩形波高、低电平时的持续时间。频率也可采用延时长短来改变。（2）双缓冲方式多路同步输出，必须采用双缓冲同步方式。接口电路如图11-9：1#DAC0832因和译码器FDH相连，占有两个端口地址FDH和FFH。2#DAC0832的两个端口地址为FEH和FFH。其中，FDH和FEH分别为1#和2#DAC0832的数字量输入控制端口地址，而FFH为启动D/A转换的端口地址。图11-9中DAC输出的VX和VY信号要同步，控制X-Y绘图仪绘制的曲线光滑，否则绘制的曲线是阶梯状。控制程序如下：例11-2内部RAM中两个长度为20的数据块，起始地址为分别为addr1和addr2，编写能把addr1和addrr2中数据从1#和2#DAC0832同步输出的程序。addr1和addr2中的数据，为绘制曲线的X、Y坐标点。DAC0832各端口地址：FDH:1#DAC0832数字量输入控制端口FEH:2#DAC0832数字量输入控制端口FFH:1#和2#DAC0832启动D/A转换端口工作寄存器0区的R1指向addr1；1区的R1指向addr2；0区的R2存放数据块长度；0区和1区的R0指向DAC端口地址。程序为：ORG2000Haddr1DATA20H；定义存储单元addr2DATA40H；定义存储单元DTOUT:MOVR1，#addr1；0区R1指向addr1MOVR2，#20；数据块长度送0区R2SETBRS0；切换到工作寄存器1区MOVR1，#addr2；1区R1指向addr2CLRRS0；返回0区NEXT:MOVR0，#0FDH；0区R0指向1#DAC0832数；字量控制端口MOVA，@R1；addr1中数据送AMOVX@RO，A；addr1中数据送1#DAC0832INCR1；修改addr1指针0区R1SETBRS0；转1区。MOVR0，#0FEH；1区R0指向2#DAC0832数字量；控制端口MOVA，@R1；addr2中数据送AMOVX@R0，A；addr2中数据送2#DAC0832INCR1；修改addr2指针1区R1INCR0；1区R0指向DAC的启动D/A转换端口MOVX@R0，A；启动DAC进行转换CLRRS0；返回0区DJNZR2，NEXT；若未完，则跳NEXTLJMPDTOUT；若送完，则循环END11.1.3MCS-51与12位DAC1208的接口8位DAC分辨率不够，可采用12位DAC。常用的有DAC1208系列与DAC1230系列。1.DAC1208系列的结构引脚及特性双缓冲结构。不是用一个12位锁存器，而是用一个8位锁存器和一个4位锁存器，以便和8位数据线相连。引脚功能：CS*：片选信号。WR1*：写信号，低电平有效BYTE1/BYTE2*：字节顺序控制信号。1：开启8位和4位两个锁存器，将12位全部打入锁存器。0：仅开启4位输入锁存器。XFER*：传送控制信号，与WR2*信号结合，将输入锁存器中的12位数据送至DAC寄存器。WR2*：辅助写。该信号与XFER*信号相结合，当同为低电平时，把锁存器中数据打入DAC寄存器。当为高电平时，DAC寄存器中的数据被锁存起来。DI0-DI11:12位数据输入。IOUT1：D/A转换电流输出1。当DAC寄存器全1时，输出电流最大，全0时输出为0IOUT2：D/A转换电流输出2。IOUT1+IOUT2=常数RFB：反馈电阻输入VREF：参考电压输入VCC：电源电压DGND、AGND：数字地和模拟地主要特性：（1）输出电流稳定时间：1s；（2）基准电压：VREF=-10~+10V；（3）单工作电源：+5~+15V；（4）低功耗：20mW。2.接口电路设计及软件编程(1)接口电路设计8031与DAC1208转换器的接口如图11-11。高8位输入寄存器端口地址：4001H;低4位寄存器端口地址：4000H;DAC寄存器的端口地址：6000H。由于8031的P0.0分时复用，所以用P0.0与DAC1208的BYTE1/BYTE2*相连时，要有锁存器74LS377。外接AD581做10V基准电压源。模拟电压输出接为双极性。采用双缓冲方式。先送高8位数据DI11~DI4,再送入低4位数据DI3~DI0，而不能按相反的顺序传送。如先送低4位后送高8位，结果会不正确。在12位数据分别正确地进入两个输入寄存器后,再打开DAC寄存器。单缓冲方式不合适，在12位数据不是一次送入的情况下，边传送边转换，会使输出产生错误的瞬间毛刺。图中DAC1208的电流输出端外接两个运放LF3