第11章89C51单片机与DA、AD转换器的接口

单片机与D/A、A/D转换器的接口单片机用于智能仪表和测控系统时，要与各种各样的外界信号打交道：单片机的驱动控制设备{模拟设备:电动调节阀、模拟记录仪数字设备:数字显示仪表、继电器触点由于单片机的输入和输出信号只能是数字量，因此在由单片机构成的测控系统中经常要用到模/数转换和数/模转换接口。{模拟信号：如被控对象的温度、压力等开关信号:如指拨开关和按键开关单片机的输入信号图单片机和被控对象间的接口示意图【例】电梯载荷监测提示系统。载荷监测提示系统利用A/D转换器将采集到的模拟的重量值转换成相应的数字量，由单片机完成对重量值的分析比较，得出超载或不超载的结果，并在超载时发出控制信号，启动声音提示模块发出超载提示。一、单片机与DAC的接口D/A转换器概述典型芯片DAC0832DAC0832的应用与AD667接口设计1、D/A转换器概述单片机控制对象D/A转换将数字量转换为模拟量，以便操纵控制对象。*D/A转换器的输出形式;*内部是否带有锁存器。使用D/A转换器时，要注意区分:D/A转换器集成电路芯片种类很多:按输入的二进制数的位数分类，有八位、十位、十二位和十六位等。按输出是电流还是电压分类，分为电压输出器件和电流输出器件。D/A转换器的主要指标分辨率输入给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。建立时间也称稳定时间，它是指从数字量输入到建立稳定的输出电流的时间，是描述D/A转换速率的一个重要参数精度理想情况，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,精度与分辨率并不完全一致。当送一个确定的数字量给DAC后，它的实际输出值与该数值应产生的理想输出值之间会有一定的误差，它就是D/A转换器的精度。引脚：2、典型芯片-DAC0832介绍主要特性：•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）；•低功耗，20mW•DI7～DI0：8位的数据输入端，DI7为最高位。•CS：片选端•AGND：模拟信号地•DGND：数字信号地。•Vcc：电源输入端，可在+5V～+15V范围内。•VREF：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10～-10)V。•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。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。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。XFER：数据传送控制。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。逻辑结构CS=0,ILE=1,WR1=0时，打开该寄存器WFER=0,WR2=0,打开该寄存器(1)单缓冲方式DAC0832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。在不要求多路输出同步的情况下，可采用单缓冲方式。3、DAC0832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ORG0000HSTART:MOVR0，#0FEH；DAC地址MOVA，#00H；数字量LOOP:MOVX@R0，A；数字量→D/A转换器INCA；数字量逐次加SJMPLOOP1/282/283/28254/28255/280产生的锯齿波的过程②三角波的产生ORG0000HSTART: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（2）双缓冲方式输入寄存器和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。多路同步输出，必须采用双缓冲同步方式。1#DAC0832占有两个端口地址FDH和FBH。2#DAC0832的两个端口地址为FEH和FBH例11-2设AT89C51单片机内部RAM中有两个长度为20的数据块，其起始地址为分别为addr1和addr2，请根据图11-7所示，编写能把addr1和addrr2中数据从1#和2#DAC0832同步输出的程序。程序中addr1和addr2中的数据，即为绘图仪所绘制曲线的x、y坐标点。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。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R1MOVR0,#0FBH；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END4、DAC0832的单、双极性的电压输出（1）DAC用作单极性电压输出（2）DAC用作双极性电压输出REFo(128)128VvB5、与AD667接口设计AD667是分辨率为12位的电压输出型D/A转换器，建立时间≤3s（至0.01%）。输入方式:双缓冲输入；输出方式:电压输出，通过硬件编程可输出+5V，+10V，±2.5V，±5V和±10V；内含高稳定的基准电压源,可方便地与4位、8位或16位微处理器接口；双电源工作电压:±12V～±15V。二、A/D转换器接口A/D转换器的概述典型芯片ADC0809ADC0809的应用与AD1674的接口设计与MC14433的接口设计1、A/D转换器的概述将模拟量转换为数字量，以便计算机接收处理传感器单片机A/D转换A/D转换器的分类A/D转换器的主要技术指标(1)转换时间和转换速率完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。双积分ADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间；逐次比较型ADC的转换时间大都在10～50μs之间；并行比较型ADC的转换时间可达10ns。(2)分辨率数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻与2n的比值。例如，输入模拟电压满量程为10V，若用8位ADC转换时，其分辨率为10V/28＝39mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC为2.44mV。（3）量化误差ADC把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量化。量化误差是ADC的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。数字输出模拟电压输入0000010020030040050060071LSB数字输出模拟电压输入0000010020030040050060071/2LSB（4）转换精度定义为一个实际ADC与一个理想ADC在量化值上的差值。可用绝对误差或相对误差表示。A/D转换器的选择（1）A/D转换器位数的确定系统总精度涉及的环节较多：传感器变换精度、信号预处理电路精度和A/D转换器及输出电路、控制机构精度，还包括软件控制算法。A/D转换器的位数至少要比系统总精度要求的最低分辨率高1位，位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，太高无意义，且价高。8位以下：低分辨率，9～12位：中分辨率，13位以上：高分辨率。（2）A/D转换器转换速率的确定从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是A/D转换器的转换时间。低速：转换时间从几ms到几十ms。中速：逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几s～100s左右。高速：转换时间仅20～100ns。（3）是否加采样保持器直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他情况都要加采样保持器。（4）工作电压和基准电压选择使用单一+5V工作电压的芯片，与单片机系统共用一个电源就比较方便。在要求较高精度时，基准电压要单独用高精度稳压电源供给。2、典型芯片—ADC0809介绍ADC0809是一个8位8通道的AD转换器。ADC0809功能分析CLK：时钟信号，可由单片机ALE信号分频得到。转换有以下几步：1.ALE信号上升沿有效，锁存地址并选中相应通道。2.ST信号有效，开始转换。A/D转换期间ST为低电平。3.EOC信号输出高电平，表示转换结束。4.OE信号有效，允许输出转换结果。3、ADC0809的应用写信号、P2.0有效时，启动AD转换。转换结束后，输出高电平，向CPU发出中断请求读信号、P2.0有效时，允许输出AD转换结果。转换时钟由ALE分频得到。803174LS373ADC0809÷2CLKD0-D7≥1≥1111GEOCSTALEOERDP2.0WRINT1ALEP0A0-A7A0A1A2ABCVR(+)VR(-)+5VGNDIN0IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1转换结果由此输出通道选择表选择的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7CBA8031A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00809×××××××ST×××××CBA×××××××0×××××000……×××××××0×××××111（1）首先分析各个通道的地址。(IN0到IN7的地址为0000H到0007H）（2）编程：可采用中断、查询两种方式。中断方式：ORG0000H；主程序入口地址AJMPMAIN；跳转主程序ORGOO13H；中断入口地址AJMPINT1；跳转中断服务程序MAIN：SETBIT1；边沿触发SETBEA；开中断SETBEX1；允许中断MOVDPTR，#0007H；指向0809IN7通道地址MOVX@DPTR,A；启动A/D转换SJMP$；等待中断INT1:MOVXA,@DPTR；读A/D转换结果MOVB,A；存数RETI；返回查询方式：ORG0000H；主程序入口地址AJMPMAIN；跳转主程序ORG1000H；中断入口地址MAIN：MOVDPTR，#0007H；指向0809IN7通道地址MOVX@DPTR,A；启动A/D转换L1:JBP3.3L1;查询MOVXA,@DPTR；读A/D转换结果MOVB,A；存数SJMP$4、与AD1674的接口设计12位逐次比较型。转换时间为10s，带有采样保持器，可直接与各种典型的8位或16位的单片机相连片内集成又高精度的参考电压源和时钟电路，不需外加任何电路和时钟信号的情况下完成AD转换，使用方便5、与MC14433的接口设计双积分型由于两次积分时间比较长，所以转换速度慢，但精度可以做得比较高；对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也较好。常用的有3½位双积分A/D转换器MC14433（精度相当于11位二进制数）和4½位双积分A/D转换器ICL7135（精度相当于14位二进制数）。MC14433被转换电压量程为199.9mV或1.999VMC14433A/D转换器引脚R1：积分电阻输入端C1：积分电容输入端R1/C1