MCS-51與DA轉(zhuǎn)換器 AD轉(zhuǎn)換器的接口

1、第11章 MCS-51與D/A轉(zhuǎn)換器、 A/D轉(zhuǎn)換器的接口MCS-51與ADC的接口A/D轉(zhuǎn)換器概述MCS-51與ADC 0809（逐次比較型）的接口MCS-51與AD574（逐次比較型）的接口MCS-51與A/D轉(zhuǎn)換器MC14433（雙積分型）的接口11.2 MCS-51與ADC的接口11.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器概述A/D轉(zhuǎn)換器的分類 目前使用較廣泛的有：逐次比較式轉(zhuǎn)換器、雙積分式轉(zhuǎn)換器、-式轉(zhuǎn)換器和V/F轉(zhuǎn)換器。 逐次比較型:精度、速度和價(jià)格都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。 雙積分型:精度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉,但轉(zhuǎn)換速度慢，得到廣泛應(yīng)用。 -型:具有積分式與逐次比較式ADC的雙重優(yōu)點(diǎn)。

2、對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的串模干擾具有較強(qiáng)的抑制能力，不亞于雙積分ADC，但比雙積分ADC的轉(zhuǎn)換速度快，與逐次比較式ADC相比，有較高的信噪比，分辨率高，線性度好不需采樣保持電路。因此，-型得到重視。 V/F轉(zhuǎn)換型:適于轉(zhuǎn)換速度要求不太高，遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸。2. A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。(2) 分辨率 用輸出二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。例如AD574，二進(jìn)制12位，即用212個(gè)數(shù)進(jìn)行量化，分辨為1LSB，百分?jǐn)?shù)表示1/212=0.24。 又如雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器MC14433, 分辨率為三位半。若滿字位為1999，其分辨率為1/199

3、9=0.05%。 (3)轉(zhuǎn)換精度 定義為一個(gè)實(shí)際ADC與一個(gè)理想ADC在量化值上的差值?？捎媒^對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示。43. A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 按輸出代碼的有效位數(shù)分:8位、10位、12位等。 按轉(zhuǎn)換速度分為超高速（1ns）、高速（1s）中速（1ms）、低速（1s）等。 為適應(yīng)系統(tǒng)集成需要，將多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、時(shí)鐘電路、基準(zhǔn)電壓源、二/十進(jìn)制譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，為用戶提供方便。（1）A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定 系統(tǒng)總精度涉及的環(huán)節(jié)較多：傳感器變換精度、信號(hào)預(yù)處理電路精度和A/D轉(zhuǎn)換器及輸出電路、控制機(jī)構(gòu)精度，還包括軟件控制算法。 A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比系統(tǒng)總精度要求的最低分辨率高1位

4、，位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所能達(dá)到的精度相適應(yīng)。只要不低于它們就行，太高無意義，且價(jià)高。 8位以下：低分辨率，912位：中分辨率，13位以上：高分辨率。（2）A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的確定 從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時(shí)間，這就是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。低速：轉(zhuǎn)換時(shí)間從幾ms到幾十ms 。中速：逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間可從幾s 100s左右。高速：轉(zhuǎn)換時(shí)間僅20100ns。適用于雷達(dá)、數(shù)字通訊、 實(shí)時(shí)光譜分析、實(shí)時(shí)瞬態(tài)紀(jì)錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)等。 如用轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s的集成A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速率為10千次/秒。根據(jù)采樣定理和實(shí)際需要，一個(gè)周期的波形需采10個(gè)點(diǎn)，最高也只

5、能處理1kHz的信號(hào)。把轉(zhuǎn)換時(shí)間減小到10s，信號(hào)頻率可提高到10kHz。（3）是否加采樣保持器 直流和變化非常緩慢的信號(hào)可不用采樣保持器。其他情況都要加采樣保持器。 根據(jù)分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、信號(hào)帶寬關(guān)系，是否要加采樣保持器：如果是8位ADC, 轉(zhuǎn)換時(shí)間100ms,無采樣保持器，信號(hào)的允許頻率是；如果是12位ADC，該頻率為。如果轉(zhuǎn)換時(shí)間是100s，ADC是8位時(shí)，該頻率為12Hz，12位時(shí)是。（4）工作電壓和基準(zhǔn)電壓 選擇使用單一+5V工作電壓的芯片，與單片機(jī)系統(tǒng)共用一個(gè)電源就比較方便。在要求較高精度時(shí)，基準(zhǔn)電壓要單獨(dú)用高精度穩(wěn)壓電源供給。1、逐次逼近式ADC的轉(zhuǎn)換原理11.2.2 MCS-5

6、1與ADC 0809（逐次比較型）的接口CLK逐次比較式8路模擬輸入、8位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。2、ADC0809的引腳、參數(shù)及接口(1)IN0IN7：8路模擬信號(hào)輸入端。(2) D0D7：8位數(shù)字量輸出端。(3) C 、B 、A：控制8路模擬通道的切換(5) OE、START、CLK：控制信號(hào)端， OE為輸出允許端，START為啟動(dòng)信號(hào)輸入端，CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端。(4) VR(+)和VR(-)：參考電壓輸入端。ADC0808的引腳主要性能為：分辨率為位；精度：ADC0809小于1LSB（ADC0808小于1/2LSB）；單+5V供電，模擬輸入電壓范圍為05V；具有鎖存控制的路輸入模擬開關(guān)；

7、可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL電平兼容；功耗為15mW；不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整；轉(zhuǎn)換速度取決于芯片外接的時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率范圍：101280KHz。典型值為時(shí)鐘頻率640KHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100S。ADC0809的時(shí)序圖查詢、中斷？MCS-51與ADC0809的接口 首先用指令選擇0809的一個(gè)模擬輸入通道，當(dāng)執(zhí)行MOVX DPTR，A時(shí)，單片機(jī)的WR*信號(hào)有效，產(chǎn)生一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)給0809的START腳，對(duì)選中通道轉(zhuǎn)換。 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，0809發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC信號(hào)，該信號(hào)可供查詢，也可向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求;當(dāng)執(zhí)行指令：MOVX A，DPTR，單片機(jī)發(fā)出RD*信號(hào),加到OE端高電平，把轉(zhuǎn)換完畢的

8、數(shù)字量讀到A中。(1)查詢方式見例1(2)中斷方式見例2 將圖11-16中EOC腳經(jīng)一非門連接到8031的INT1*腳即可。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC發(fā)出一個(gè)脈沖向單片機(jī)提出中斷申請(qǐng)，單片機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求，在中斷服務(wù)程序讀A/D結(jié)果，并啟動(dòng)0809的下一次轉(zhuǎn)換，外中斷1采用跳沿觸發(fā)。MAIN：MOV R1，#DATA ；置數(shù)據(jù)區(qū)首地址 MOV DPTR，#7FF8H；指向通道 MOV R7，#08H；置通道數(shù)LOOP：MOVX DPTR，A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換HER： ，HER ；查詢A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束 MOVX A，DPTR；讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV R1，A；存儲(chǔ)數(shù)據(jù) INC DPTR；指向下一個(gè)通道 I

9、NC R1 ；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針 DJNZ R7，LOOP ；個(gè)通道轉(zhuǎn)換完否？ 例1：對(duì)路模擬信號(hào)輪流采樣一次，并依次把轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到片內(nèi)RAM以DATA為起始地址的連續(xù)單元中。INIT1: SETB IT1 ；外部中斷1初始化編程SETB EA ；CPU開中斷SETBEX1 ；選擇外中斷為跳沿觸發(fā)方式MOVDPTR，#7FF8H；端口地址送DPTRMOVA，#00H ;MOVXDPTR，A；啟動(dòng)0809對(duì)IN0通道轉(zhuǎn)換SJMP $ ；完成其他的工作中斷服務(wù)程序:PINT1: MOV DPTR，#7FF8H ；A/D結(jié)果送內(nèi)部RAM單元 MOVX A，DPTR MOV 30H，AMOVA，#00H

10、；啟動(dòng)0809對(duì)IN0的轉(zhuǎn)換MOVXDPTR，A;RETI主程序：例2：1.主要性能為：逐次逼近ADC，可選擇工作于12位，也可工作于8位。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)有兩種讀出方式：12位一次讀出；位、位兩次讀出。具有可控三態(tài)輸出緩沖器，邏輯電平為TTL電平。非線性誤差：AD574AJ為1LSB，AD574AK為1/2LSB。轉(zhuǎn)換時(shí)間：最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為25S（屬中檔速度）。輸入模擬信號(hào)，單極性時(shí)，范圍為0V10V和0V20V，從不同引腳輸入。雙極性輸入時(shí)，范圍為0V5V和0V10V，從不同引腳輸入。11.2.3 MCS-51與AD574（逐次比較型）的接口需三組電源：5V、VCC（12V15V）、VEE（12

11、V15V）。由于轉(zhuǎn)換精度高，所提供電源必須有良好的穩(wěn)定性，并進(jìn)行充分濾波，以防止高頻噪聲的干擾。低功耗：典型功耗為390mW。輸出碼制：單極性輸入時(shí)，輸出數(shù)字量為原碼，雙極性輸入時(shí)，輸出為偏移二進(jìn)制碼。具有的高精度內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，只需外接一只適當(dāng)阻值的電阻，便可向DAC部分的解碼網(wǎng)絡(luò)提供參考輸入。內(nèi)部具有時(shí)鐘產(chǎn)生電路，不須外部接線。AD574A的單極性和雙極性輸入 單極性輸入 雙極性輸入 引腳的功能如下：CS*：片選信號(hào)端。CE： 片啟動(dòng)信號(hào)。R/C*：讀出/轉(zhuǎn)換控制信號(hào)。STS：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)引腳。 轉(zhuǎn)換完成時(shí)為低電平。可作為狀態(tài)信息被CPU查詢，也可用它的下跳沿向CPU發(fā)出中斷申請(qǐng)，通知A/

12、D轉(zhuǎn)換已完成，可讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。12/8*：數(shù)據(jù)輸出格式選擇。 1: 12條數(shù)據(jù)線同時(shí)輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果， 0: 轉(zhuǎn)換結(jié)果為兩個(gè)單字節(jié)輸出，即只有高8位或低4位有效。A0：字節(jié)選擇控制線。分為轉(zhuǎn)換期間、讀出期間在轉(zhuǎn)換期間: 0: 進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換時(shí)間為25s）； 1: 進(jìn)行8位轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換時(shí)間為16s） 。在讀出期間：結(jié)果的高8位結(jié)果的低4位+4位尾0 0:高8位數(shù)據(jù)有效； 1:低4位數(shù)據(jù)有效，中間4位為“0” ，高4位為三態(tài)。 因此當(dāng)兩次讀出12位數(shù)據(jù)時(shí)，12位數(shù)據(jù)遵循左對(duì)齊原則，如下所示：CECS*R/C*12/8*A0操 作0X11111X100000XX00111XXXX+5V地地XX01X

13、01無操作無操作初始化為12位轉(zhuǎn)換初始化為8位轉(zhuǎn)換允許12位并行輸出允許高8位輸出允許低4位+4位尾0輸出表11-1 AD574控制真值表 注意：12/8*端與TTL電平不兼容，故只能直接接+5V或地。另外A0在數(shù)據(jù)輸出期間不能變化。轉(zhuǎn)換或輸出2. AD574的工作特性 工作狀態(tài)由CE、CS*、R/C*、12/8*、A0五個(gè)控制信號(hào)決定，當(dāng)CE=1，CS*=0同時(shí)滿足,才處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)。 AD574處于工作狀態(tài)時(shí)，R/C*=0,啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；R/C*=1為數(shù)據(jù)讀出。12/8*和A0端用來控制轉(zhuǎn)換字長和數(shù)據(jù)格式。A0=0按12位轉(zhuǎn)換方式啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；A0=1按8位轉(zhuǎn)換方式啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 當(dāng)AD574處于

14、數(shù)據(jù)讀出（R/C*=1）狀態(tài)時(shí)，A0和12/8*成為數(shù)據(jù)輸出格式控制端。12/8*=1對(duì)應(yīng)12位并行輸出；12/8*=0對(duì)應(yīng)8位的雙字節(jié)輸出。其中A0=0時(shí)輸出高8位。A0=1時(shí)輸出低4位，并以4個(gè)0補(bǔ)足尾隨的4位。雙極性輸入查詢接法？單極性輸入查詢或中斷AD574A的轉(zhuǎn)換程序段如下：AD574A：MOV DPTR，#0FFF8H ；送端口地址入DPTR MOVX DPTR，A ；啟動(dòng)AD574A SETB P1.0 ；置為輸入方式 LOOP：，LOOP ；檢測(cè)口 INC DPTR ；使 為1 MOVX A，DPTR ；讀取高8位數(shù)據(jù) MOV 41H，A ；高8位內(nèi)容存入41H單元 INC D

15、PTR ；使 、A0均為1 INC DPTR ； MOVX A，DPTR ；讀取低4位 MOV 40H ，A ；將低4位內(nèi)容存入40H單元 . . 上述程序是按查詢方式設(shè)計(jì)，也可按中斷方式設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序。 雙積分式ADC的轉(zhuǎn)換原理(數(shù)電P487)11.2.4 MCS-51與A/D轉(zhuǎn)換器MC14433（雙積分型） 的接口 雙積分型由于兩次積分時(shí)間比較長，所以轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對(duì)周期變化的干擾信號(hào)積分為零，抗干擾性能也較好。的介紹模擬電路部分有基準(zhǔn)電壓、模擬電壓輸入部分。被轉(zhuǎn)換的模擬電壓輸入量程為或，與之對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓相應(yīng)為200mV或2V兩種。數(shù)字電路部分由邏輯控制、BCD碼及

16、輸出鎖存器、多路開關(guān)、時(shí)鐘以及極性判別、溢出檢測(cè)等電路組成。MC14433采用字位動(dòng)態(tài)掃描BCD碼輸出方式，即千、百、十、個(gè)位BCD碼輪流地在Q0Q3端輸出，同時(shí)在DS1DS4端出現(xiàn)同步字位選通信號(hào)。主要的外接器件是時(shí)鐘振蕩器外接電阻RC、外接失調(diào)補(bǔ)償電容C0和外接積分阻容元件R1、C1。 （1）電源及共地端VDD：主工作電源+5V。VEE：模擬部分的負(fù)電源端 接-5V。VAG：模擬地端。VSS： 數(shù)字地端。VR： 基準(zhǔn)電壓輸入端。各引腳的功能如下：（2）外接電阻及電容端R1：積分電阻輸入端，轉(zhuǎn)換電壓VX=2V時(shí)， R1=470；VX=200mV時(shí)，R1=27k。C1：積分電容輸入端，一般取F

17、。R1/C1：R1與C1的公共端。CLKI、CLKO：外接振蕩器時(shí)鐘調(diào)節(jié)電阻RC，RC一般 取470左右。（3）轉(zhuǎn)換啟動(dòng)/結(jié)束信號(hào)端EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，正脈沖有效。DU：啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，若DU與EOC相連，每當(dāng)A/D轉(zhuǎn) 換結(jié)束后，自動(dòng)啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換。（4）過量程信號(hào)輸出端 OR*：當(dāng)|VX|VR，輸出低電平。（5）位選通控制端（6）BCD碼輸出端 Q0Q3：BCD碼數(shù)據(jù)輸出線。Q3為最高位，Q0為最低位。 當(dāng)DS2、DS3和DS4選通期間，輸出三位完整的BCD碼數(shù)，但在DS1（千位）選通期間，輸出端Q0Q3除了表示個(gè)位的0或1外，還表示被轉(zhuǎn)換電壓的正負(fù)極性（Q2=1為正）、欠量程還是過量程

18、，具體含義如表11-2所示。（4）過量程信號(hào)輸出端（5）位選通控制端 DS4DS1：分別為個(gè)、十、百、千位輸出的選通脈沖，DS1對(duì)應(yīng)千位，DS4對(duì)應(yīng)個(gè)位。每個(gè)選通脈沖寬度為18個(gè)時(shí)鐘周期，兩個(gè)相應(yīng)脈沖之間間隔為2個(gè)時(shí)鐘周期。如圖11-21所示（6）BCD碼輸出端MC14433選通脈沖時(shí)序表11-2 DS1選通時(shí)Q3Q0表示的結(jié)果Q3 Q2 Q1 Q0表 示 結(jié) 果1 00 0 1 0 0 00 11 1 千位數(shù)為0千位數(shù)為1結(jié)果為正結(jié)果為負(fù)輸入過量程輸入欠量程2. MC14433與8031單片機(jī)的接口 如圖11-12，MC1403（與5G1403相同）為精密基準(zhǔn)源。DU端與EOC端相連，即選擇

19、連續(xù)轉(zhuǎn)換方式。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出標(biāo)志。 讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果可采用中斷方式或查詢方式。采用中斷方式時(shí)，EOC端與8031外部中斷輸入端INT0*或INT1*相連。采用查詢方式EOC端可與任一I/O口線相連。 若用中斷方式讀結(jié)果，選用跳沿觸發(fā)方式。如轉(zhuǎn)換結(jié)果存到8031內(nèi)部RAM的20H、21H單元中，格式如下： 初始化程序開放CPU中斷，允許外部中斷1中斷請(qǐng)求，置外部中斷1為跳沿觸發(fā)方式。 每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，都向CPU請(qǐng)求中斷，CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。等于1等于1NO開始初始化參數(shù)YES讀入數(shù)據(jù)等于0轉(zhuǎn)換結(jié)束DS1值等于0千位=1入顯示緩沖緩沖地址加1千位=0入顯示緩沖Q3值等于1DS2值等于0緩沖地址加1屏蔽高四位 百位入緩讀入數(shù)據(jù)屏蔽高四位十位入緩沖讀入數(shù)據(jù)等于0緩沖地址加1DS3值等于0等于1屏蔽高四位個(gè)位入緩