課件說明0單片機

1、第8章 AD和DA轉(zhuǎn)換接口技術(shù) 8.1 概述 8.3 D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù) 8.2 A/D轉(zhuǎn)換接口技術(shù) 8.1 概述模擬量輸入通道過程通道模擬量輸出通道數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸出通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。稱ADC（Analog to Digital Conversion）,簡稱A/D數(shù)/模轉(zhuǎn)換數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。稱DAC（Digital to Analog Conversion）,簡稱D/A 8.2 A/D轉(zhuǎn)換接口技術(shù)一、A/D轉(zhuǎn)換基本知識 1.采樣與采樣定理 模擬信號：時間上連續(xù)，幅值上連續(xù)的信號，f(t)離散模擬信號：時間上離散，幅值上連續(xù)的信號，f*(t)數(shù)字信號：時間上離散，幅值上

2、離散的信號，f(n) 采樣：將模擬信號按一定時間間隔抽取為離散模擬信號的過程叫采樣采樣周期：這個抽樣時間間隔稱為采樣周期香龍采樣定理：若模擬信號的最高頻率為fmax，則為保證對信號的主要特征的復(fù)現(xiàn)，采樣頻率必須滿足f2fmax，采樣后得到的采樣序列信號f*(0T)、f*(1T)、.f*(nT)才能表征原信號信息。也即是說，只有選擇適當小的采樣周期T，即能保證對模擬信號的準確采樣2.量化與量化誤差 設(shè)計算機字長為L，輸入信號的滿度值為Xm，則計算機系統(tǒng)實際上將Xm分成了2L等份，每一等份為q = Xm/2L，q稱為量化單位量化：所謂量化就是將信號用含多少個q的數(shù)量來表示的過程例：MCS51單片機

3、字長L = 8，設(shè)輸入滿度值為+5V則量化單位q = 5V/28 = 19.53mV也就是說，19.53mV輸入信號的量化值為00000001，而40mV輸入信號的量化值為00000010，5V信號的量化值為11111111量化誤差為 (1/2)q = 9.7mV。也就是說，09.7mv，以下的信號被量化為00000000，9.719.53mV的信號即被量化為00000001 計算機系統(tǒng)的字長總是有限的，量化過程中不可避免地要對離散模擬信號進行舍入，即存在量化誤差，量化誤差為 (1/2)q 量化誤差： (1/2)q 所謂量化誤差就是量化過程中的舍入誤差，它反映了計算機系統(tǒng)對模擬信號處理的精度

4、顯然，計算機系統(tǒng)字長越長，則量化誤差越小 通常，將計算機系統(tǒng)的量化誤差用有效位數(shù)表示，數(shù)字量的最低位即最小有效位1LSB，(LSBLeatst Significant BiT)，與此相對應(yīng)的模擬電壓稱為一個量化單位 上例中，1LSB19.53mV 例如，8位ADC對5V滿幅度模擬信號的分辨率可以說成 8位 19.53mV 0.39二、AD轉(zhuǎn)換器的主要性能指標 習(xí)慣上以輸出的二進制位數(shù)表示分辨率。如一個輸出為8位二進制數(shù)的ADC，稱其分辨率為8位 也可以用對應(yīng)于lLSB的輸入模擬電壓來表示分辨率 分辨率還可以用百分數(shù)來表示1.分辨率 A/D轉(zhuǎn)換是用數(shù)字量對模擬量進行量化，由于存在最小量化單位，在

5、轉(zhuǎn)換中就會出現(xiàn)誤差，這一誤差稱為量化誤差 理想A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差為1/2 LSB 上例中的量化誤差為9.7mV2.量化誤差3.轉(zhuǎn)換精度 失調(diào)誤差 失調(diào)誤差也稱為零點誤差。失調(diào)誤差反映了ADC零點的偏差，通常由電路漂移引起，可以通過電路調(diào)整來消除 增益誤差 當輸出數(shù)字量達到滿量程時，所對應(yīng)的輸入模擬量與理想的模擬量數(shù)值之差，稱為增益誤差或滿量程誤差.增益誤差也可以通過電路調(diào)整來消除 非線性誤差 非線性誤差是指實際轉(zhuǎn)換特性與理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差。它不能通過電路調(diào)整來消除。 微分非線性誤差 在A/D轉(zhuǎn)換曲線上，實際臺階幅度與理想臺階幅度（即理論上的1LSB）之差，稱為微分非線性誤差。如果此

6、誤差超過1LSB，就會出現(xiàn)丟失某個數(shù)字碼的現(xiàn)象。微分非線性誤差又叫不失碼誤差5.溫度系數(shù) 溫度系數(shù)表示ADC受環(huán)境溫度影響的程度。一般用環(huán)境溫度變化1所產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)換誤差來表示，以ppm/為單位 4.轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間是指ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換時間反映了ADC的速度 轉(zhuǎn)換精度是指一個實際的ADC與理想的ADC相比的轉(zhuǎn)換誤差。絕對精度一般以LSB為單位給出。相對精度則是絕對精度與滿量程的比值。不同廠家生產(chǎn)的ADC的轉(zhuǎn)換精度指標的表達方式可能不同。有的給出綜合誤差指標，有的給出分項誤差指標總誤差E總與分項誤差Ei之間的關(guān)系為 ADC分類逐次逼近式 三、常用ADC及其

7、與MCS51單片機的接口 逐次逼近型雙積分型直接并行型型流水線型 也稱逐次比較型 逐次逼近ADC兼顧了轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度，是應(yīng)用較廣泛的ADC，分辨率816-bit，轉(zhuǎn)換時間從幾s100s 雙積分式 雙積分型轉(zhuǎn)換精度高，但轉(zhuǎn)換時間長，約幾百ms 1. AD0808/0809的原理 8路8位A DC（1）結(jié)構(gòu)（2）引腳定義 OE：輸出允許信號。高電平信號時，三態(tài)輸出將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到外部數(shù)據(jù)總線 ALE：地址鎖存信號。下降沿鎖存 START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號。上升沿，內(nèi)部寄存器清零，下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束標志。啟動后變?yōu)榈碗娖?，轉(zhuǎn)換結(jié)束后立即輸出一正階躍信號CLOCK：外部

8、時鐘輸入。時鐘頻率典型值為640kHz，允許范圍為101280kHz。時鐘頻率降低時，A/D轉(zhuǎn)換速度也降低 REF(+)、REF()：正負基準電壓輸入端?；鶞孰妷旱闹行闹?VREF(+)+VREF() / 2應(yīng)接近于VCC / 2，其偏差值不應(yīng)超過土0.1V。正、負基準電壓的典型值分別為5V、0V VCC、GND：5V電源 （3）主要性能指標 分辨率：8位 總非調(diào)整誤差：0808為土0.5LSB，0809為1LSB 轉(zhuǎn)換時間：100s（時鐘頻率為640kHz時） 輸入模擬通道數(shù)：8路 輸出電平：與TTL電平兼容 電源：單電源寧5V供電 基準電壓為5V時允許輸入信號范圍為05V 功耗：10mW

9、（4）數(shù)字量輸出與模擬輸入之間的關(guān)系 VREF()0時 （5）雙極性輸入轉(zhuǎn)換電路 VIN=(5+VI)/2VIN=(10+VI)/4 2、8位ADC 0808/0809 與8031單片機接口設(shè)計 ALE管腳一直輸出一個頻率為單片機時鐘頻率1/6的脈沖信號（在外部RAM讀寫時可能有停頓），可以提供給ADC作為時鐘 單片機6MHz時，fALE=1MHz，這時ADC0908/0809是允許的。如果12MHz，則需要外加分頻電路 （1）電路邊沿觸發(fā)CA2BA1AA0 （2）程序設(shè)計 中斷方式ORG0100HMAIN:SETBIT1；設(shè)置/INT1為邊沿觸發(fā)方式SETBEX1；允許/INT1中斷SETB

10、EAMOVDPTR，#0FEF8H；選擇通道IN0MOVXDPTR，A；啟動ADCSJMP$；等待中斷A-D：MOVDPTR，0FEFFHMOVXA，DPTR；讀取MOV30H，ARETI 查詢方式A-D：MOVDPTR，#0FEF8H；選擇通道IN0MOVXDPTR，A；啟動ADCNOP；避開EOC的延遲NOPJNBP3.3，$；判斷/INT1管腳為0否？MOVDPTR，0FEFFHMOVXA，DPTR；讀取MOV30H，ARETCBA：A2A0 IN0IN7口地址：FEF8HFEFFHADC讀取地址：FEFFH P2.0（片選） 地址碼 輸入通道 C B A FEF8H 0 0 0 0 I

11、N0 FEFFH 0 1 1 1 IN7 3、12位ADC1210/1211與單片機的接口設(shè)計 ADC1210/1211是低功耗、中速12位逐次逼近ADC，CMOS工藝，24腳雙列直插式封裝。1210的分辯率和精度均為l2位，1211的分辨率為12位，精度為10位 ADC1210/1211具有電源電壓范圍寬、雙極與單極性模擬輸入信號均可轉(zhuǎn)換、功耗低等許多優(yōu)點，非常適合于一些中、小型的應(yīng)用系統(tǒng) 主要性能指標：12位分辨率 線性為1/2LSB 單電源+5v到15v電源電壓范圍雙極或單極性模擬輸入轉(zhuǎn)換速率100s/l2位、30s/l0位200K模擬輸入阻抗 ADC1210/1211典型驅(qū)動時鐘為65

12、kHz/SC是啟動信號，持續(xù)1個時鐘周期的低電平脈沖有效轉(zhuǎn)換結(jié)束時，/CC標志變成低電平單片機的字長僅8位，完成一次12位數(shù)據(jù)輸入需要讀取ADC兩次 （1）電路（2）程序設(shè)計 ADCP： MOV R0，#10H；置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址MOV DPTR，#2000HMOVDPTR，A；啟動A/D轉(zhuǎn)換WAITC：JNB P3.4，WAITC；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束MOV DPTR，#2100H；轉(zhuǎn)換結(jié)束讀人高位數(shù)據(jù)MOVX A，DPTRANL A，#0FH ；屏蔽高4位MOVXRo，A；保存高位數(shù)據(jù)INC ROMOV DPTR，#2200H；讀入低8位數(shù)據(jù)MOVX A，DPTRMOVXRo，A；保存低8位數(shù)據(jù) 8

13、.3 D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù) 一、D/A轉(zhuǎn)換基本知識 總電流I =A1I1+A2I2+A3I3+A4I4輸出電壓VOUT=R IR（A12-1+ A22-2+ A32-3+ A42-4） I1(1/21) IRI2(1/22) IRI3(1/23) IRI4(1/24) IR 設(shè)DAC字長為N，滿量程基準電壓為VREF則一個二進制數(shù)B的D/A輸出可由下式描述 二、DA轉(zhuǎn)換器的主要性能指標1.分辨率 習(xí)慣上以DAC的二進制位數(shù)表示分辨率。如一個輸出為8位DAC，稱其分辨率為8位2.轉(zhuǎn)換精度 （與ADC情況類似）3.建立時間 DAC的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變比后，輸出模擬量達到穩(wěn)定數(shù)值即進入規(guī)定的精度范圍內(nèi)所需

14、要的時間稱為建立時間 建立時間反映了DAC的速度，相對于ADC而言，DAC的轉(zhuǎn)換速度較快，一般其建立時間1S 三、常用DAC及其與MCS51單片機的接口 DAC的類型很多，分8位、10位、2位、16位等 通常都帶有輸入寄存器，可與微機直接連接。輸人數(shù)據(jù)一般為并行數(shù)據(jù)，也有串行數(shù)據(jù) 從輸出信號來說，DAC有電流型和電壓型之分。電流型直接輸出是電流量，若片內(nèi)有輸出放大器，則能輸出電壓量，并能實現(xiàn)單極性或雙極性電壓輸出 有些DAC具有特殊功能，如能輸出多路模擬量，輸出工業(yè)控制用的標準420mA電流倌號等 典型的DAC有: 8位電流型DAC0832 12位DAC1208 電壓輸出型的AD558 多路輸

15、出型AD7528 1. DAC0832的原理 （1）結(jié)構(gòu) 8位輸入鎖存器 8位DAC寄存器 8位D/A轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成20腳雙列直插式封裝雙緩沖 VREF：基準電源輸入端 RFB：反饋信號輸入端 IOUT1、IOUT2：電流輸出端 VCC：電源輸入端 AGND；模擬地 DGND：數(shù)字地 （2）引腳功能DI0DI7：8位數(shù)據(jù)輸入端ILE：輸入寄存器允許信號，輸入，高電平有效 /CS：片選信號，輸入，低電平有效 /WR1：輸入寄存器寫信號，輸入。低電平有效 /XFER：數(shù)據(jù)傳送信號，輸入，低電平有效 /WR2：DAC寄存器的寫信號，輸入，低電子有效 由ILE、/CS、/WR1的邏輯組合產(chǎn)生

16、輸入寄存器控制信號/LE1 當/LE1為低電平時，輸入寄存器內(nèi)容隨輸入變比，/LE1的正跳變將輸入數(shù)據(jù)鎖存由/XFER、/WR2組成DAC寄存器的控制信號/LE2。/LE2的正跳變將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器 （3）主要技術(shù)指標： 分辨率：8位； 輸出電流穩(wěn)定時間；1S； 非線性誤差：o.2%FSR； 溫度系數(shù)：2ppm/； 工作方式：雙緩沖、單緩沖和直通方式； 邏輯輸入：與TTL電平兼容； 功耗：20 mW。 電源：5V15V。 （4）DAC0832與單片機的接口電路設(shè)計 單緩沖方式 當應(yīng)用系統(tǒng)中只有一路DAC，或者雖有多路DAC但不要求同步輸出時，可采用單緩沖方式 程序如下：MOVDPTR

17、，7FFFH ；送DAC0832口地址MOVA，#data；要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量#data送AMOVXDPTR，A ；數(shù)字量送DAC芯片，進行D/A轉(zhuǎn)換輸出 2、CPU向所有的DAC發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換信號，使各路輸入寄存器中的數(shù)據(jù)進入DAC寄存器，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出雙緩沖方式 雙緩沖方式時，數(shù)字量的鎖存和D/A轉(zhuǎn)換是分兩步進行的：1、CPU分時向各路DAC輸入要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量并鎖存在各自的輸入寄存器中程序如下MOVDPTR，0DFFFH；選中1第一級寄存器MOV A，data1; data1送1第一級寄存器MOVXDPTR，AMOVDPTR，0BFFFH；選中2第一級寄存器MOV A，data2; data1

18、送1第一級寄存器MOVXDPTR，AMOVDPTR，07FFFH；選中1、2第二級寄存器MOVX DPTR，A；啟動1、2同步轉(zhuǎn)換 123（5）D/A輸出電路 單極性輸出方式 雙極性輸出方式 片內(nèi)反饋電阻Rfb=R 輸出范圍：0-VREF輸出范圍：-VREF/2+VREF/2例：編制一段程序，使圖示電路產(chǎn)生一個正弦波。 程序如下：MOVR5，00H ；計數(shù)器賦初值SIN： MOV A，R5MOVDPTR，TAB; 送表格首址MOVCA，ADPTR；查表得正弦值MOVDPTR，#0BFFFH；送0832地址MOVXDPTR，A；輸出轉(zhuǎn)換INCR5SJMPSINTAB：DB 80H,83H,86H,89H,8DH,90H,93H,96H,99,9CH, 9FH,A2H,A5H,A8H,ABH,AEH,B1H,B4H,B7H,BAH, BCH,BFH