第六章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換接口

第六章數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的概念在單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制和智能儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中，被控制或被測(cè)量對(duì)象的有關(guān)變量，往?往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、速度等物理量。這些模擬量必須轉(zhuǎn)換?成數(shù)字量后才能輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果，也常常需要轉(zhuǎn)換為模擬信?號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。若輸入是非電的模擬信號(hào)，還需通過(guò)?傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。實(shí)現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的設(shè)備稱(chēng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)，數(shù)字量轉(zhuǎn)?換成模擬量的設(shè)備稱(chēng)為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D／A)。具有模擬量輸入和模擬量輸出的MCS-51應(yīng)?用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模數(shù)＼數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制領(lǐng)域中的一個(gè)專(zhuān)門(mén)分支。在微電子技術(shù)已?取得巨大成果的今天，對(duì)那些具有明確應(yīng)用目標(biāo)的單片微機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，只需?要合理地選用商品化的大規(guī)模A／D、D／A電路器件，了解它們的功能和接口方法即可。14.2.1DAC0832的引腳功能DAC0832是一典型的8位并行D/A轉(zhuǎn)換器。為20引腳的雙列直插式封裝

DAC0832內(nèi)部主要由兩個(gè)8位的寄存器和一個(gè)8位的D／A轉(zhuǎn)換器及一些控制邏輯組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳排列如下圖所示。DI0~DI7：8位數(shù)據(jù)輸入引腳。邏輯電平與TIL兼容。ILE：輸入數(shù)據(jù)鎖存允許端，高電平有效。/CS：芯片片選輸人端，低電平有效。/WR1：輸入寄存器的寫(xiě)信號(hào)，低電平有效。當(dāng)/CS

、ILE及信號(hào)/WR1同時(shí)有效時(shí)，DI0~DI7的數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器。/XFER：數(shù)據(jù)傳送控制器信號(hào)，低電平有效。/WR2：DAC寄存器的寫(xiě)信號(hào)，低電平有效。當(dāng)/WR2和/XFER信號(hào)同時(shí)有效時(shí)，將輸入寄存器中的內(nèi)容鎖存到DAC寄存器中。VREF：基準(zhǔn)參考電壓源輸入端。電壓范圍：－10~+10VIOUT1：輸出電流1。其值隨轉(zhuǎn)換的輸入數(shù)據(jù)線性變化，輸入數(shù)據(jù)為0FFH時(shí)，IOUT1輸出最大，輸入數(shù)據(jù)為00H時(shí)，IOUT1輸出最小。IOUT2：輸出電流2。RFB：芯片內(nèi)部反饋電阻輸入引腳，為使用外部運(yùn)算放大器時(shí)提供反饋電阻。VCC：芯片工作電源電壓。范圍：+5~+15V。AGND：模擬地。模擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地。DGND：數(shù)字地。工作電源和數(shù)字邏輯地。14.2.2DAC0832的工作方式1．直通工作方式當(dāng)0832所有的控制信號(hào)(/CS、/WR1、/WR2、ILE、/XFER)都為有效時(shí)，兩個(gè)寄存器處于直通狀態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)線的數(shù)字信號(hào)經(jīng)兩個(gè)寄存器直接進(jìn)入D／A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出。此工作方式適用于連續(xù)反饋控制中。2．單緩沖工作方式單緩沖工作方式是使兩個(gè)寄存器始終有一個(gè)(多為DAC寄存器)處于直通狀態(tài)，另一個(gè)處于受控狀態(tài)。如使/WR2=0和/XFER=0，或?qū)?WR1與/WR2相連及/XFER與/CS相連，則DAC寄存器處于直通狀態(tài)，輸入寄存器處于受控狀態(tài)。應(yīng)用系統(tǒng)中如只有一路D／A轉(zhuǎn)換，或有多路轉(zhuǎn)換但不要求同步輸出時(shí)，可采用單緩沖工作方式。3．雙緩沖工作方式雙緩沖工作方式是使輸入寄存器和DAC寄存器都處于受控狀態(tài)。這主要用于多路D／A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)的同步輸出。例如有三個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)，分別先后進(jìn)入三個(gè)DAC0832芯片的輸入寄存器，這時(shí)若將三個(gè)DAC0832的DAC寄存器的鎖存信號(hào)同時(shí)變?yōu)榈碗娖剑ㄈ齻€(gè)DAC0832的引腳/WR2、/XFER分別接在一起，即可達(dá)到此目的），則分別先后鎖存在三個(gè)DAC0832芯片的輸入寄存器中的數(shù)據(jù)同時(shí)打入其DAC寄存器，并隨之進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，同時(shí)輸出相應(yīng)的模擬量。若三個(gè)DAC0832芯片的DAC寄存器處于直通狀態(tài)，就無(wú)法控制三路模擬信號(hào)的同步輸出。14.3DAC0832與單片機(jī)的接口及應(yīng)用圖中為采用單緩沖工作方式的一路D／A輸出與8051單片機(jī)的連接圖。圖中采用將芯片兩級(jí)寄存器的控制信號(hào)并接的方式，即將DAC0832的/WR1和/WR2并接后與805l的/WR信號(hào)線相連，/CS和/XFER并接后與P2.7相連，并將ILE接高電平。在這種工作方式下，輸入數(shù)據(jù)在控制信號(hào)的作用下，送入DAC寄存器，再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)與輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的模擬量。D／A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓VREF由穩(wěn)壓管上的電壓分壓后提供。圖中運(yùn)算放大器的作用將D／A轉(zhuǎn)換器輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出。D/A轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)圖中的接法是采用線選法把DAC0832當(dāng)作8031擴(kuò)展的一個(gè)并行I／O口，當(dāng)P2.7=0時(shí)，則信號(hào)/CS和/XFER有效，當(dāng)P3.6=0時(shí)，則信號(hào)/WR1和/WR2有效，將一個(gè)8位數(shù)據(jù)送入DAC0832完成轉(zhuǎn)換的指令如下：#include<reg51.h>//包含頭文件reg51.hsbitDA_CS=P2^7;//定義DA的CS端口sbitDA_WR=P3^6;//定義DA的WR端口voiddelayms(unsignedint);//聲明delayms函數(shù)voidmain(){DA_CS=0;//DAC0832的/CS和/XFER引腳有效DA_WR=0;//DAC0832的/WR1和/WR2引腳有效while(1){//把數(shù)字量55H送到P0轉(zhuǎn)換為模擬量P0=0x7F;delayms(50);//延時(shí)50ms}}//延時(shí)函數(shù)voiddelayms(unsignedintxms){unsignedinti,j;for(i=xms;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--); }#include<reg51.h>//包含頭文件reg51.hsbitDA_CS=P2^7;//定義DA的CS端口sbitDA_WR=P3^6;//定義DA的WR端口voiddelayms(unsignedint);//聲明delayms函數(shù)voidmain(){ DA_CS=0;//DAC0832的/CS和/XFER引腳有效 DA_WR=0;//DAC0832的/WR1和/WR2引腳有效 while(1) { //把數(shù)字量55H送到P0轉(zhuǎn)換為模擬量 P0=P1; delayms(50);//延時(shí)50ms }}//延時(shí)函數(shù)voiddelayms(unsignedintxms){ unsignedinti,j; for(i=xms;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--); }14.4A/D轉(zhuǎn)換器的介紹用于模／數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換的集成芯片種類(lèi)很多，按其轉(zhuǎn)換原理可分為計(jì)數(shù)比較型、逐次逼?近型、雙積分型等等。不同A／D轉(zhuǎn)換器芯片在速度、精度和價(jià)格上均有差別，其分辨率?(輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的二進(jìn)制數(shù)或BCD碼位數(shù))也有8位、10位、12位及16位等多種，這也是?應(yīng)用選型時(shí)應(yīng)主要考慮的因素。?由于逐次逼近法A／D轉(zhuǎn)換器在精度、速度和價(jià)格上都適中，8位的分辨率也可滿足一般?的應(yīng)用要求，是最常見(jiàn)的A／D轉(zhuǎn)換器件。下面我們主要介紹逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器的工作?原理及典型芯片ADC0809與單片機(jī)的接口方法。A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理逐次逼近法A／D轉(zhuǎn)換器也稱(chēng)逐次比較法A/D。對(duì)于一個(gè)輸出為N位的逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)?換器，其內(nèi)部原理框圖如圖所?示。主要以一D／A(數(shù)／模)轉(zhuǎn)換為基?礎(chǔ)，加上比較器、N位逐次逼近寄存?器、置數(shù)控制邏輯電路以及時(shí)鐘等組?成。它通過(guò)對(duì)最高位(DN－1)至最低?位(D0)的逐次檢測(cè)比較來(lái)逼近被轉(zhuǎn)?換的輸入電壓，轉(zhuǎn)換原理為：

在啟動(dòng)信號(hào)控制下開(kāi)始轉(zhuǎn)換，置數(shù)控制邏輯電路首先置N位寄存器最?高位(DN－1)為1，其余位清0，隨后N位寄存器的內(nèi)容經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后得到整個(gè)量程一半的?模擬電壓VN，通過(guò)電壓比較器與輸入電壓VX比較。若VX≥VN時(shí)，則保留DN－1=1；若?VX<VN時(shí)，則DN－1位清0。然后，控制邏輯使N位寄存器的下一位(DN－2)置l，與上次的結(jié)?果一起經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換再后與VX比較，重復(fù)上述過(guò)程，直至判斷出位D0取1還是0，然后?DONE發(fā)出信號(hào)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。經(jīng)過(guò)上述N次比較后，N位寄存器中的數(shù)據(jù)就是與輸入模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，經(jīng)輸出緩?沖器輸出即完成了轉(zhuǎn)換。

整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程就是這樣通過(guò)逐次比較逼近的方式實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)換速度?由時(shí)鐘頻率決定，一般在幾微秒到上百微秒之間。

14.5ADC0809芯片結(jié)構(gòu)及引腳

ADC0809是一典型的逐次逼近型8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換芯片，采?用CMOS工藝制造，28引腳雙列直插式封裝。圖為ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯?圖，和ADC0809的?引腳圖。

ADC0809芯片引腳功能為了實(shí)現(xiàn)8路模擬量的A/D轉(zhuǎn)換，芯片內(nèi)部集成有一個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)，由地址譯碼器譯碼后可選通一路模擬量輸入，8路模擬量共用一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果送入輸出鎖存器鎖存和輸出。當(dāng)外加時(shí)鐘頻率為640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為64us。芯片引腳功能說(shuō)明如下：IN0~IN7—8路輸入通道的模擬量輸入端D0~D7—8位數(shù)字量輸出端START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)。加上正脈沖后，開(kāi)始啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。此信號(hào)要求保持200ns以上。ADDA、ADDB、ADDC：地址線。用于選擇所需的模擬輸入通道。其地址狀態(tài)與模擬輸入通道的對(duì)關(guān)系如表所示。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)。轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，EOC信號(hào)變低；轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC返回高電平。查詢這個(gè)引腳的信號(hào)狀態(tài)可知A／D轉(zhuǎn)換器是否轉(zhuǎn)換結(jié)束。也可以直接用作轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷請(qǐng)求信號(hào)，CPU通過(guò)中斷服務(wù)子程序讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。OE：輸出允許控制端。CLK：時(shí)鐘信號(hào)。頻率范圍：10kHz~1.2MHz，通常采用500kHz。VCC：芯片電源電壓。由于是CMOS芯片，故允許的電源范圍較寬(+5V~+15V)。GND為地端。VREF(+)和VREF(－)：A／D轉(zhuǎn)換器的正負(fù)基準(zhǔn)參考電壓輸入端。一般可將VREF(+)與VCC連接在一起，VREF(－)與GND連接在一起。ALE：地址鎖存信號(hào)。信號(hào)的上跳沿把三位地址信號(hào)送入地址鎖存器，并經(jīng)譯碼器的地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。#include<reg51.h>//包含頭文件reg51.hsbitCLOCK=P2^4;//定義ADC0809的CLOCK引腳sbitEOC=P2^5;//定義ADC0809的EOC引腳sbitSTART=P2^6;//定義ADC0809的START引腳sbitOE=P2^7;//定義ADC0809的OE引腳sbithigh_bit=P3^0;//定義數(shù)碼管的高位位選通sbitlow_bit=P3^1;//定義數(shù)碼管的低位位選通unsignedcharADC_val;//定義AD轉(zhuǎn)換結(jié)果暫存unsignedchartable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};//0~F的段碼表voiddisplay(unsignedchar);//顯示函數(shù)聲明voiddelayms(unsignedint);//延時(shí)函數(shù)聲明//主程序voidmain(){ TMOD=0x02;//設(shè)置定時(shí)器0為工作方式2 TH0=245;//定時(shí)器0，10us中斷一次 TL0=0; EA=1,ET0=1;//開(kāi)放中斷 TR0=1;//啟動(dòng)定時(shí) while(1) { START=0;START=1;START=0;//啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換 while(EOC);//等待EOC變低while(!EOC);//等待EOC變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束 OE=1;ADC_val=P0;OE=0;//讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 display(ADC_val);//顯示16進(jìn)制轉(zhuǎn)換結(jié)果 }}//定時(shí)器0中斷服務(wù)程序voidtime0_int()interrupt1{ CLOCK=~CLOCK;//取反，產(chǎn)生方波}//顯示函數(shù)voiddisplay(unsignedcharADC_display){ unsignedchardisplay_high,display_low; //把兩位十六進(jìn)制的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果拆分出低位 display_low=ADC_display&0x0f;//把低位數(shù)的段碼通過(guò)P1口送到低位數(shù)碼管 P1=table[display_low]; low_bit=1;//選通