第11章 模擬接口技術(shù)

第11章模擬接口技術(shù)本章主要內(nèi)容11.1A/D轉(zhuǎn)換器與MCS-51單片機(jī)的接口技術(shù)

11.1.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理與分類

11.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

11.1.3A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)

11.1.4A/D轉(zhuǎn)換器與51單片機(jī)接口設(shè)計(jì)要點(diǎn)

11.1.5ADC0809與MCS-51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)11.2D/A轉(zhuǎn)換器與51單片機(jī)的接口技術(shù)

11.2.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理與分類

11.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

11.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)

11.2.4DAC0832與51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)11.1A/D轉(zhuǎn)換器與MCS-51單片機(jī)的接口技術(shù)

11.1.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理與分類雙積分型ADC屬于間接轉(zhuǎn)換，其特點(diǎn)是精度較高、價(jià)格便宜，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速率較低。由于雙積分型ADC是利用平均值轉(zhuǎn)換，因此對于常態(tài)干擾的抑制能力較強(qiáng)，常用于數(shù)字電壓表等低速場合。逐次逼近型ADC的轉(zhuǎn)換速度比雙積分型要高得多，精度目前也可以做得較高。因?yàn)樗菍λ矔r(shí)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，所以對于常態(tài)干擾的抑制能力較差。適用于轉(zhuǎn)換速度較高的場合。V/F變換ADC的精度較高、成本較低，抗干擾能力強(qiáng)，但速度較低，特別適用于長距離信號傳輸和必須進(jìn)行光電隔離的場合。一、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理首先由START信號啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，逐次逼近寄存器將最高位置1，其余位均為0。此時(shí)D/A變換器的輸出Vout為滿量程的1/2。比較器將Vout與模擬輸入信號Vin相比較，若Vout小于Vin，則保持最高位為1，反之則使該位清0?，F(xiàn)假設(shè)Vin小于滿量程的1/2，然后再將次高位置1，此時(shí)D/A變換器的輸出為1/4滿量程，這樣便可以根據(jù)比較器的輸出判斷Vin是否大于1/4滿量程。如此遞推，8位的A/D轉(zhuǎn)換只需要8次比較即可完成。二、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理雙積分A/D轉(zhuǎn)換器是一種高精度、低速度的轉(zhuǎn)換器件，在各種實(shí)時(shí)性要求不高的測量儀表中有廣泛的應(yīng)用。其基本原理是：把待轉(zhuǎn)換的模擬電壓VA變換成與之成比例的時(shí)間Δt，并在Δt時(shí)間內(nèi)，用恒定頻率的脈沖去計(jì)數(shù)，這樣就將Δt轉(zhuǎn)換為數(shù)字N；N和V也成正比，也稱為模擬電壓－時(shí)間間隔－數(shù)字量轉(zhuǎn)換原理。11.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)主要有以下幾個(gè)：分辨率(Resolution)轉(zhuǎn)換速率(ConversionRate)量化誤差(QuantizingError)轉(zhuǎn)換精度(Accuracy)11.1.3A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)（1）如何確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，其位數(shù)至少應(yīng)當(dāng)比系統(tǒng)總精度所要求的最低分辨率多一位。這是因?yàn)闆]有基本的分辨率就談不上轉(zhuǎn)換精度，雖然分辨率與轉(zhuǎn)換精度是兩個(gè)不同的概念。（2）如何確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率采用不同原理實(shí)現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換時(shí)間各不相同。積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度較慢，轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級，只能構(gòu)成低速A/D轉(zhuǎn)換器，適用于對溫度、壓力和流量等緩變參量的檢測與控制。逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換時(shí)間為微秒級，屬于中速A/D轉(zhuǎn)換器，常用于工業(yè)多通道控制系統(tǒng)和音頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。采用雙極型或COMS工藝的A/D轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換時(shí)間為納秒級，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)10～50MSPS，屬于高速A/D轉(zhuǎn)換器，適用于雷達(dá)、數(shù)字通訊、實(shí)時(shí)記錄、實(shí)時(shí)分析、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換等高速應(yīng)用場合。（3）如何確定是否要加采樣保持器原則上直流和變化非常緩慢的信號可不用采樣保持器，其它情況則需要加采樣保持器。對于快速變化的信號為了保證轉(zhuǎn)換精度通常要加采樣保持器。（4）工作電壓和基準(zhǔn)電壓各種不同的集成A/D轉(zhuǎn)換器需要的工作電壓不同，通常在＋15V～＋5V之間，有些需要±12V或±15V，這就需要多種電源。基準(zhǔn)電壓源是提供給A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換時(shí)所需要的參考電壓，是保證轉(zhuǎn)換精度的基本條件。（5）正確選用A/D轉(zhuǎn)換器有關(guān)量程的引腳

A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入有時(shí)需要雙極性的，有時(shí)單極性的；輸入信號最小值有從零開始，也有從非零開始；有的A/D轉(zhuǎn)換器提供了不同量程的引腳，只有正確使用，才能保證轉(zhuǎn)換精度。（6）A/D轉(zhuǎn)換器接口與外圍電路各種型號的A/D轉(zhuǎn)換器的接口有很大的不同。大部分A/D轉(zhuǎn)換器具有三態(tài)輸出，能夠與微處理器直接連接，但有些卻不具備；高于8位的A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器接口時(shí)通常要分兩次輸出數(shù)據(jù)，有些A/D轉(zhuǎn)換器可以一次讀出數(shù)據(jù)，以便與16位微處理器接口

ADC的外圍電路包括時(shí)鐘電路、參考電源、補(bǔ)償電路、量程變換電路等。有些A/D轉(zhuǎn)換器很少或沒有外圍電路，因此電路設(shè)計(jì)較簡單。各種A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路各不相同，需根據(jù)具體電路正確地進(jìn)行連接。11.1.4A/D轉(zhuǎn)換器與51單片機(jī)接口設(shè)計(jì)要點(diǎn)

各種型號的A/D轉(zhuǎn)換器均設(shè)有數(shù)據(jù)輸出、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)束等控制引腳。MCS-51單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器的硬件接口設(shè)計(jì)，就是要處理好上述引腳與MCS-51單片機(jī)的硬件連接。A/D轉(zhuǎn)換器需要外部控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號方能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)信號可由CPU提供。A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號分為脈沖啟動(dòng)和電平控制啟動(dòng)兩種。脈沖啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，只需給A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)控制轉(zhuǎn)換的輸入引腳加上符合要求的脈沖信號，即可啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。電平控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，當(dāng)把符合要求的電平加到控制轉(zhuǎn)換的輸入引腳上時(shí)，立即開始轉(zhuǎn)換。此電平在A/D轉(zhuǎn)換的全過程中始終保持有效，否則將會終止轉(zhuǎn)換的進(jìn)行。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的處理方法是：由A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號觸發(fā)器置位，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平，以通知CPU讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。CPU從A/D轉(zhuǎn)換器讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的聯(lián)絡(luò)方式，可以是中斷、查詢或延時(shí)三種方式。這三種方式的選擇常取決于A/D轉(zhuǎn)換器的速度和應(yīng)用系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求。11.1.5ADC0809與MCS-51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)

一、ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

ADC0809芯片各引腳功能如下：

IN0～I(xiàn)N7：8路輸入通道的模擬量輸入端口。

D0～D7：8位二進(jìn)制數(shù)字量輸出端口。

START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號輸入控制端口，高電平有效。

ALE：地址鎖存允許信號輸入端口，ALE的下降沿將地址打入鎖存器。START和ALE兩個(gè)控制信號端可連在一起，當(dāng)由軟件輸入一個(gè)正脈沖便立即啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

EOC：為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端口，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束則輸出高電平。該信號可作為A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號供查詢，也可用作中斷請求信號。

OE：為完成轉(zhuǎn)換后輸出允許控制端，高電平有效，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器的輸出。EOC和OE兩個(gè)控制信號端亦可連結(jié)在一起，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE端的電平由低變高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線。

CLK：時(shí)鐘輸入端。

Vref(+)、Vref(-)、Vcc、GND：Vref(+)和Vref(-)為參考電壓輸入端；Vcc為主電源輸入端，GND為接地端。一般Vref(+)與VCC連接在一起，Vref(-)與GND連接在一起。

ADDA、ADDB、ADDC：８路模擬開關(guān)的三位地址選通輸入端，以選擇對應(yīng)的輸入通道。ADC0809芯片引腳圖二、ADC0809與51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)

1.查詢方式

采用軟件查詢方式，分別對8路模擬信號輪流采樣一次，并依次將轉(zhuǎn)換結(jié)果存到首地址為30H的片外數(shù)據(jù)存儲區(qū)中。

ORG0000HMAIN： MOV DPTR,#7FF8H ;P2.7＝0且指向通道0 MOV R1,#30H ;置片外數(shù)據(jù)存儲區(qū)的首地址

MOV R7,#08H ;置通道數(shù)READ: MOVX @DPTR，A ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換HERE: JB P3.2，HERE ;查詢A/D轉(zhuǎn)換是否完成 MOVX A,@DPTR ;P3.2＝0A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOVX @R1，A ;存放轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)

INC R1 ;指向下一個(gè)存儲單元

INC DPTR ;指向下一個(gè)通道

DJNZ R7，READ ;若循環(huán)未結(jié)束則繼續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換

…… END2.中斷方式

采用中斷方式，分別對8路模擬信號輪流采樣一次，并依次將轉(zhuǎn)換結(jié)果存到首地址為30H的片外數(shù)據(jù)存儲區(qū)中。將引腳EOC經(jīng)過反相后接到MCS-51的/INT0（也可接/INT1）端。相應(yīng)的程序段如下：

ORG0000H ;復(fù)位入口地址

SJMPMAIN ORG0003H ;外部中斷0的中斷入口地址

SJMPE_INT0 ;外部中斷0的中斷服務(wù)程序MAIN： MOV DPTR,#7FF8H ;P2.7＝0且指向通道0 MOV R1,#30H ;置片外數(shù)據(jù)存儲區(qū)的首地址

MOV R7,#08H ;置通道數(shù)

SETB IT0 ;置INT0為邊沿觸發(fā)方式

SETB EX0 ;允許INT0中斷

SETB EA ;開放總中斷READ: MOVX @DPTR，A ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換HERE: SJMP HERE ;等待中斷E_INT0: MOVX A,@DPTR ;讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOVX @R1，A ;存放轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)

INC R1 ;指向下一個(gè)存儲單元

INC DPTR ;指向下一個(gè)通道

DJNZ R7，NEXT ;若循環(huán)未結(jié)束則繼續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換

AJMPEXITNEXT:MOVX @DPTR，A ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換EXIT: RETI ;中斷返回

END3.延時(shí)方式

當(dāng)ADC0809的引腳EOC不與CPU連接，便構(gòu)成在延時(shí)方式下ADC0809與MCS-51單片機(jī)的接口電路。采用延時(shí)等待方式時(shí)，經(jīng)過足夠長的延時(shí)時(shí)間后，執(zhí)行一條輸入指令，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

ORG0000HMAIN： MOV DPTR,#7FF8H ;P2.7＝0且指向通道0 MOV R1,#30H ;置片外數(shù)據(jù)存儲區(qū)的首地址

MOV R7,#08H ;置通道數(shù)READ: MOVX @DPTR，A ;啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

MOV R6,#100 ;軟件延時(shí)DELAY: NOP DJNZ R6，DELAY MOVX A,@DPTR ;A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOVX @R1，A ;存放轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)

INC R1 ;指向下一個(gè)存儲單元

INC DPTR ;指向下一個(gè)通道

DJNZ R7，READ ;若循環(huán)未結(jié)束則繼續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換

… END11.2D/A轉(zhuǎn)換器與51單片機(jī)的接口技術(shù)11.2.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理與分類

T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換原理圖D/A轉(zhuǎn)換器有很多類型按照數(shù)字量的輸入方式可分為串行D/A轉(zhuǎn)換器和并行D/A轉(zhuǎn)換器；一般并行D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，而串行D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較慢。按照模擬量的輸出方式可分為電流輸出型和電壓輸出型；通常電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，而電壓輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較慢。按照工作原理的不同可分為直接D/A轉(zhuǎn)換器和間接D/A轉(zhuǎn)換器。直接D/A轉(zhuǎn)換器是指直接將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為輸出的模擬信號；而間接D/A轉(zhuǎn)換器則是先將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為某種中間量，然后再把這種中間量轉(zhuǎn)換成輸出的模擬信號。直接D/A轉(zhuǎn)換器通常由電阻網(wǎng)絡(luò)與控制開關(guān)組成，應(yīng)用較為廣泛，而間接D/A轉(zhuǎn)換方式則很少采用。11.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

分辨率轉(zhuǎn)換精度建立時(shí)間環(huán)境及工作條件影響指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出形式11.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)

D/A轉(zhuǎn)換器的選擇主要考慮以下幾個(gè)因素：1.D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇原則。選擇D/A轉(zhuǎn)換芯片時(shí)，主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性。在性能上必須滿足D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求。在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性上應(yīng)滿足接口方便、外圍電路簡單、價(jià)格低廉等要求。2.D/A轉(zhuǎn)換器芯片主要性能指標(biāo)的選擇。在D/A接口設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中，選擇D/A轉(zhuǎn)換器芯片時(shí)主要考慮用位數(shù)（8位、12位）表示的轉(zhuǎn)換精度。3.D/A轉(zhuǎn)換器芯片主要結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性的選擇。D/A轉(zhuǎn)換器的特性雖然主要表現(xiàn)為芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配置狀況，但這些配置狀況對D/A轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計(jì)帶來很大影響。11.2.4DAC0832與51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)

一、DAC0832的特性及引腳功能

DAC0832芯片的引腳功能如下：DI0～DI7：數(shù)據(jù)輸入線。ILE：數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效。/CS：輸入寄存器選擇信號，低電平有效。/WR1：輸入寄存器的寫選通信號，低電平有效。/XFRE：數(shù)據(jù)傳送信號，低電平有效。/WR2：DAC寄存器寫選通信號。Vref：基準(zhǔn)電源輸入引腳。Rfb：反饋信號輸入引腳，反饋電阻在芯片內(nèi)部。Iout1，Iout2：電流輸出引腳。VCC：電源輸入引腳。AGND：模擬信號地。DGND：數(shù)字信號地。其主要特性參數(shù)如下：分辨率為8位；電流穩(wěn)定時(shí)間1μs；可以單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；只需要在滿量程下調(diào)整其線性度；單一電源供電（+5V～+15V）。低功耗（200mW）。由兩級運(yùn)算放大器組成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路二、DAC0832與51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)

（1）DAC0832與MCS-51的單緩沖器方式接口電路執(zhí)行下面幾條指令就能完成一次D/A轉(zhuǎn)換。

MOV DPTR,#7FFFH ;指向DAC0832 MOV A,#data ;取待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

MOVX@DPTR,A;輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)【例】編寫D/A轉(zhuǎn)換程序，通過DAC0832輸出0～5V的鋸齒波信號，選用單緩沖器方式，參考電壓VREF為-5V。設(shè)DAC0832的端口地址為7FFFH。解：程序如下：DAC: MOV DPTR,#7FFFH ;指向DAC0832的端口地址

MOV A,#00H ;設(shè)置初值為00HSTEP:MOVX@DPTR,A;D/A轉(zhuǎn)換

INCA ;A中的內(nèi)容加1上升一檔

AJMPSTEP ;循環(huán)輸出累加器A的值由0～255逐步增加，每步電壓增量為5/256＝0.0195V，實(shí)際輸出電壓形成臺階上升，A由255加1至256，溢出清0，輸出電壓陡降至0V，周而復(fù)始，輸出一連串鋸齒波。【例】編寫D/A轉(zhuǎn)換程序，通過DAC0832產(chǎn)生梯形波信號。每隔1ms輸出幅度增長一個(gè)定值，經(jīng)過10ms后重新循環(huán)。通過延時(shí)程序產(chǎn)生的梯形波程序如下：START: MOV A,#00H MOV DPTR,#7FFFH ;指向DAC0832的端口地址

MOV R1,#0AH ;臺階數(shù)為10 LOOP: MOVX@DPTR,A ;啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換

CALLDELAY ;延時(shí)1msDJNZR1,NEXT ;不到10個(gè)臺階則

INCA ;A中的內(nèi)容加1上升一檔

SJMPSTART ;產(chǎn)生下一個(gè)周期NEXT:ADDA,#10 ;臺階的增幅

SJMPLOOP ;產(chǎn)生下一個(gè)臺階DELAY:MOV20H,#250 ;1ms延時(shí)子程序AGAIN: