單片機原理及接口技術課件：過程通道

過程通道單片機原理及接口技術單片機原理及接口技術目錄7.1輸入輸出通道結構7.2多路開關及采樣量化保持7.3模擬量輸出通道接口技術7.4模擬量輸入通道接口技術7.5壓頻轉換器和頻壓轉換器7.6開關量輸入輸出通道單片機原理及接口技術概述在計算機控制系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)對生產設備或過程的有效控制，必須把現(xiàn)場生產設備的運轉狀態(tài)或生產過程的各種現(xiàn)場參數(shù)，如溫度、流量、壓力、液位、速度、成份等連續(xù)變化的物理量或開關量，取出并轉換為計算機可接收和識別的數(shù)字量輸入到計算機進行數(shù)據(jù)處理。處理結果又必須轉換為電壓或電流信號，推動執(zhí)行機構工作，實現(xiàn)對現(xiàn)場參數(shù)的控制。因此在計算機和生產過程之間，必須設置信息傳遞和變換裝置，這個裝置稱為過程輸入/輸出通道或前向/后向通道。一個典型的單片機測控系統(tǒng)硬件組成框圖如圖7-1所示。單片機原理及接口技術圖7-1單片機測控系統(tǒng)硬件組成框圖單片機原理及接口技術7.1輸入輸出通道結構

輸入/輸出信號一般有兩種類型：一種是隨時間連續(xù)變化的物理量，稱為模擬信號；一種是只有開和關（或1和0）兩種狀態(tài)的量，稱為開關量。因此在計算機控制系統(tǒng)中，輸入/輸出通道分為模擬量通道和開關量通道兩類。7.1.1輸入通道結構

單片機用于測控系統(tǒng)時，總要有對被控對象原始參量信號的采集、狀態(tài)的測試以及對控制條件的監(jiān)測通道，這就是輸入通道，其結構形式取決于被測對象的環(huán)境、輸出信號的類型、數(shù)量、大小等。1.模擬量輸入通道

模擬量輸入通道主要由A/D轉換器組成，它的作用是把采集來的標準模擬電信號，如0～5V電壓或4～20mA電流，轉換成數(shù)字信號后送到計算機中進行處理。不同的單片機測控系統(tǒng)，單片機原理及接口技術

多路模擬量輸入通道可以有不同的結構形式。（1）多路模擬量并行轉換結構

如圖7-2所示，每個通道都有獨立的采樣保持器和A/D轉換器，這種形式通常用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如果需要同時采集描述系統(tǒng)性能的各項數(shù)據(jù)時，各通道可同時進行轉換，單片機分時進行讀取。圖7-2多路模擬量并行轉換結構單片機原理及接口技術（2）多路模擬量共享轉換結構

如圖7-3所示，這種電路與并行轉換結構相比，具有結構簡單、節(jié)省硬件的優(yōu)點，但轉換速度較慢。另外，由于采用了公共的采樣/保持器，因此在啟動A/D轉換之前，必須考慮采樣保持器捕捉信號的時間，即只有當保持電容的充放電過渡過程結束后，才能啟動A/D轉換。圖7-3多路模擬量共享轉換結構單片機原理及接口技術7.1輸入輸出通道結構

事實上，對于直流或低頻信號，通?？梢圆徊捎貌蓸颖３制鳎@時模擬輸入電壓的變化率與A/D轉換器的轉換速率滿足如下關系：

(7-1)式中，為A/D轉換器的分辨率，為A/D轉換時間。2.開關量輸入通道

在單片機控制系統(tǒng)中，被控對象的一些狀態(tài)可以用一位二進制數(shù)碼來表示，如按鍵、行程開關、繼電器觸點的接通或斷開，電機的啟動或停止，閥門的開啟或關閉等，都可以用“0”或“1”表示。這些狀態(tài)參數(shù)通過開關量輸入通道輸入到單片機中進行處理。

開關量輸入通道完成電平轉換任務，同時為了保證系統(tǒng)的安全、可靠，還需考慮信號的消抖、濾波及隔離等問題。單片機原理及接口技術7.1輸入輸出通道結構有的單片機控制系統(tǒng)中還設置有脈沖量輸入通道。現(xiàn)場儀表中轉速計、渦輪流量計等一些機械計數(shù)裝置輸出的測量信號多為脈沖信號，脈沖量輸入通道就是為這類輸入設備而設置的。輸入的脈沖信號經過處理后進入計算機，根據(jù)不同的電路連接和編程方式，可進行計數(shù)、脈沖間隔時間和脈沖頻率的測量。在此將其歸為開關量輸入通道中。7.1.2輸出通道結構

輸出通道是對控制對象實現(xiàn)控制操作的通道，它的結構與特點和控制對象與控制任務密切相關。單片機原理及接口技術1.模擬量輸出通道

模擬量輸出通道主要由D/A轉換器組成，它的作用是把單片機的處理結果（數(shù)字量）轉換成模擬量信號（電壓或電流）輸出到執(zhí)行機構。

多路模擬量輸出通道的結構有兩種基本形式。（1）多通道獨立D/A轉換結構圖7-4多通道獨立D/A轉換結構單片機原理及接口技術7.1輸入輸出通道結構

如圖7-4所示，采用這種結構形式，每個通道輸出的數(shù)據(jù)由獨立的I/O接口的數(shù)據(jù)寄存器或D/A轉換器的數(shù)據(jù)寄存器保持，可使前一時刻輸出的數(shù)據(jù)一直供D/A轉換器使用，直到下一時刻輸出新的數(shù)據(jù)。這種方案的優(yōu)點是速度快、精度高、工作可靠。缺點是如果輸出通道數(shù)量很多，將使用較多的D/A轉換器，成本高。但隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展和D/A轉換器價格的下降，這種結構形式會得到更廣泛的應用。單片機原理及接口技術7.1輸入輸出通道結構（2）多通道共享D/A轉換結構圖7-5給出了一種多個通道共用一個D/A轉換器的典型結構，它主要由D/A轉換器、多路開關及輸出保持器組成。在單片機的控制下，將多個處理結果依次地輸出到D/A轉換器，D/A轉換器輸出的模擬電壓信號由多路開關傳送給對應通道的輸出保持器。輸出保持器可以使本次輸出的控制信號在新的控制信號來到之前維持不變，從而將離散的模擬信號轉換為連續(xù)的模擬信號，最后經隔離、放大驅動執(zhí)行機構動作。單片機原理及接口技術7.1輸入輸出通道結構

這種方案雖然節(jié)省了D/A轉換器，但因為分時工作，只適用于通路數(shù)較多且速度要求不高的場合。除此以外，它還要使用多路開關，還要求輸出保持器的保持時間與采樣時間之比較大，因此可靠性較差。圖7-5多通道共享D/A轉換結構單片機原理及接口技術7.1輸入輸出通道結構

2.開關量輸出通道

開關量輸出通道用于控制系統(tǒng)中的各種繼電器、接觸器、電磁閥門、指示燈、聲光報警器等只有“開”或“關”兩種狀態(tài)的設備。與開關量輸入情況相似，開關量輸出的基本功能是開關功能。這種開關功能，可能是生產現(xiàn)場某種開關的動作；還可能是輸出一定數(shù)目的脈沖串或一定寬度的脈沖。因此，開關量輸出通道是對生產過程實施控制和防止事故發(fā)生的重要裝置之一，是計算機工業(yè)控制系統(tǒng)中一種十分重要的連接通道。單片機原理及接口技術7.1輸入輸出通道結構

它主要由帶有鎖存器的接口電路及信號調理電路組成，詳見7.6.2。接口電路可以將輸出的控制信號保持到需要改變時為止，信號調理電路主要是進行電平轉換、功率放大，使控制信號具有足夠的功率去驅動執(zhí)行機構或其他負載。此外，為了防止現(xiàn)場的強磁場和強電場的電磁干擾通過通道串入控制系統(tǒng)，還必須采取通道隔離技術。

綜上所述，過程輸入輸出通道主要由各種硬件設備組成，起著信息變換和傳遞的作用。它配合傳感檢測設備和執(zhí)行機構以及相應的輸入輸出控制程序，實現(xiàn)計算機對各種被控對象的控制。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持7.2.1多路模擬開關

多路模擬開關是自動數(shù)據(jù)采集、程控增益放大等重要技術領域的常用器件，在電路中起到接通信號或斷開信號的作用。日前已研制出多種類型的集成模擬開關，其中以采用CMOS工藝的多路模擬開關應用最廣。CMOS模擬開關是一種可控開關，不同于繼電器可應用于大電流、高電壓場合，它只適用于處理幅度不超過其工作電壓、電流較小的模擬或數(shù)字信號。多路模擬開關主要有四選一、八選一、雙四選一、雙八選一和十六選一等類型。它們除了通道數(shù)和引腳排列有些不同外，其電路結構、電源組成和工作原理基本相同。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持

實際使用時，器件性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)的可靠性會有重要影響。目前常用的多路模擬開關有美國無線電公司生產的CD4051~CD4053、CD4067、CD4097、CD4551；美國美信（MAXIM）公司生產的MAX4626~MAX4628、MAX4514~MAX4517、MAX4614~MAX4616、MAX4501~4504及高性能的MAX306~MAX309；美國模擬器件（ADI）公司生產的ADG7501~ADG7503、ADG7506和ADG7507等。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持在選擇多路模擬開關時，應考慮下列指標：（1）通道的數(shù)量：通道數(shù)量對傳輸信號的精度和開關切換速率有直接的影響，通道數(shù)越多，寄生電容和泄漏電流就越大。尤其是在使用集成模擬開關時，盡管只有其中的一路導通，但由于其它阻斷的通道并不是完全斷開，而是處于高阻狀態(tài)，會對導通通道產生泄漏電流，通道越多，漏電流越大，通道之間的干擾也越強。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持

（2）泄漏電流：一個理想的開關要求導通時電阻為零，斷開時電阻趨于無限大，漏電流為零。而實際開關斷開時為高阻狀態(tài)，漏電流不為零，常規(guī)的CMOS泄漏電流約為1nA。一般希望多路模擬開關的泄漏電流越小越好，泄漏電流越小，通道間的干擾就越小。

（3）開關電阻：理想狀態(tài)的多路模擬開關的導通電阻應為零，斷開電阻應為無窮大。實際的多路模擬開關無法達到這個要求，因此需考慮其開關電阻，尤其是當與開關串聯(lián)的負載為低阻抗時，應選擇導通電阻足夠小的多路模擬開關。必須注意，導通電阻的值與電源電壓有直接關系，通常電源電壓越大，導通電阻就越小。而且導通電阻和泄漏電流是矛盾的，要求導通電阻小，則應擴大溝道，結果會使泄漏電流增大。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持

（4）切換速度：指開關接通或斷開的速度。在傳輸快速變化的信號時，要求多路模擬開關的切換速度高，當然還應該考慮與后級采樣保持電路和A/D轉換器的速度相適應，從而以最優(yōu)的性能價格比來選擇器件。除上述指標外，芯片的電源電壓范圍也是一個重要參數(shù)。它與開關的導通電阻和切換速度等有直接的關系，電源電壓越高，切換速度越快，導通電阻越小。另外，電源電壓還限制了輸入信號范圍，輸入信號最大只能到滿電源電壓幅度，如果超過溝道就會夾斷。下面以CD4051為例，簡單介紹多路模擬開關。CD4051是單端八通道多路開關集成芯片，其引腳圖及功能表如圖7-6所示。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持圖7-6CD4051引腳圖及功能表（a）引腳圖（b）功能表單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持

CD4051具有3個二進制輸入端A、B、C，內部譯碼器可實現(xiàn)3～8譯碼，完成八通道選一。改變圖中I/O0~I/O7及O/I的傳遞方向，則可用作多路開關或反多路開關。禁止輸入端INH決定開關是否打開，INH＝1時，通道不能接通，禁止輸入信號傳輸?shù)捷敵龆耍籌NH＝0時，通道可以接通，允許輸入信號傳輸?shù)捷敵龆恕Ｖ绷鞴╇婋娫礊閂DD＝5～15V，輸入電壓UIN＝VEE～VDD，它所能傳送的數(shù)字信號電位變化范圍為3～15V，模擬信號峰-峰值為15V。當VEE接負電源時，正、負模擬電壓均可通過。CD4051的接通電阻小，一般小于80Ω，斷開電阻高，在VDD－VEE＝10V時，泄漏電流的典型值為±10nA。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持7.2.2信號采樣及量化

在計算機控制系統(tǒng)中，要將各種模擬信號輸入計算機，就必須先將其轉換為數(shù)字信號。將模擬信號轉換成數(shù)字信號的過程是通過信號采樣和量化實現(xiàn)的。1.信號采樣1）采樣過程

信號的采樣過程如圖7-7所示。把時間和幅值上均連續(xù)的模擬信號，按照一定的時間間隔T轉變?yōu)樵谒矔r0、T、2T、…nT的一連串脈沖序列信號的過程稱為采樣過程或離散過程。執(zhí)行采樣動作的裝置叫采樣器或采樣開關，采樣開關每次通斷的時間間隔稱為采樣周期T，采樣開關每次閉合的時間稱為采樣時間或采樣寬度τ。通常把采樣開關的輸入信號f(t)稱為原信號，單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持采樣開關的輸出信號f*(t)則稱為采樣信號。在實際系統(tǒng)中，τ＜＜T，也就是說，可以近似地認為采樣信號f*(t)是f(t)在采樣開關閉合時的瞬時值。圖7-7采樣過程單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持2）采樣定理

為了使采樣信號f*(t)能反映連續(xù)信號f(t)的變化規(guī)律，采樣頻率ωs至少應該是信號f(t)頻譜最高頻率ωmax的兩倍。即

(7-2)

這就是著名的采樣定理，即香農定理（Shannon）。因此只要根據(jù)不同的過程參量特性，選擇適當?shù)牟蓸又芷赥，就不會失去信號的主要特征。在實際應用中，一般總是選取實際采樣頻率為

(7-3)

由于定理自身條件所限，用理論計算的辦法求出ωs是難以做到的。因此，在工程上經常采用經驗數(shù)據(jù)，詳見表8-1。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持2.量化及量化誤差

因為采樣后得到的離散模擬信號本質上還是模擬信號，不能直接送入計算機，故還需經過量化變成數(shù)字信號后，才能被計算機接收和處理。量化就是采用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉換為數(shù)字信號。將離散采樣信號轉換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程，進行量化處理的裝置為模/數(shù)（A/D）轉換器。

模擬信號的特點是具有無窮多的數(shù)值，而一組數(shù)碼的值卻是有限的，因此用一定位數(shù)的數(shù)碼來逼近模擬信號是一種近似的表示。如果用一個有n位的二進制數(shù)來逼近在fmin～fmax范圍內變化的采樣信號，得到的數(shù)字量在0～2n－1之間，其最低有效位（LSB）所對應的模擬量q稱為量化單位，即單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持

(7-4)

從原理上講，量化相當于只取近似整數(shù)商的除法運算。對于模擬量小于一個q的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，通常為了減小誤差采用“四舍五入”的方法使之整量化，因而存在量化誤差，量化誤差的最大值為±q/2。

例如，用天平稱量重物就是量化過程。這里的天平為量化裝置，重物為模擬量，最小砝碼重量為量化單位，平衡時砝碼讀數(shù)為數(shù)字量。

由以上分析可知，在A/D轉換器的輸出位數(shù)n足夠多時，可使量化誤差達到足夠小，就可以認為數(shù)字信號近似于采樣信號。如果在采樣過程中，采樣頻率也足夠高，就可以用采樣、量化后得到的一系列離散的二進制數(shù)字量來表示某一時間上連續(xù)的模擬信號，從而可以由計算機來進行控制計算和處理。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持圖7-8零階保持器的單位脈沖響應7.2.3保持器1.零階保持器在實際應用中，信號的恢復所采取的最為簡單的辦法是在兩個采樣時刻之間保持前一個采樣時刻的值不變，稱為零階保持器。它在單位脈沖輸入時的響應函數(shù)如圖7-8所示。零階保持器在采樣后進行A/D轉換和運算結果經D/A輸出時均會用到，其作用是把上一個采樣周期的輸出值無變化地保持到本采樣周期輸出的時刻。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持

在A/D轉換過程中，為了適應信號量化所需要的轉換時間要求，在采樣開關之后總是連接著零階保持器，以保持采樣后的信號，即為采樣保持結構。連續(xù)信號經過采樣開關和零階保持器兩個環(huán)節(jié)的作用，即變?yōu)殡A梯形采樣保持信號。而計算機輸出的離散信號經D/A變換后，必須經過零階保持器把模擬脈沖信號恢復成階梯形的連續(xù)信號，緩解脈沖信號對連續(xù)被控對象的沖擊，從而使控制過程較為平穩(wěn)。這一轉換過程實現(xiàn)了信號的復現(xiàn)，稱為輸出保持。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持2.采樣保持器

采樣保持器（S/H）是過程通道中不可缺少的元件，它用來“凝固”隨時間快速變化的模擬信號，以減小由于轉換時間所引起的轉換幅值誤差。S/H電路交替工作在“采樣”和“保持”兩種穩(wěn)態(tài)方式。在采樣方式，它能夠快速跟蹤輸入電壓的變化；在保持狀態(tài)，則保持進入“保持”狀態(tài)那一時刻的輸入電壓穩(wěn)定不變。

采樣保持電路在過程通道中的主要用途如下：1）在采樣時間，快速跟蹤輸入的模擬信號；在保持時間內保持采樣值不變，為A/D轉換器提供恒定的輸入信號。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持2）在多路采樣系統(tǒng)中，跟蹤采樣信號。當S/H進入保持方式時，多路開關又不失時機地進行下一路信號的采樣，從而構成高速的重疊采樣方式。3）在保證精度的條件下提高A/D轉換器的頻率。這是因為無論轉換速度有多快，A/D轉換器進行轉換都需要一定的時間。在此時間內，如果被轉換量不能維持一個恒定值，將無法獲得精確的轉換結果。對慢速信號反映不很明顯，而對快速變化的信號，在進行A/D轉換期間，如果不對信號進行保持，就無法保證轉換精度。否則只能通過犧牲被轉換信號的頻率來達到高精度的轉換要求。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持隨著半導體技術的飛速發(fā)展，除了通用的S/H電路外，還有許多應用于不同場合的專用集成電路。例如高速S/HAD346，在2μs以內可達±0.01％的精度；SHA1144可滿足14位精度的數(shù)據(jù)采集需要，在6μs內達到±0.003％的精度，線性增益誤差不大于±0.001％，孔徑延時小于50μs。通用的S/H電路，如AD582，AD585，ADSHC-85，LF198/298/398等，它們的基本原理相同，差別僅在于電路結構及工藝。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持3.輸出保持器在模擬量輸出通道中，輸出保持器的作用就是把D/A轉換器輸出的瞬時值變成連續(xù)的模擬信號，以便把離散的值復現(xiàn)原函數(shù)。從實現(xiàn)方法上講，保持器就是要解決各離散點之間的插值問題，顯然插值的階次越高，就越能復現(xiàn)原函數(shù)。理論上希望有高階保持器，但高階保持器實際上難以實現(xiàn)。實踐證明零階保持器可以滿足控制系統(tǒng)的需求，也能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。零階保持器有兩大類型：數(shù)字型和模擬型。它們所保持的是本質上不同的兩類物理量，因而所采用的電路結構和元件差別較大。單片機原理及接口技術7.2多路開關及采樣量化保持

模擬型的保持器。主要靠保持電容達到零階保持。實踐中常采用兩種方法：一種是利用采樣保持器芯片的保持功能，另一種是利用運放、阻容器件及模擬開關搭建保持電路。這兩種方法的“保持”功能實際上都是利用“保持電容”來達到目的的，其性能主要取決于保持電容的性能和質量。有些場合為了防止干擾，也會采取一些隔離措施，如光電隔離。在計算機控制系統(tǒng)中已基本上不采用這種方式。數(shù)字型保持器是采用專用的數(shù)據(jù)鎖存器將待轉換的數(shù)據(jù)保存起來，然后再經D/A轉換器輸出，鎖存器的位數(shù)應與D/A轉換器的位數(shù)相等。顯然，只要鎖存器的內容不發(fā)生變化，D/A輸出的模擬量將維持不變。這種方式信息傳遞快，抗干擾能力強，在計算機控制系統(tǒng)中應用較為廣泛。單片機原理及接口技術7.3模擬量輸出通道接口技術D/A轉換器（簡稱DAC）是模擬量輸出通道的主要組成部分，完成數(shù)字量到模擬量的轉換。在單片機控制系統(tǒng)中，D/A轉換接口電路設計主要是根據(jù)用戶對模擬量輸出通道的技術要求，合理地選擇通道結構，并按照一定的技術經濟準則恰當?shù)剡x擇D/A轉換器芯片，配置外圍電路及器件，實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的線性轉換，對被控過程或被控對象進行控制。D/A轉換器一般可分類如下：1）根據(jù)輸出信號是電流還是電壓，可以分為電流輸出型和電壓輸出型。電流輸出型轉換速度較快，而電壓輸出型，由于還要加上運算放大器的延遲時間，因此轉換速度要慢一些。2）根據(jù)輸出端是串口還是并口，可以分為串行輸出型和并行輸出型。單片機原理及接口技術7.3模擬量輸出通道接口技術3）根據(jù)內部是否有鎖存器，可以分為無鎖存器型和帶鎖存器型。4）根據(jù)能否進行乘法運算，可以分為乘算型和非乘算型。D/A轉換器中有使用恒定基準電壓的，也有在基準電壓上加交流信號的，后者由于可以得到數(shù)字輸入和基準電壓輸入相乘的結果，所以稱為乘算型D/A轉換器。乘算型D/A轉換器不僅可以進行乘法運算，還可以作為使輸入信號數(shù)字化衰減的衰減器，以及對輸入信號進行調制的調制器使用。本節(jié)從應用角度介紹幾種典型的D/A轉換器，以及它們與MCS-51單片機的接口及應用。單片機原理及接口技術7.3模擬量輸出通道接口技術7.3.1D/A轉換器主要性能指標

DAC的性能指標是選用DAC芯片型號的依據(jù)，也是衡量芯片質量的重要參數(shù)。DAC性能指標很多，主要有以下四個：1.分辨率

分辨率是D/A轉換器對微小輸入量變化的敏感程度的描述。對于線性輸出的DAC，它能分辨的最小輸出模擬增量，取決于輸入數(shù)字量的二進制位數(shù)。對于一個n位的D/A轉換器，其分辨率為

(7-5)單片機原理及接口技術7.3模擬量輸出通道接口技術可見，DAC位數(shù)愈高，分辨度也愈高，因此分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位、16位等。例如滿量程為5V的8位D/A轉換器，其分辨率為19.6mV，一個同樣量程的16位D/A轉換器，其分辨率高達76.3μV。2.轉換精度

轉換精度是指滿量程時DAC的實際模擬輸出值和理論值的接近程度。它與D/A轉換器芯片結構、外部電路配置、電源等因素有關。若誤差過大，則D/A轉換就會出現(xiàn)錯誤。轉換精度又可分為絕對轉換精度和相對轉換精度。

絕對轉換精度一般采用數(shù)字量的最低有效位作為衡量單位，應低于1/2LSB。相對轉換精度是指在滿量程已校準的情況下，絕對轉換精度相對于滿刻度的百分比。單片機原理及接口技術7.3模擬量輸出通道接口技術3.建立時間

D/A轉換器的建立時間，也稱轉換時間，是對D/A轉換器轉換速度快慢的敏感性能描述指標，即當輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量達到穩(wěn)定數(shù)值所需要的時間。這個參數(shù)直接影響到系統(tǒng)的控制速度。在實際應用時，D/A轉換器的轉換時間必須小于等于數(shù)字量的輸入信號發(fā)生變化的周期。

根據(jù)轉換時間的長短，可將D/A轉換器分為：超高速<100ns；較高速100ns～lμs；高速1μs～10μs；中速10μs～100μs；低速＞100μs。這樣的分類經常同轉換器的分辨率相聯(lián)系，分辨率高的區(qū)限可以放寬，如50μsl2位以上的轉換器有時也稱為高速高精度型，而對于8位以下的轉換器又常常把轉換時間小于lμs的稱為高速型。單片機原理及接口技術7.3模擬量輸出通道接口技術4.非線性誤差

非線性誤差也稱為線性度，它是指實際轉換特性曲線與理想轉換特性曲線之間的最大偏差。一般要求非線性誤差的絕對值小于等于1/2LSB。非線性誤差越小，說明線性度越好，D/A轉換器輸出的模擬量與理想值的偏差就越小。7.3.2并行D/A轉換器及接口技術1.DAC0832

DAC0832是由美國國家半導體（NS）公司研制的8位電流輸出型D/A轉換芯片，與單片機完全兼容。它的輸出電流建立時間為1μs，采用CMOS工藝，功耗為20mW。由于DAC0832價格低廉、接口簡單、轉換控制容易，在單片機控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。單片機原理及接口技術7.3模擬量輸出通道接口技術（1）DAC0832結構及引腳功能

如圖7-9所示，DAC0832由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。輸入寄存器和DAC寄存器構成兩級數(shù)據(jù)輸入鎖存，使用時數(shù)據(jù)輸入可以采用兩級鎖存（雙緩沖）方式，或單級鎖存（單緩沖）方式，或直接輸入（直通）方式。D/A轉換電路由8位T型電阻網(wǎng)絡和電子開關組成，電子開關受DAC寄存器輸出控制。3個與門電路組成寄存器輸出控制邏輯電路，該邏輯電路的功能是進行數(shù)據(jù)鎖存控制。由于具有兩個可以分別控制的數(shù)據(jù)鎖存器，因此適用于多路模擬量需同步輸出的系統(tǒng)。單片機原理及接口技術7.3模擬量輸出通道接口技術圖7-9DAC0832結構圖單片機原理及接口技術7.3模擬量輸出通道接口技術DAC0832共有20條引腳，雙列直插式封裝，如圖7-10所示，各引腳說明如下。D0~D7：8位數(shù)據(jù)輸入端，通常與CPU數(shù)據(jù)總線相連，用于接收待轉換的數(shù)字量。

ILE：輸入寄存器鎖存允許信號，高電平有效。/CS：芯片選擇信號，低電平有效。/WR1：輸入寄存器寫控制信號，低電平有效。/WR2：DAC寄存器寫控制信號，低電平有效。/XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號，低電平有效。VREF：參考電壓輸入，要求外部接一個精密的電源，電壓范圍：－10V～+10V。Rfb：內部反饋電阻引出端，可以直接連接外部運算放大器的輸出端。單片機原理及接口技術Iout1：模擬電流輸出端1，當輸入數(shù)據(jù)為全1時，輸出電流最大；當輸入數(shù)據(jù)為全0時，輸出電流為0。Iout2：模擬電流輸出端2，與Iout1之和為常數(shù)。圖7-10DAC0832引腳圖單片機原理及接口技術

由于DAC0832是電流輸出型，為了獲得電壓輸出，Iout1與Iout2通常接運算放大器的輸入端以得到模擬輸出電壓。Rfb即為運算放大器的反饋電阻端，當Rfb不滿足輸出電壓滿度精度時，可以外部串接電位器調節(jié)。Vcc：芯片工作電源，電壓范圍：+5V～+15V。當Vcc=+15V時，工作狀態(tài)最佳，邏輯開關速度最快。AGND：模擬信號地。DGND：數(shù)字信號地。

模擬地和數(shù)字地是兩種不同的地。在同一塊電路板上，如果同時有模擬元件和數(shù)字元件時，一般把所有模擬元件的地端連在一起，所有數(shù)字元件的地端連在一起，最后再把模擬接地端和數(shù)字接地端間用一根導線連接在一起，這樣可以防止模擬信號與數(shù)字信號相互干擾。單片機原理及接口技術

（2）單極性和雙極性輸出電路在控制過程中，有時對控制量的輸出要求是單方向的，在給定值時產生的偏差不改變控制量的極性，這時可采用單極性輸出電路，如圖7-11所示。由于DAC0832是8位的D/A轉換器，因此可得輸出電壓Vout與輸入數(shù)字量B的關系為

(7-6)由式（7-6）可知，Vout和B成正比關系。輸入數(shù)字量B為0時，Vout也為0；輸入數(shù)字量為255時，Vout為負的最大值；輸入數(shù)字量B為1時，一個最低有效位電壓VLSB為－VREF/256。輸出電壓是與參考電壓極性相反的單極性輸出。在被控對象需要用到雙極性電壓的場合，可以采用圖7-12所示的連接方法。單片機原理及接口技術

由式（7-6）可知，Vout和B成正比關系。輸入數(shù)字量B為0時，Vout也為0；輸入數(shù)字量為255時，Vout為負的最大值；輸入數(shù)字量B為1時，一個最低有效位電壓VLSB為－VREF/256。輸出電壓是與參考電壓極性相反的單極性輸出。圖7-11DAC0832單極性輸出連接圖單片機原理及接口技術

在被控對象需要用到雙極性電壓的場合，可以采用圖7-12所示的連接方法。

D為虛地點，故由克希荷夫定律可得圖7-12DAC0832雙極性輸出連接圖單片機原理及接口技術解上述方程組可得

(7-7)設VREF=5V當B=FFH=255時，最大輸出電壓：Vmax=[(255－128)/128]×5V=4.96V當B=00H時，最小輸出電壓：Vmin=[(0－128)/128]×5V=－5V當B=81H=129時，一個最低有效位電壓：VLSB=VREF/128=[(129－128)/128]×5V=0.04V由此可見，雙極性輸出較單極性輸出靈敏度降低了一倍。單片機原理及接口技術（3）DAC0832的工作方式及應用根據(jù)DAC0832的內部結構特點，它可以有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。直通方式是將圖7-9中的ILE、/CS、/WR1、/WR2、/XFER控制信號預置為有效，使兩個內部寄存器開放，變成輸入數(shù)據(jù)的通路，這種方式適用于比較簡單的應用場合。此種方式下DAC的輸出隨時跟隨輸入，多用于無計算機控制的D/A轉換系統(tǒng)中。單緩沖方式是將圖7-9中的一個寄存器處于常通狀態(tài)，另一個處于選通狀態(tài)，或兩個寄存器同時選通（兩個寄存器的控制信號連接在一起），如圖7-13所示。單緩沖方式多用于系統(tǒng)中只有一路D/A轉換，或雖有多路D/A轉換但不要求同步輸出的情況。單片機原理及接口技術

現(xiàn)舉例說明DAC0832在單緩沖方式下的應用。圖7-13DAC0832單緩沖方式接線圖單片機原理及接口技術

例7-1DAC0832用作波形發(fā)生器。根據(jù)圖7-13的接口電路，分別寫出產生鋸齒波、三角波的程序。

解：圖7-13中DAC0832采用的是單緩沖、單極性的連接方式。讓ILE接+5V，兩級寄存器的寫信號都由MCS-51單片機的WR端控制，寄存器選擇信號CS和傳輸控制信號XFER都由譯碼器輸出端FEH送來。當譯碼器輸出選擇好DAC0832后，只要輸出WR控制信號，DAC0832就能一步完成數(shù)字量的輸入鎖存和D/A轉換輸出。單片機原理及接口技術

鋸齒波程序如下：

ORG0100H

MOVR0，#0FEH ；輸入寄存器地址CLRA ；轉換初值LOOP：MOVX@R0，A ；D/A轉換INCA

；轉換值增量

NOP

；延時NOPNOPSJMPLOOPEND三角波程序如下：ORG0100H MOVR0，#0FEHCLRA；置下降段初值DOWN：MOVX@R0，A；線性下降段 INCA JNZDOWN MOVA，#0FEH；置上升段初值UP：MOVX@R0，A；線性上升段 DECA JNZUP SJMPDOWN END單片機原理及接口技術圖7-14DAC0832雙緩沖方式接線圖雙緩沖方式是指單片機分兩次發(fā)出控制命令，分時選通圖7-9中的兩個寄存器。首先ILE、CS、WRl有效，將數(shù)據(jù)鎖存在輸入寄存器中；然后WR2、XFER有效，再將數(shù)據(jù)送入DAC寄存器。此方式優(yōu)點是可在D/A轉換的同時，進行下一個數(shù)據(jù)的采集，以提高轉換速度，對于多路轉換可同時進行；另外可以使被轉換的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠地建立起來。圖7-14中DAC0832采用雙緩沖、單極性的連接方式?，F(xiàn)舉例如下：

例7-2根據(jù)圖7-14的DAC0832接口電路，寫出產生鋸齒波的程序。單片機原理及接口技術

解：輸入寄存器的地址為FEH，DAC寄存器的地址為FFH。操作時分兩步進行：第一步先將數(shù)據(jù)寫入8位輸入寄存器；第二步再把數(shù)據(jù)從8位輸入寄存器寫入到8位DAC寄存器中。鋸齒波程序如下：ORG0050HMOVA，#00H；轉換初值LOOP：MOVR0，#0FEH；輸入寄存器地址

MOVX@R0，A；轉換數(shù)據(jù)送輸入寄存器

INCR0；產生DAC寄存器地址

MOVX@R0，A；數(shù)據(jù)送入DAC寄存器并進行D/A轉換

DECA ；轉換值減少DECA ；轉換值減少NOP；延時NOP

NOP

SJMPLOOP

END單片機原理及接口技術

利用DAC0832的雙緩沖方式還可以實現(xiàn)兩路模擬量同時轉換輸出，其接口如圖7-15所示。在這種連接方式下，第一步單片機分時向兩個DAC0832寫入待轉換數(shù)據(jù)，并鎖存到各自的輸入寄存器中；然后單片機對兩個轉換器同時發(fā)出選通信號，使各轉換器輸入寄存器中的數(shù)據(jù)同時進入各自的DAC寄存器，以實現(xiàn)同步轉換輸出。單片機原理及接口技術

圖7-15兩路模擬信號同步輸出接口電路單片機原理及接口技術

例7-3X-Y繪圖儀與兩片DAC0832接線如圖7-15所示。設MCS-51單片機內部RAM中有兩個長度為30H的數(shù)據(jù)塊，其起始地址分別為20H和60H，編出能把20H和60H中的數(shù)據(jù)分別從1#和2#DAC0832同步輸出的程序。解：根據(jù)硬件接線圖，可知DAC0832各端口地址為FDH 1#DAC0832數(shù)字量輸入寄存器地址FEH 2#DAC0832數(shù)字量輸入寄存器地址FFH 1#和2#DAC0832啟動D/A轉換地址設R1寄存器指向60H單元；R0寄存器指向20H單元，并同時作為兩個DAC0832的端口地址指針；R7寄存器存放數(shù)據(jù)塊長度。同步輸出程序如下：ORG0300HMOVR7，#30H；數(shù)據(jù)塊長度MOVR1，#60HMOVR0，#20HLOOP：MOVA，R0單片機原理及接口技術PUSHACC；保存20H單元地址MOVA，@R0；取20H單元中的數(shù)據(jù)MOVR0，#0FDH；指向1#DAC0832的數(shù)字量輸入寄存器MOVX@R0，A；20H單元中的數(shù)據(jù)送1#DAC0832INCR0；指向2#DAC0832的數(shù)字量輸入寄存器MOVA，@R1；取60H單元中的數(shù)據(jù)INCR1；修改60H單元地址指針MOVX@R0，A；60H單元中的數(shù)據(jù)送2#DAC0832INCR0；指向1#和2#DAC0832啟動D/A轉換地址MOVX@R0，A；啟動兩片0832同時進行轉換POPACC；恢復20H單元地址INCA；修改20H單元地址指針MOVR0，ADJNZR7，LOOP；數(shù)據(jù)未傳送完，繼續(xù)END單片機原理及接口技術2.MAX527

MAX527是美國美信（Maxim）公司出品的4路12位電壓輸出型高精度D/A轉換器，與微處理器和其它的TTL/CMOS芯片兼容。MAX527片內包含有精密的輸出緩沖放大器，用來提供模擬電壓輸出，其最小轉換時間為5μs。（1）MAX527結構及引腳功能

MAX527具有8位數(shù)據(jù)總線，內部采用12位輸入寄存器和12位DAC寄存器的雙緩沖接口邏輯。通過兩次寫操作進行數(shù)據(jù)寫入，第一次寫低8位（LSB），第二次寫高4位（MSB），將12位數(shù)據(jù)裝載到輸入寄存器，并通過裝載DAC寄存器選通信號（/LDAC）將數(shù)據(jù)從輸入寄存器傳送到DAC寄存器。單片機原理及接口技術

MAX527共有24個引腳，采用塑料DIP、陶瓷SB、以及寬SO封裝形式。芯片引腳如圖7-16所示，各引腳說明如下。VOUTA～VOUTD：4通道模擬電壓輸出端。A0、A1：DAC通道選擇端。共有四種組合選擇4個不同的DAC通道。/CSLSB：低8位片選信號，低電平有效。選擇指定DAC通道的低8位輸入寄存器。/CSMSB：高4位片選信號，低電平有效。選擇指定DAC通道的高4位輸入寄存器。/LDAC：裝載DAC寄存器選通端，低電平有效。當/LDAC有效時，將每個輸入寄存器的內容傳輸?shù)剿鼘腄AC寄存器中。。單片機原理及接口技術/WR：寫信號輸入端，低電平有效。D4～D7：數(shù)據(jù)線D4～D7位。D8/D0～D11/D3：當/CSLSB、/CSMSB=01時，為數(shù)據(jù)線D0～D3位；當/CSLSB、/CSMSB=10時，為數(shù)據(jù)線D8～D11位。VSS：負電源輸入端。電壓范圍：－4.5V～－5.5V，典型值為－5V。VDD：正電源輸入端。電壓范圍：+4.75V～+5.5V，典型值為+5V。VREFAB：A、B通道基準電壓輸入端。電壓范圍：1.2V～VDD－2.2V。VREFCD：C、D通道基準電壓輸入端。電壓范圍：1.2V～VDD－2.2V。這兩個輸入端使每一對DAC都能有不同的滿刻度輸出電壓范圍。AGND、DGND：模擬信號地和數(shù)字信號地。單片機原理及接口技術圖7-16MAX527引腳圖單片機原理及接口技術（2）單極性和雙極性輸出電路

MAX527工作在單極性狀態(tài)時，輸出電壓和基準輸入電壓的極性相同，如式（7-8）所示。

(7-8)

采用圖7-17所示的連接電路，MAX527可工作在雙極性輸出狀態(tài)。每一個通道需要外接一個運算放大器和兩個電阻。當R1=R2時，輸出電壓Vout與輸入數(shù)字量B的關系如式（7-9）所示。

(7-9)

設VREFAB=2.5V

當B=FFFH=4095時，最大輸出電壓：Vmax=2.4988V

當B=000H時，最小輸出電壓：Vmin=－2.5V

當B=801H=2049時，一個最低有效位電壓：VLSB=0.0012V單片機原理及接口技術圖7-17MAX527單路雙極性輸出電路

單片機原理及接口技術3）MAX527應用現(xiàn)通過一個實例來說明MAX527的應用。如圖7-18所示，單片機的P1.0和MAX527的/LDAC連接，單片機通過控制此引腳讓MAX527實現(xiàn)由輸入寄存器到DAC寄存器的數(shù)據(jù)傳輸；P1.1、P1.2和MAX527的A0、Al相連，單片機通過設置此組引腳可以選擇4個DAC通道中的一個，本例中只選用一路輸出VOUTA，程序設計時需使P1.1、P1.2=00；P2.6、P2.7分別和MAX527的/CSLSB、/CSMSB相連，它們的作用是進行12位數(shù)據(jù)的高低位選擇，即輸入低8位數(shù)據(jù)時地址為BFFFH，輸入高4位數(shù)據(jù)時地址為7FFFH；單片機的/WR與MAX527的/WR連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入控制；在此使用外部中斷0是為了每次觸發(fā)外部中斷時啟動D/A轉換。MAX527的基準電壓選用2.5V，此基準電壓可以由基準電壓芯片MAX6192提供。單片機原理及接口技術圖7-18MAX527與MCS-51單片機接口電路單片機原理及接口技術

例7-4

設單片機片內RAM20H和21H單元存有一個12位數(shù)字量（20H單元中為低8位，21H單元中為高4位），根據(jù)圖7-18編寫出將這個12位數(shù)字量進行D/A轉換的程序。解：C51程序清單如下：#include"reg51.h"#include"absacc.h"#defineucharunsignedchar/*內部RAM地址定義*/#defineODAL8DBYTE[0x0020]#defineODAH4DBYTE[0x0021]/*MAX527片外地址定義*/#defineNDAL8XBYTE[0xbfff]#defineNDAH4XBYTE[0x7fff]sbitLDAC=P1^0;sbitA0=P1^1;sbitA1=P1^2;voidmain(){EA=1;EX0=1;while(1);}voidint0sur(void)interrupt0{uchari;A0=0;A1=0;LDAC=1;ACC=ODAL8;B=ODAH4;NDAL8=ACC;for(i=0;i<200;i++)i=i;NDAH4=B;LDAC=0;

}單片機原理及接口技術7.3.3串行D/A轉換器及接口技術并行D/A轉換芯片轉換時間短，通常不超過10μs，但它們的引腳較多，芯片體積大，與單片機連接時電路較為復雜。因此，在有些遠距離通信且對轉換速度要求不是很高的場合，為了節(jié)省連結導線，可以選用串行D/A轉換芯片。雖然輸出建立時間較并行D/A轉換芯片長，但是串行D/A轉換芯片與單片機連接時所用引線少、電路簡單，而且芯片體積小、價格低。下面介紹一種常用的串行D/A轉換芯片。AD7543是美國模擬器件（ADI）公司生產的12位電流輸出型串行輸入D/A轉換器。AD7543的建立時間為2μs，采用CMOS工藝，功耗最大為40mW。其數(shù)字量是由高位到低位逐次一位一位地輸入。單片機原理及接口技術（1）AD7543結構及引腳功能圖7-19AD7543內部結構圖單片機原理及接口技術AD7543的片內邏輯電路由12位串行移位寄存器（A）和12位DAC輸入寄存器（B）以及12位D/A轉換單元組成，如圖7-19所示。DAC輸入寄存器（B）和D/A轉換單元與并行D/A轉換器完全相同，不同的只是移位寄存器（A）。出現(xiàn)在AD7543的SRI腳上的數(shù)據(jù)，在選通輸入信號STB1、STB2、STB4的上升沿或STB3的下降沿（由用戶選定），定時地把SRI引腳上的串行數(shù)據(jù)裝入寄存器A。一旦寄存器A裝滿，在加載脈沖/LD1、/LD2的控制下，寄存器A的數(shù)據(jù)便裝入寄存器B中，并進行D/A轉換。

AD7543采用16引腳雙列直插式封裝，其引腳如圖7-20所示，各引腳說明如下。單片機原理及接口技術IOUTl、IOUT2：D/A轉換后電流輸出端。AGND：模擬信號地。STBl、STB2、/STB3、STB4：移位寄存器A選通輸入端，其對應選通的關系如表7-1所示。/LD1、/LD2：寄存器B加載輸入選擇端，其對應關系也如表7-1所示。SRI：輸入到寄存器A的串行數(shù)據(jù)輸入端。DGND：數(shù)字信號地。/CLR：寄存器B清除輸入，低電平有效，用于將寄存器B復位為全0。VDD：+5V電源輸入端。VREF：基準電壓輸入端。電壓范圍：－10V～+10V。Rfb：內部反饋電阻引出端，可以直接連接外部運算放大器的輸出端。單片機原理及接口技術圖7-20AD7543引腳圖單片機原理及接口技術表7-1AD7543真值表

單片機原理及接口技術圖7-21AD7543單極性輸出接口電路（2）AD7543應用

AD7543與MCS-51單片機的接口電路如圖7-21所示。圖中單片機的串行口直接與AD7543相連，選用工作方式0（同步移位寄存器方式），其TXD端移位脈沖的下降沿將RXD輸出的位數(shù)據(jù)移入AD7543的寄存器A中，然后利用P1.0的輸出信號產生/LD2，從而將AD7543移位寄存器A中的內容輸入到寄存器B中，并啟動D/A轉換。單片機原理及接口技術ORG0100HOUTDA：MOVA，DBUFH；取高位SWAP；高4位和低4位交換MOVDBUFH，AMOVA，DBUFL；取低位ANLA，#0F0H；截取高4位SWAP；高4位和低4位交換ORLA，DBUFH；合成，(A)=D11D10D9D8D7D6D5D4LCALLASMB；順序轉換由于AD7543的12位數(shù)據(jù)是由高位至低位串行輸入的，而MCS-51單片機串行口工作于方式0時，其數(shù)據(jù)是由低位至高位串行輸出的。因此，在數(shù)據(jù)輸出到AD7543之前必須對轉換數(shù)據(jù)格式進行重新調整。以下為AD7543進行D/A轉換的程序，設待轉換的12位數(shù)字量存儲在內部RAM單元，地址為DBUFH（高4位）和DBUFL（低8位），則D/A轉換子程序如下：單片機原理及接口技術MOVDBUFH，A；存結果(DBUFH)=D4D5D6D7D8D9D10D11MOVA，DBUFL；取低位ANLA，#0FH；截取低4位SWAP；交換，(A)=D3D2D1D00000LCALLASMBB；順序轉換MOVDBUFL，A；存結果(A)=0000D0D1D2D3MOVSCON，#00H；設置串行口工作于方式0輸出MOVA，DBUFHMOVSBUF，A；發(fā)送高8位JNBTI，$；等待發(fā)送完成CLRTI；發(fā)送完畢，清標志MOVA，DBUFLMOVSBUF，A；發(fā)送低4位JNBTI，$；等待CLRTI；發(fā)送完畢CLRP1.0；A寄存器加載到B寄存器NOPSETBP1.0；恢復RETASMBB：MOVR6，#00HMOVR7，#08HCLRCALO：RLCAXCHA，R6RRCAXCHA，R6DJNZR7，ALOXCHA，R6RET單片機原理及接口技術

在單片機實時測控和智能化儀表等應用系統(tǒng)中，常需將檢測到的連續(xù)變化的模擬量（如溫度、壓力、流量、速度、液位和成分等）通過模擬量輸入通道轉換成單片機可以接收的數(shù)字量信號，輸入到單片機中進行處理。A/D轉換器（簡稱ADC）是模擬量輸入通道的主要組成部分，用于完成模擬量到數(shù)字量的轉換。A/D轉換接口設計主要是根據(jù)用戶提出的數(shù)據(jù)采集精度及速度等要求，按一定的技術經濟準則合理的選擇通道結構和A/D轉換器芯片，并配置多路模擬開關、前置放大器、采樣保持器、接口和控制電路等，實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的線性轉換，對被測信號進行采集和處理。7.4模擬量輸入通道接口技術單片機原理及接口技術7.4.1A/D轉換器主要技術指標

ADC的性能指標是正確選用ADC芯片的基本依據(jù)，也是衡量ADC質量的關鍵問題。由于與D/A轉換是互逆的過程，因此它們的性能指標定義基本上是相同的。（1）分辨率

ADC的分辨率是指使ADC輸出數(shù)字量的最低位發(fā)生變化時所對應的輸入模擬電壓變化的值。和DAC一樣，它表示A/D轉換器所能分辨的最小量化單位。通常定義為滿刻度電壓值與（2n－1）之比。ADC的分辨率也用位數(shù)表示，例如12位ADC的分辨率就是12位。（2）轉換速度轉換速度是通過轉換時間來衡量的，轉換時間是指啟動A/D轉換到轉換結束所需要的時間。不同型號、不同分辨率的器件轉換時間相差很大，一般是幾十納秒到幾百毫秒。選擇A/D轉換器時，應視現(xiàn)場需要及經濟因素選用。單片機原理及接口技術（3）轉換精度

ADC的轉換精度由模擬誤差和數(shù)字誤差組成。模擬誤差是由比較器、解碼網(wǎng)絡中電阻值以及基準電壓波動等引起的誤差。數(shù)字誤差主要包括丟失碼誤差和量化誤差，前者屬于非固定誤差，由器件質量決定；后者和ADC輸出數(shù)字量位數(shù)有關，位數(shù)越多，誤差越小。

A/D轉換器的轉換精度通常有兩種表示形式，絕對精度和相對精度。絕對精度指滿刻度輸出的實際電壓與理想輸出值之差。相對精度是指絕對精度相對于轉換器滿刻度輸出模擬電壓的百分比。

還有一些其它參數(shù)也與D/A轉換器類似，這里不再一一介紹。單片機原理及接口技術7.4.2并行A/D轉換器及接口技術1.ADC0809ADC0809是美國國家半導體（NS）公司生產的8位八通道逐次逼近式A/D轉換器。它采用CMOS工藝，功耗約15mW。ADC0809的特點是：具有鎖存控制的八路模擬開關分時選通8路模擬信號；采用脈沖形式的啟動轉換信號；輸入、輸出引腳電平與TTL電平兼容；輸出數(shù)據(jù)寄存器設置成可控的三態(tài)門，允許與單片機直接相連；當輸入電壓范圍為0～5V時，可使用單一的+5V電源，不需要外部的調零和滿量程校準。單片機原理及接口技術（1）ADC0809結構及引腳功能圖7-22所示為ADC0809內部邏輯結構圖，它由八路模擬開關、8位A/D轉換器、三態(tài)輸出鎖存器以及地址譯碼器等組成。A/D轉換器將多路模擬開關輸出的模擬電壓轉換成8位數(shù)據(jù)，每比較一次確定一位，第一次確定D7位，最后一次確定D0位。每次比較需8個時鐘周期，比較8次共需64個時鐘周期。當ADC0809采用典型時鐘頻率640kHz時，則轉換一路模擬信號所需的轉換時間為64/640kHz＝100μs。最后將轉換結果送三態(tài)輸出緩沖器。單片機原理及接口技術圖7-22ADC0809結構圖單片機原理及接口技術ADC0809共有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖7-23所示，各引腳說明如下。IN0～IN7：8個通道的模擬量輸入端，電壓范圍：0～+5V。D0～D7：數(shù)字量輸出端。ADDA～ADDC：8路模擬開關的選通地址輸入端，用以選擇8個通道中的一個模擬量進行A/D轉換，其中ADDA為低位，ADDC為高位。ALE：地址鎖存使能端，ALE的上升沿將ADDA、ADDB、ADDC輸入的地址鎖存到地址鎖存器，經譯碼后控制多路模擬開關，將對應輸入通道接至內部比較器的輸入端。START：A/D轉換啟動控制端，加正脈沖后轉換開始。START上升沿對內部所有寄存器清0；START下降沿啟動A/D轉換；在A/D轉換期間，START應保持低電平。單片機原理及接口技術START常與ALE短接，以便選擇通道的同時啟動A/D轉換，要求START和ALE的信號寬度不小于100ns。EOC：轉換結束信號輸出端，當A/D轉換開始后EOC變低，而轉換結束時EOC返回高電平。該信號可以作為A/D轉換結束的狀態(tài)信號供查詢用，也可作為中斷請求信號，向CPU申請取走A/D轉換結果。OE：輸出允許使能端，當OE端的電平由低變高時，三態(tài)輸出緩沖器打開，將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上。與單片機連接時該信號一般由片選或讀信號產生。CLK：時鐘信號輸入端，頻率范圍：10kHz～1.28MHz，典型頻率為640kHz。VREF(＋)、VREF(－)：參考電壓輸入端，一般VREF(＋)與電源VCC連接，VREF(－)與GND連接。VCC：+5V電源電壓輸入端。GND：信號地。單片機原理及接口技術圖7-23ADC0809引腳圖單片機原理及接口技術（2）ADC0809的操作時序

ADC0809的操作時序如圖7-24所示。圖中：tWE：ALE脈寬100～200ns；tws：啟動脈寬100～200ns；tEOC：轉換結束標志復位延遲時間（1～8個時鐘周期）；tc：轉換時間為64個時鐘周期。單片機原理及接口技術

ADC0809的操作時序圖定量地描述了芯片操作時的時序配合關系，是正確使用芯片的依據(jù)，具有十分重要的意義。圖7-24ADC0809操作時序圖單片機原理及接口技術（3）ADC0809應用

ADC0809內部有一個8位三態(tài)鎖存緩沖器，可以鎖存A/D轉換后的數(shù)據(jù)，因此它即可以和單片機直接連接，也可以通過外部并行接口芯片，如8255A與單片機間接連接。圖7-25中，ADC0809與單片機是直接連接的。根據(jù)ADC0809的時序圖可知，其工作步驟分為選擇通道、啟動A/D轉換、確認轉換結束和讀取數(shù)據(jù)4個步驟。在這4個步驟中需要解決兩個關鍵問題：一是8路模擬通道的選擇信號與單片機的連接問題，圖7-25中8路模擬通道的選擇信號ADDA、ADDB、ADDC與單片機地址總線的最低3位連接，當然這三個通道選擇信號也可以與單片機的數(shù)據(jù)總線連接，如圖7-26所示。不同的連接編程方式不同，在具體應用時需要加以注意；二是采取什么樣的方式確認A/D轉換已完成，為此可采用如下三種方式：單片機原理及接口技術1）由于ADC0809的轉換時間作為一項技術指標是已知和固定的，可根據(jù)此指標設計一個延時子程序。A/D轉換啟動后，就調用這個延時子程序，延遲時間一到，轉換肯定已經完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。這稱為定時傳送方式。2）通過查詢ADC0809的EOC端是否發(fā)生正跳變（由低變高），即可確知轉換是否完成。若完成，則接著進行數(shù)據(jù)傳送。這稱為查詢方式，如圖7-25中將EOC連接到MCS-51單片機的P1.0端（實線）。3）把表明轉換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送，如圖7-25中將EOC取反后連接到MCS-51單片機的/INT0引腳（虛線）。不管使用上述哪種方式，一旦確認轉換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。下面通過實例說明ADC0809的應用。單片機原理及接口技術圖7-25ADC0809與MCS-51單片機接口1單片機原理及接口技術

ORG0000HAJMPSTARTORG0050HSTART：MOVDPTR，#7FF0H；指向通道0

MOVR2，#08H

MOVR0，#20H

ROT：MOVX@DPTR，A；選擇通道并啟動A/D轉換LOOP：JBP1.0，LOOP；等待轉換開始LOOP1：JNBP1.0，LOOP1；等待轉換結束例7-5如圖7-25所示，試用查詢和中斷兩種方式編寫程序，對IN0～IN7通道上的模擬電壓數(shù)據(jù)進行一次采集，并將轉換結果送入內部RAM20H單元開始的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。解：如圖所示，ADC0809的START、ALE短接并與MCS-51單片機的P2.7（A15）連接，ADDA、ADDB、ADDC與MCS-51單片機經鎖存后的P0.0、P0.1、P0.2（A0、A1、A2）連接，因此選擇和啟動8個通道的地址為7FF0H～7FF7H。若按查詢方式連接EOC后，程序清單如下：單片機原理及接口技術MOVXA，@DPTR；讀取A/D轉換數(shù)據(jù)MOV@R0，A；存儲數(shù)據(jù)INCDPTR；指向下一個通道INCR0DJNZR2，ROTEND若按中斷方式連接EOC后，程序清單如下：ORG0000HLJMPSTARTORG0003H ；外中斷0的入口地址LJMP1000H；轉中斷服務程序的入口地址ORG0050HSTART：MOVDPTR，#7FF0HMOVR2，#08HMOVR0，#20H SETBEASETBEX0；開外中斷0SETBIT0；中斷請求信號為負邊沿觸發(fā)RETIROT：MOVX@DPTR，A；啟動A/D轉換LOOP：SJMPLOOP；等待中斷DJNZR2，ROTENDORG1000HMOVXA，@DPTR；讀取A/D轉換數(shù)據(jù)MOV@R0，A；存儲數(shù)據(jù)INCDPTR；指向下一個通道INCR0RETI單片機原理及接口技術

指令MOVX@DPTR，A中的A存放的是任意數(shù)，目的是為了利用該指令產生有效的ALE、/WR信號和P2.7、P0口的地址線，這樣ADC0809才能鎖存地址信號并啟動轉換。當單片機用數(shù)據(jù)線選擇通道時，可以不使用地址鎖存器，如圖7-26所示。此時ADC0809的鎖存和啟動通道地址為7FFFH，通道選擇信號線分別連接單片機數(shù)據(jù)線的最低三位，因此8路模擬通道號分別為00H～07H。圖7-26ADC0809