《單片機原理、接口與C51應(yīng)用程序設(shè)計》課件第10章

第10章單片機與A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)10.1A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路

10.2單片機與D/A轉(zhuǎn)換器的接口

10.1A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路

10.1.1概述

1.?A/D轉(zhuǎn)換器的分類

按輸出的數(shù)字量的位數(shù)，A/D轉(zhuǎn)換器可分為8位A/D轉(zhuǎn)換器、10位A/D轉(zhuǎn)換器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、16位A/D轉(zhuǎn)換器等；按輸入的模擬量的路數(shù)，A/D轉(zhuǎn)換器可分為單列A/D轉(zhuǎn)換器、多路A/D轉(zhuǎn)換器；按工作方式，可分為逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器在精度、速度和價格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器有精度高、抗干擾性能好、價格低廉等優(yōu)點，但轉(zhuǎn)換速度較慢。

2.?A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標

1)分辨率(Resolution)或轉(zhuǎn)換靈敏度

分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸入模擬量，即數(shù)字量變化1個量化單位時模擬信號的變化量，也稱轉(zhuǎn)換靈敏度，通常用A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位等，位數(shù)越高，分辨率越高，價格越貴。設(shè)一個A/D轉(zhuǎn)換器模擬電壓輸入的滿刻度值為Vmax，轉(zhuǎn)換位數(shù)是n,即有2n個量化電平，則分辨率(Resolution)或轉(zhuǎn)換靈敏度定義為：

2)轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率(ConversionRate)

轉(zhuǎn)換時間指完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要的時間，從啟動A/D轉(zhuǎn)換開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到數(shù)字量輸出為止的時間，通常轉(zhuǎn)換時間越短，轉(zhuǎn)換速度越快。積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級，屬低速A/D轉(zhuǎn)換器；逐次逼近型A/D是微秒級，屬中速A/D轉(zhuǎn)換器；全并行/串并行型A/D轉(zhuǎn)換器可達到納秒級。

采樣時間是另外一個概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的時間間隔。轉(zhuǎn)換速率是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需時間的倒數(shù)。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(SampleRate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率。轉(zhuǎn)換速率的常用單位是kS/s和MS/s，表示每秒采樣千/百萬次(kiloMillionSamplespersecond)。

3)量化誤差(QuantizingError)

由于A/D轉(zhuǎn)換的工作原理決定了其不能做到完全線性，所以必然會因有限分辨率而引起誤差。量化誤差是指有限分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辨率A/D(理想A/D)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差，通常用1個或半個最小數(shù)字量所對應(yīng)的模擬變化量來表示，表示為1LSB、1/2LSB。量化誤差可以表征A/D轉(zhuǎn)換器的精度。

4)線性度(Linearity)

線性度指A/D轉(zhuǎn)換器的實際特性轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，它是由A/D轉(zhuǎn)換器本身的電路結(jié)構(gòu)和制造工藝等原因造成的。

其它指標還包括絕對精度、相對精度、微分非線性、量程、單調(diào)性、無錯碼、總諧波失真和積分非線性等。表10.1給出了常見A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標。表10.1常用A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標

3.?A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

在系統(tǒng)設(shè)計中，A/D轉(zhuǎn)換器的選擇應(yīng)注意以下幾點：

1)位數(shù)的選擇

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與一個應(yīng)用系統(tǒng)前向通道中的被測量對象的精度有關(guān)。一般情況下，由于客觀條件的影響，電路設(shè)計中的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率要高于被測量對象的最低分辨率。例如，要測量一組電源電壓，其輸出范圍是0V～10V,如要求精確到0.1V，即分辨率為0.1/10?=?0.01?=?1%，8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/28?=?1/256?=?0.4%，則選擇8位的A/D轉(zhuǎn)換器便可滿足要求。當(dāng)然，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，分辨率越高，但成本也愈高。因此在實際電路的設(shè)計中選擇A/D轉(zhuǎn)換器也不能一味強調(diào)位數(shù)，應(yīng)在滿足系統(tǒng)性能指標的前提下，追求最高的性價比。

2)轉(zhuǎn)換速率的選擇

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率與系統(tǒng)的設(shè)計指標息息相關(guān)，在一些高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如虛擬數(shù)字示波器、雷達識別、視頻圖像實時分析等系統(tǒng))中，往往要采用高速A/D轉(zhuǎn)換器，如TI公司的ADS809，其采樣轉(zhuǎn)換速率可達80Mb/s；反之，對于一些參數(shù)變化緩慢的數(shù)據(jù)采集，如電源電壓、溫度和壓力的數(shù)據(jù)采集，采用低速的A/D轉(zhuǎn)換器即可，如廣泛使用的ICL7135等。通常雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器主要用作低速場合，但其分辨率、靈敏度和抗干擾能力較高，如常用的MC14433、ICL7109等；逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一般用在中、高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，如AD574、AD7552等，但芯片的制作成本比較高。

3)輸入信號的極性選擇

A/D轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)系統(tǒng)前向通道輸出信號的極性采用雙極性或單極性芯片，以滿足輸入信號的多種需求。采用雙極性芯片必然涉及一個項目成本的問題，它不但包括A/D轉(zhuǎn)換芯片自身的成本，還包括提供給芯片的電源的成本(通常要增加一組負電源提供給芯片)。如果系統(tǒng)對被測信號精度的要求不高，則可以通過如圖10.1所示的方式僅增加兩個電阻，便可使只能允許正電壓信號輸入的A/D芯片采集負電壓信號。圖10.1單極性AD實現(xiàn)雙極性信號的采集

4)抗干擾措施

一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端比較容易受到外界干擾，這往往會導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)化的結(jié)果與實際情況有一定的偏差。為防止這種干擾，應(yīng)在電路設(shè)計上采取一些基本的抗干擾措施，包括PCB布線設(shè)計、電源濾波等?，F(xiàn)在比較流行的一些模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC1543、TLC2543、TLC5510均有AGND、DGND兩個接地端，分別對應(yīng)模擬地和數(shù)字地。AGND、DGND在芯片的內(nèi)部一般不連接，只有通過外部引線相接。在設(shè)計電路板時，AGND、DGND線應(yīng)通過獨立的電源線單獨走線，可采用屏蔽良好的雙絞線，最后統(tǒng)一接到電源地。AGND、DGND應(yīng)當(dāng)分別用0.1μF的電容去耦，電容應(yīng)盡量靠近AGND和DGND引腳。同時，模擬輸入信號端、數(shù)字信號輸出端應(yīng)嚴格與AGND走線隔離，不得交叉，以防止AGND上的雜波信號對輸入、輸出端形成干擾。有條件的話，在設(shè)計電路板時，AGND的走線最好放在模擬信號輸入端，以形成屏蔽。

另外，可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況來選擇A/D轉(zhuǎn)換器的通道數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器的數(shù)據(jù)接口。接口有并行、串行之分。串行總線可采用SPI、I2C等協(xié)議，但串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率一般都小于并行接口的A/D轉(zhuǎn)換器。10.1.2并行A/D轉(zhuǎn)換器及其軟硬件設(shè)計

1.?ADC0809的結(jié)構(gòu)

ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖如圖10.2所示。片內(nèi)有一帶鎖存功能的8通道多路開關(guān)，可以對8路0V～5V的輸入模擬電壓信號分時轉(zhuǎn)換。三個地址信號ADDA、ADDB和ADDC決定是哪一路模擬信號被選中并送到內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)還有地址鎖存和譯碼器以及逐次逼近型寄存器等。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可以直接接到單片機數(shù)據(jù)總線上。圖10.2ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2.引腳及其功能

ADC0809采用28引腳的DIP封裝，引腳圖如圖10.3所示。圖10.3ADC0809引腳圖

IN0～IN7：8個模擬通道輸入端。

Vr(+)、Vr(-)：參考電壓輸入端。

ADDA、ADDB、ADDC：通道地址輸入端，經(jīng)譯碼后可選通IN0～IN7八通道中的一個通道進行轉(zhuǎn)換，A為低位，C為高位。通道地址選擇如表10.2所示。表10.2ADC0809通道選擇表

3.工作時序

ADC0809的工作時序圖如圖10.4所示。圖10.4ADC0809的工作時序圖

4.?ADC0809與MCS-51單片機的接口

ADC0809與51單片機的接口電路圖如圖10.5所示。圖10.5ADC0809與51單片機的接口電路

5.?ADC0809軟件設(shè)計

ADC0809有8個模擬信號輸入端，其地址位由ADDA～ADDC確定，因此程序設(shè)計中，在啟動ADC0809后，應(yīng)首先將被選擇的通道寫入，然后查詢EOC的狀態(tài)。當(dāng)EOC為“0”電平時，讀取相應(yīng)的結(jié)果。

單片機可以采用定時、中斷和查詢3種方式來控制ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換。圖10.6是對ADC0809操作的流程圖。根據(jù)流程圖得到的ADC0809與51單片機的接口程序見例10.1和例10.2。圖10.6ADC0809進行A/D轉(zhuǎn)換的流程10.1.3SPI串行接口A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543

1.?SPI總線簡介

SPI(SerialPeripheralInterface，串行外設(shè)接口)總線是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術(shù)，允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信、數(shù)據(jù)交換，外圍設(shè)備包括FLASHRAM、A/D轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)控制器、MCU等，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，可達到幾Mb/s。SPI是一種全雙工的同步串行接口，一個SPI總線可以連接多個主機和多個從機。在同一時刻只允許一個主機操作總線，并且同時只能和一個從機通信。硬件連接如圖10.7所示。使用SPI通信需要4個引腳，其功能如表10.3所示。圖10.7SPI總線器件間傳送數(shù)據(jù)框圖表10.3SPI引腳功能

1.?TLC1543引腳及其功能

TLC1543是美國TI公司生產(chǎn)的CMOS工藝10位開關(guān)電容逐次逼近型11通道A/D轉(zhuǎn)換器，采用SPI串行接口協(xié)議，與微處理器連接采用SPI串行總線方式，包括控制輸入端片選()、輸入/輸出時鐘(I/OCLOCK)、地址輸入(ADDRESS)和一個數(shù)據(jù)輸出端(DATAOUT)。系統(tǒng)時鐘由芯片內(nèi)部產(chǎn)生，內(nèi)部轉(zhuǎn)換器具有高速(轉(zhuǎn)換時間為10μs)，高精度(分辨率為10位，最大不可調(diào)整誤差為±1LSB)和低噪聲的特點。TLC1543采用20腳DIP封裝，引腳排列如圖10.8所示。圖10.8TLC1543引腳圖

2.?TLC1543的工作時序

TLC1543工作時序如圖10.9所示。圖10.9TLC1543工作時序

3.?TLC1543與MCS-51單片機的接口

TLC1543與51單片機的接口電路如圖10.10所示。圖10.10TLC1543與51單片機的接口電路

4.軟件設(shè)計

由于MCS-51系列單片機不帶SPI串行總線接口，所以要使用軟件來模擬SPI的操作，可定義三個普通I/O口來模擬SPI器件的SCK、MISO、MOSI。TLC1543在SCK的上升沿輸入數(shù)據(jù)，在下降沿輸出數(shù)據(jù)，所以將其串行時鐘輸出口的初始狀態(tài)設(shè)置為1，而在允許接口后再置為0。這樣單片機在輸出1位SCK時鐘的同時輸出1位數(shù)據(jù)至單片機的模擬MISO線，此后再置SCK為1，使單片機從模擬的MOSI線輸出1位數(shù)據(jù)至串行接口芯片，從而完成了模擬1位數(shù)據(jù)的輸入/輸出。如此循環(huán)8次即可完成1次通過SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。軟件設(shè)計中，應(yīng)注意區(qū)分表10.4給出的TLC1543的11個模擬輸入通道和3個內(nèi)部測試電壓地址，通道地址必須為寫入字節(jié)的高四位，而CPU讀入的數(shù)據(jù)是上次A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。TLC1543SPI接口軟件設(shè)計流程如圖10.11所示。表10.4TLC1543地址表圖10.11TLC1543SPI接口軟件設(shè)計流程

2.硬件接口和PCB板設(shè)計

對于不具有SPI接口的MCS-51單片機，為了和TLC2543通信，需要用軟件來模擬SPI。圖10.14是TLC2543和MCS-51單片機的接口簡圖，TLC2543的I/O時鐘、數(shù)據(jù)輸入、片選由P1.3、P1.1、P1.0提供，TLC2543的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過P1.2腳接收，通道選擇和方式數(shù)據(jù)通過P3口輸入到微控制器。圖10.14TLC2543和MCS-51單片機的接口電路

3.軟件設(shè)計

TLC2543與單片機的接口的C語言程序如下(函數(shù)uintread2543(ucharport)中的port為需要轉(zhuǎn)換的通道號，返回值為一個16位的整形數(shù)值)： 10.2單片機與D/A轉(zhuǎn)換器的接口

10.2.1概述

1.?D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標

在進行包含有D/A轉(zhuǎn)換器的單片機系統(tǒng)設(shè)計之前，要根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標選擇D/A芯片。下面介紹D/A轉(zhuǎn)換的主要性能指標。

(1)分辨率：指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，是數(shù)字量的最低有效位所對應(yīng)的模擬量，取決于輸入數(shù)字量的位數(shù)，定義為滿刻度與2n的比值。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。

(2)轉(zhuǎn)換精度：指滿量程時DAC的實際模擬輸出值和理論值的接近程度。例如，滿量程時理論輸出電壓值為10V，實際輸出值在9.99V～10.01V之間，則其轉(zhuǎn)換精度為±10mV。DAC的轉(zhuǎn)換精度也可定義為分辨率的一半，即為±LSB/2。

(3)偏移量誤差：指輸入數(shù)字量為零時，輸出模擬量對零的偏移值。這種誤差通?？梢酝ㄟ^DAC的外接VREF和電位計加以調(diào)整。

(4)線性度：指DAC的實際轉(zhuǎn)換特性曲線和理想直線之間的最大偏移差。線性度不應(yīng)超出±LSB。

(5)建立時間：是將一個數(shù)字量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定模擬信號所需的時間，也可以認為是轉(zhuǎn)換時間。D/A轉(zhuǎn)換中常用建立時間來描述其速度，而不是A/D轉(zhuǎn)換中常用的轉(zhuǎn)換速率。一般地，電流輸出D/A轉(zhuǎn)換器建立時間較短，電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器建立時間則較長。

2.?D/A轉(zhuǎn)換器的分類

按輸入數(shù)字量的位數(shù)，D/A轉(zhuǎn)換器可分為8位、10位、12位和16位等形式；按接口方式，D/A轉(zhuǎn)換器可分為并行方式和串行方式；按輸出形式，D/A轉(zhuǎn)換器可分為電流輸出和電壓輸出兩大類，而電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器又分單極型和雙極型。常見的D/A轉(zhuǎn)換器有8位20引腳DIP封裝的DAC0830系列，包括DAC0830、DAC0831、DAC0832等，10位16引腳DIP封裝的DAC1020系列，包括DAC1020、DAC1021、DAC1022等，12位18引腳DIP封裝的DAC1220系列，包括DAC1220、DAC1221、DAC122等，采用SPI總線協(xié)議的TLC561、TLC5602、TLC5612、TLC5615等。10.2.2DAC0832與單片機的接口

DAC0832是8位分辨率的電流型D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。該芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其轉(zhuǎn)換時間為1μs，數(shù)據(jù)輸入端具有雙緩沖功能，可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入，以便適于各種電路的需要，滿量程誤差為±1LSB，供電電源為+5V～+15V，功耗為20mW，其線性度只需在滿量程下調(diào)整，邏輯電平輸入與TTL兼容。

1.邏輯結(jié)構(gòu)

DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖10.15所示，主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。圖10.15DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2.引腳功能

DAC0832采用20引