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8 1模拟接口概述8 2dac及其接口8 3adc及其接口 第8章模拟接口 单片机的外部设备不一定都是数字式的 也经常会和模拟式的设备连接 例如单片机来控制温度 压力时 温度和压力都是连续变化的 都是模拟量 在单片机与外部环境通信的时候 就需要有一种转换器来把模拟信号变为数字信号 以便能够输送给单片机进行处理 而单片机送出的控制信号 也必须经过变换器变成模拟信号 才能为控制电路所接受 这种变换器就称为数模 d a 转换器和模数 a d 转换器 cpu与模拟外设之间的接口电路称为模拟接口 在这一章里将介绍单片机与a d及d a转换器接口 以及有关的应用 8 1模拟接口概述 一 dac介绍 1 dac结构 dac芯片上集成有d a转换电路和辅助电路 2 dac的参数 描述d a转换器性能的参数很多 主要有以下几个 分辨率 resolution 偏移误差 offseterror 线性度 linearity 精度 accuracy 转换速度 convemionrate 温度灵敏度 temperaturesensitivity 二 典型dac芯片及其接口 8 2dac及其接口 dac0832 集成化的d a转换器有两类不同的芯片 一类是不便和微处理器 微计算机接口的 这类芯片只有数字输入 模拟输出等端子 不带使能端及其他控制端 另一类d a芯片是为微机系统设计的 因而带有使能端等控制输入 以便和微机接口 能与微机接口的d a芯片也有许多种 其中有的是不带数据锁存器的 这类d a转器与微机连接时不够方便 也有的是带有数据锁存器的 目前应用较广泛 下面通过典型芯片来介绍单片机与这类d a转换器的接口 一 dac介绍 1 dac结构 dac芯片上集成有d a转换电路和辅助电路 2 dac的参数 描述d a转换器性能的参数很多 主要有以下几个 分辨率 resolution 偏移误差 offseterror 线性度 linearity 精度 accuracy 转换速度 convemionrate 温度灵敏度 temperaturesensitivity 8 2dac及其接口 分辨率反映了数字量在最低位上变化1位时输出模拟量的最小变化 一般用相对值表示 对于8位d a转换器来说 分辨率为最大输出幅度的0 39 即为1 256 而对于10位d a转换器来说 分辨率可以提高到0 1 即1 1024 一 dac介绍 1 dac结构 dac芯片上集成有d a转换电路和辅助电路 2 dac的参数 描述d a转换器性能的参数很多 主要有以下几个 分辨率 resolution 偏移误差 offseterror 线性度 linearity 精度 accuracy 转换速度 convemionrate 温度灵敏度 temperaturesensitivity 8 2dac及其接口 偏移误差是指输人数字量为0时 输出模拟量对0的偏移值 这种误差一般可在d a转换器外部用电位器调节到最小 一 dac介绍 1 dac结构 dac芯片上集成有d a转换电路和辅助电路 2 dac的参数 描述d a转换器性能的参数很多 主要有以下几个 分辨率 resolution 偏移误差 offseterror 线性度 linearity 精度 accuracy 转换速度 convemionrate 温度灵敏度 temperaturesensitivity 8 2dac及其接口 线性度是指d a转换器的实际转移特性与理想直线之间的最大误差 或最大偏移 一般情况下 偏差值应小于土言lsb 这里lsb是指最低一位数字量变化所带来的幅度变化 一 dac介绍 1 dac结构 dac芯片上集成有d a转换电路和辅助电路 2 dac的参数 描述d a转换器性能的参数很多 主要有以下几个 分辨率 resolution 偏移误差 offseterror 线性度 linearity 精度 accuracy 转换速度 convemionrate 温度灵敏度 temperaturesensitivity 8 2dac及其接口 精度为实际模拟输出与理想模拟输出之间的最大偏差 除了线性度不好会影响精度之外 参考电源的波动等因素都会影响精度 可以理解为线性度是在一定测试条件下得到的d a转换器的误差 而精度是指在实际工作时的d a转换器的误差 一般质量的d a转换器的精度为满量程的o 2 言lsb 一 dac介绍 1 dac结构 dac芯片上集成有d a转换电路和辅助电路 2 dac的参数 描述d a转换器性能的参数很多 主要有以下几个 分辨率 resolution 偏移误差 offseterror 线性度 linearity 精度 accuracy 转换速度 convemionrate 温度灵敏度 temperaturesensitivity 8 2dac及其接口 转换速度即每秒钟可以转换的次数 其倒数为转换时间 一 dac介绍 1 dac结构 dac芯片上集成有d a转换电路和辅助电路 2 dac的参数 描述d a转换器性能的参数很多 主要有以下几个 分辨率 resolution 偏移误差 offseterror 线性度 linearity 精度 accuracy 转换速度 convemionrate 温度灵敏度 temperaturesensitivity 8 2dac及其接口 温度灵敏度是指输入不变的情况下 输出模拟信号随温度的变化 一般d a转换器的温度灵敏度约为 50x10 6 o ppm为百万分之一 即partspermillion dac0832的结构dac0832的引脚dac0832的接口dac0832的应用 dac0832 dac0832的结构 8位输入寄存器 8位dac寄存器 8位d a转换器 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 ile cs wr1 xfer wr vref iout1 iout2 dgnd le1 le2 8位输入寄存器由8个d锁存器组成 用来作为输入数据的缓冲寄存器 它的8个数据输入可以直接和微机的数据总线相连 le1为其控制输入 le1 1时 d触发器接收信号 ie1 0时 为锁存状态 8位dac寄存器它也由8个d锁存器组成 8位输人数据只有经过dac寄存器才能送到d a转换器去转换 它的控制端为le2 当le2 1时 输出跟随输入 而当le2 0时为锁存状态 dac寄存器的输出直接送到8位d a转换器进行数模转换 le1 1的条件 ile 1 wr1 0 cs 0le2 1的条件 wr2 0 xfer 0 rfb dac0832的引脚 dac0832是cmos工艺 双列直插式20引脚 vcc电源可以在5 15v内变化 典型使用时用15v电源 agnd为模拟量地线 dgnd为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压vref接外部的标准电源 vref一般可在 10v到 10v范围内选用 dac0832的引脚 8位输入寄存器 8位dac寄存器 8位d a转换器 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 ile cs wr1 xfer wr vref iout1 iout2 dgnd le1 le2 dac0832是cmos工艺 双列直插式20引脚 vcc电源可以在5 15v内变化 典型使用时用15v电源 agnd为模拟量地线 dgnd为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压vref接外部的标准电源 vref一般可在 10v到 10v范围内选用 它的输出是与数字量成比例的电流 vref为参考电压输入 rfb为运算放大器的反馈电阻 引脚rfb则是这个反馈电阻瑞 接到运算放大器的输出端 rfb dac0832的引脚 8位输入寄存器 8位dac寄存器 8位d a转换器 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 ile cs wr1 xfer wr vref iout1 iout2 dgnd le1 le2 dac0832是cmos工艺 双列直插式20引脚 vcc电源可以在5 15v内变化 典型使用时用15v电源 agnd为模拟量地线 dgnd为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压vref接外部的标准电源 vref一般可在 10v到 10v范围内选用 dac0832有两个电流输出端 loutl为dac电流输出1 当dac寄存器中为全1时 输出电流最大 当dac寄存器中为全0时 输出电流为0 lout2为dac电流输出2 iout2为一常数与ioutl之差 即loutl out2 常数在实际使用时 总是将电流转为电压来使用 即将ioutl和lout2加到一个运算放大器的输入 rfb dac0832的引脚 8位输入寄存器 8位dac寄存器 8位d a转换器 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 ile cs wr1 xfer wr vref iout1 iout2 dgnd le1 le2 dac0832是cmos工艺 双列直插式20引脚 vcc电源可以在5 15v内变化 典型使用时用15v电源 agnd为模拟量地线 dgnd为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压vref接外部的标准电源 vref一般可在 10v到 10v范围内选用 di0 di7是数字量输入信号线 可以直接和微机的数据总线相连 rfb dac0832的引脚 8位输入寄存器 8位dac寄存器 8位d a转换器 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 ile cs wr1 xfer wr vref iout1 iout2 dgnd le1 le2 dac0832是cmos工艺 双列直插式20引脚 vcc电源可以在5 15v内变化 典型使用时用15v电源 agnd为模拟量地线 dgnd为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压vref接外部的标准电源 vref一般可在 10v到 10v范围内选用 ile 输入锁存允许信号 高电平有效 只有当ile 1时 输人数字量才可能进入8位输入寄存器 rfb dac0832的引脚 8位输入寄存器 8位dac寄存器 8位d a转换器 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 ile cs wr1 xfer wr vref iout1 iout2 dgnd le1 le2 dac0832是cmos工艺 双列直插式20引脚 vcc电源可以在5 15v内变化 典型使用时用15v电源 agnd为模拟量地线 dgnd为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压vref接外部的标准电源 vref一般可在 10v到 10v范围内选用 cs 片选输入 低电子有效 只有当wr1 cs 0时 这片0832才被选中工作 rfb dac0832的引脚 8位输入寄存器 8位dac寄存器 8位d a转换器 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 ile cs wr1 xfer wr vref iout1 iout2 dgnd le1 le2 dac0832是cmos工艺 双列直插式20引脚 vcc电源可以在5 15v内变化 典型使用时用15v电源 agnd为模拟量地线 dgnd为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压vref接外部的标准电源 vref一般可在 10v到 10v范围内选用 wr1 写信号1 低电平有效 控制输入寄存器的写入 rfb dac0832的引脚 8位输入寄存器 8位dac寄存器 8位d a转换器 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 ile cs wr1 xfer wr vref iout1 iout2 dgnd le1 le2 dac0832是cmos工艺 双列直插式20引脚 vcc电源可以在5 15v内变化 典型使用时用15v电源 agnd为模拟量地线 dgnd为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压vref接外部的标准电源 vref一般可在 10v到 10v范围内选用 xfer 传送控制信号 低电子有效 控制数据从输入寄存器到dac寄存器的传送 rfb dac0832的引脚 8位输入寄存器 8位dac寄存器 8位d a转换器 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 ile cs wr1 xfer wr vref iout1 iout2 dgnd le1 le2 dac0832是cmos工艺 双列直插式20引脚 vcc电源可以在5 15v内变化 典型使用时用15v电源 agnd为模拟量地线 dgnd为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压vref接外部的标准电源 vref一般可在 10v到 10v范围内选用 wr2 写信号2 低电平有效 控制dac寄存器的写人 rfb dac0832的接口 8位输入寄存器 8位dac寄存器 8位d a转换器 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 ile cs wr1 xfer wr2 vref iout1 iout2 dgnd le1 le2 dac0832转换器可以有三种工作方法 即直通方式 单缓冲方式和双缓冲方式 直通方式 这时两个8位数据寄存器都处于数据接收状态 即lei和ie2都为1 输人数据直接送到内部d a转换器去转换 单缓冲方式 这时两个8位数据寄存器中有一个处于直通方式 数据接收状态 而另一个则受微机送来的控制信号控制 在单缓冲工作方式时 0832中两个数据寄存器有一个处于直通方式 一般都是将8位dac寄存器置于直通方式 双缓冲方式 这时两个8位数据寄存器都不处于直通方式 单片机或其他微机必须送两次写信号才能完成一次d a转换 rfb dac0832的接口 直通方式 直通方式 这时两个8位数据寄存器都处于数据接收状态 即lei和ie2都为1 因此 iel 1 而cs wrl wr2和xfer为0 输人数据直接送到内部d a转换器去转换 这种方式可用于一些不带微机的控制系统中 dac0832的接口 单缓冲方式 单缓冲方式 这时两个8位数据寄存器中有一个处于直通方式 数据接收状态 而另一个则受微机送来的控制信号控制 在单缓冲工作方式时 0832中两个数据寄存器有一个处于直通方式 一般都是将8位dac寄存器置于直通方式 为此 应将wr2和xfer固定接零 而输入寄存器是工作于锁存器状态 它对于8031单片机来说 相当于一个外部ram单元 dac0832的接口 双缓冲方式 双缓冲方式 这时两个8位数据寄存器都不处于直通方式 单片机或其他微机必须送两次写信号才能完成一次d a转换 若采用双缓冲方式 则dac0832应被看作是外部ram的两个单元而不是一个单元 dac0832的应用 数模转换器可以应用在许多场合 这里介绍用d a转换器来产生各种波形 锯齿波的产生 三角波的产生 梯形波的产生 锯齿波分为正向锯齿波和负向锯齿波 其中正向锯齿波应用广泛 在许多控制应用中 要求有一个线性增长的电压 正向锯齿 来控制检测过程 移动记录笔或移动电子束等 正向锯齿波形如图所示 产生正向锯齿波的方法 通过在dac0832的输出端接运算放大器 由运算放大器产生锯齿波来实现 dac0832的输入寄存器的地址为7fffh 锯齿波的产生 movdptr 7fffhmova 00hww movx dptr aincanopnopnopajmpww 思考 思考1 以下程序将产生何种波形 movdptr 7fffhmova 00hww movx dptr adecanopnopnopajmpww 思考 思考2 编程产生如下锯齿波 movdptr 7fffhww1 mova 33hww movx dptr aincalcalld1mscjnea 0cdh wwajmpww1d1ms movr7 250djnzr7 ret 三角波是由两段直线组成的 先送出一个线性增长的波形 达到最大值时 再进出一个线性减少的波形 两者结合 就成为三角波 然后使之不断地重复 就能得到一个连续的波形 实际上这里所说的线性波形仍是一些台阶很小的阶梯波形 为了更逼近线性增长 应使台阶的幅度尽可能小 1位lsb 并且整个波形中台阶的高度和宽度应保持不变 为此 要特别注意转折处的处理 避免出现台阶的宽度变宽或其他影响波形线性的现象出现 三角波的产生 start clraup movp1 aincajnzupmova 254down movp1 adecajnzdownsjmpup 梯形波有多种形式 波形如图所示 实现方法与锯齿波和三角波相似 梯形波的产生 一 adc介绍 1 adc结构 adc芯片上集成有a d转换电路和辅助电路 2 adc的参数 描述d a转换器性能的参数很多 在选用a d转换器时 主要关心的指标是分辨率 转换速度以及输入电压的范围 分辨率主要由位数来决定 转换时间的差别很大 可以在100微秒到几个微秒之间选择 位数增加 转换速率提高 a d转换器的价格也急剧上升 故应从实际需要出发 慎重选择 3 adc芯片的引脚二 典型adc芯片及其接口 8 3adc及其接口 模拟量输入信号 转换启动信号 转换结束信号 数字量输出信号 adc芯片 adc0809 adc0809的结构adc0809的引脚adc0809的接口adc0809的应用 adc0809 adc0809的结构 adc0809是一种8路模拟输入8路数字输出的逐次比较型a d转换器 目前在8位单片机系统中有着广泛的使用 地址锁存与译码 8位a d转换器 输出锁存与缓冲 in0 in1 in2 in3 in4 in5 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 in6 in7 addb adda addc ale oe start eoc vref vref clock adc0809的引脚 adc0809芯片为28引脚双列直插式封装 clock adc0809的引脚 adc0809芯片为28引脚双列直插式封装 in7 in0 模拟量输入通道 adc0809对输入模拟量的要求主要有 信号单极性 电压范围0 5v 若信号过小还需进行放大 另外 在a d转换过程中 模拟量输入的值不应变化太快 因此 对变化速度快的模拟量 在输入前应增加采样保持电路 clock adc0809的引脚 adc0809芯片为28引脚双列直插式封装 adda addb addc 地址线 adda为低位地址 addc为高位地址 用于对模拟通道进行选择 地址状态与通道相对应的关系表 clock 地址状态与通道相对应的关系表 通道选择表 adc0809的引脚 adc0809芯片为28引脚双列直插式封装 ale 地址锁存允许信号 在对应ale上跳沿 adda addb assc地址状态送入地址锁存器中 clock adc0809的引脚 adc0809芯片为28引脚双列直插式封装 start 转换启动信号 start上跳沿时 所有内部寄存器清0 start下跳沿时 开始进行a d转换 在a d转换期间 start应保持低电平 clock adc0809的引脚 adc0809芯片为28引脚双列直插式封装 d7 d0 数据输出线 其为三态缓冲输出形式 可以和单片机的数据线直接相连 clock adc0809的引脚 adc0809芯片为28引脚双列直插式封装 oe 输出允许信号 其用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 oe 0 输出数据线呈高电阻 oe 1 输出转换得到的数据 clock adc0809的引脚 adc0809芯片为28引脚双列直插式封装 eoc 转换结束状态信号 eoc 0 正在进行转换 eoc 1 转换结束 该状态信号既可作为查询的状态标志 又可以作为中断请求信号使用 clock adc0809的引脚 adc0809芯片为28引脚双列直插式封装 clock 时钟信号 adc0809的内部没有时钟电路 所需时钟信号由外界提供 因此有时钟信号引脚 通常使用频率为500khz的时钟信号 clock adc0809的引脚 adc0809芯片为28引脚双列直插式封装 vref 参考电源 参考电压用来与输入的模拟信号进行比较 作为逐次逼近的基准 其典型值为 5v vref 5v vref 0v clock adc0809的接口 adc0809与89c51单片机的连接方式很多 电路连接主要涉及两个问题 一是8路模拟信号通道选择 二是a d转换完成后转换数据的传送 地址锁存与译码 8位a d转换器 输出锁存与缓冲 in0 in1 in2 in3 in4 in5 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 in6 in7 addb adda addc ale oe start eoc vref vref clock adc0809的接口 8路模拟信号通道选择线的连接方法有2种 与db连接和与ab连接 地址锁存与译码 8位a d转换器 输出锁存与缓冲 in0 in1 in2 in3 in4 in5 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 in6 in7 addb adda addc ale oe start eoc vref vref clock adc0809的接口方法 adc0809的接口方法 ab0 ab1 ab2 adc0809的接口 a d转换后得到的是数字量的数据 这些数据应传送给单片机进行处理 数据传送的关键问题是如何确认a d转换完成 因为只有确认数据转换完成后 才能进行传送 为此 可采用下述三种方式 1 定时传送方式2 查询方式3 中断方式 定时传送方式 对于一种a d转换器来说 转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的 例如 adc0809转换时间为128 s 相当于6mhz的mcs 51单片机r64个机器周期 可据此设计一个延时子程序 a d转换启动后即调用这个延时子程序 延迟时间一到 转换肯定已经完成了 接着就可进行数据传送 在这种方式下 eoc引脚悬空 查询传送方式 单片机启动0809后 延迟10us 检测eoc 若eoc 0则a d转换没有结束 继续检测eoc 直到eoc 1 当eoc 1时 a d转换已经结束 单片机读取a d转换结果 在这种方式下 eoc必须接到8051的一条i o线上 p1 0 中断传送方式 单片机启动a d转换后可以做其它工作 当a d转换结束时 eoc由0 1经过非门传到int端 8051收到中断请求信号 若8051开着中断 则进入中断服务程序 在中断服务程序中单片机读取a d转换的结果 在这种方式下 eoc必须经过非门接到8051的中断请求输入线int0或int1上 89c51的中断触发方式为下降沿触发 int0 adc0809的应用 adc芯片主要用于进行数据采集 举例说明数据采集程序的编制方法 定时方式单路数据采集 查询方式单路