zxc2012第11章AD DA转换接口

第11章:AT89S51单片机与D/A、A/D转换器的接口,张勋hangxuncai,内容概要在单片机测控系统中，被测量的温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器先转换模拟电信号，必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。模拟量转换成数字量的器件为A/D转换器（ADC）。单片机处理完毕的数字量，有时需转换为模拟信号输出。器件称为D/A转换器（DAC）。本章介绍典型的ADC、DAC集成电路芯片，以及与单片机的硬件接口设计及软件设计。,2,11.1AT89S51与DAC的接口,输入：数字量，输出：模拟量。转换过程：送到DAC的各位二进制数按其权的大小转换为相应的模拟分量，再把各模拟分量叠加，其和就是D/A转换的结果。,使用D/A转换器时，要注意区分:,*D/A转换器的输出形式;,*内部是否带有锁存器。,11.1.1D/A转换器的原理及主要技术指标,3,电压输出电流输出,*与单片机的接口形式,并行接口UART串行口I2C串行口SPI串行口,型电阻网络D/A转换器：,虚地,1、D/A转换器的基本原理,11.1AT89S51与DAC的接口,4,注：因使用反相比例放大器来实现电流到电压的转换，所以输出模拟信号(VO)的极性与参考电压(VREF)极性相反。,n位数字量B与模拟量的关系式：当,11.1AT89S51与DAC的接口,5,2.主要技术指标,(1)分辨率（Resolution）,输入给DAC的单位数字量变化引起的模拟量输出的变化，通常定义为输出满刻度值与2n之比。显然，二进制位数越多，分辨率越高。,例如，若满量程为10V，根据定义则分辨率为10V/2n。设8位D/A转换，即n=8，分辨率为10V/2n=39.1mV，该值占满量程的0.391%，用1LSB表示。,同理：10位D/A：1LSB=9.77mV=0.1%满量程12位D/A：1LSB=2.44mV=0.024%满量程,根据对DAC分辨率的需要,来选定DAC的位数。,11.1AT89S51与DAC的接口,6,(2)建立时间（EstablishingTime）,描述DAC转换快慢的参数,表明转换速度。定义：为从输入数字量到输出达到终值误差(1/2)LSB(最低有效位)时所需的时间。电流输出时间较短，电压输出的，加上I-V转换的时间，因此建立时间要长一些。快速DAC可达1s以下。,11.1AT89S51与DAC的接口,7,（3）转换精度理想情况下，转换精度与分辨率基本一致，位数越多精度越高。但由于电源电压、基准电压、电阻、制造工艺等各种因素存在着误差；相同位数的不同转换器转换精度会有所不同。例如，某种型号的8位DAC精度为0.19%，而另一种型号的8位DAC精度为0.05%。,DAC0832是使用非常普遍的位D/A转换器，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。属于该系列的芯片还有DAC0830、DAC0831，它们可以相互代换。DAC0832主要特性：,分辨率位；电流建立时间S；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；输出电流线性度可在满量程下调节；逻辑电平输入与TTL电平兼容；单一电源供电（5V15V）；低功耗，20m。,11.1.2AT89S51与8位D/A转换器0832的接口设计,1.DAC0832芯片介绍,8,DAC0832的逻辑结构：,带圆圈,用于存放待转换的数字量,用于存放单片机送来的数字量,9,10,（2）DAC0832的引脚及逻辑结构,引脚：,11,2.DAC的应用,(1)单极性电压输出,单极性模拟电压输出，可采用图11-5或图11-9所示接线。输出电压Vout与输入数字量B的关系:,Vout=-（B/256）VRFE式中，B=b727+b626+b121+b020；,B为0时，Vout也为0，输入数字量为255时，Vout为最大值,单极性。,12,双极性电压输出，采用图11-3接线：,Vout=（B-128）（VREF/128）,由上式，在选用+VREF时，（1）若输入数字量b71，则Vout为正；（2）若输入数字量b70，则Vout为负。在选用-VREF时，Vout与+VREF时极性相反。,（2）双极性电压输出,-VREF0,13,3.AT89S51与DAC0832的接口电路,有3种工作方法：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。,14,地址FEH,MOVR0，#0FEH；DAC地址FEHR0,MOVXR0，A；WR*和译码器FEH输出端有效,(2)单缓冲方式,15,例DAC0832用作波形发生器。分别写出产生锯齿波、三角波和矩形波的程序。,(1)锯齿波的产生,ORG2000H,START:MOVR0，#0FEH；DAC地址FEHR0,MOVA，#00H；数字量A,LOOP:MOVXR0，A；数字量D/A转换器,INCA；数字量逐次加1,SJMPLOOP,每一上升斜边分256个小台阶，每个小台阶暂留时间为执行后三条指令所需要的时间。,16,(2)三角波的产生,ORG2000H,START:MOVR0，#0FEH,MOVA，#00H,UP:MOVXR0，A；三角波上升边,INCA,JNZUP,DOWN:DECA；A=0时再减1又为FFH,MOVXR0，A,JNZDOWN；,三角波下降边,SJMPUP,17,(3)矩形波的产生,ORG2000H,START:MOVR0，#0FEH,LOOP:MOVA，#data1,MOVXR0，A；置矩形波上限电平,LCALLDELAY1；调用高电平延时程序,MOVA，#data2,MOVXR0，A；置矩形波下限电平,LCALLDELAY2；调用低电平延时程序,SJMPLOOP；重复进行下一个周期,DELAY1、DELAY2为两个延时程序，决定矩形波高、低电平时的持续时间。频率也可采用延时长短来改变。,18,练习D/A转换程序，用DAC0832输出0+5V锯齿波，电路为单缓冲方式。设VREF=-5V，若DAC0832地址为7FFFH，脉冲周期要求为100ms。,DACS：MOVDPTR，#7FFFH；0832I/O地址MOVA，#00H；开始输出0VDACL：MOVXDPTR，A；D/A转换INCA；升压ACALLDELAY；延时100ms/256：决定锯齿波的周期AJMPDACL；连续输出DELAY：；延时子程序,19,（3）双缓冲方式,图11-7中DAC输出的VX和VY信号要同步，控制X-Y绘图仪绘制的曲线光滑，否则绘制的曲线是阶梯状。多路同步输出，必须采用双缓冲同步方式。,1#DAC0832因和译码器FDH相连，占有两个端口地址FDH和FFH。2#DAC0832的两个端口地址为FEH和FFH。其中，FDH和FEH分别为1#和2#DAC0832的数字量输入控制端口地址，而FFH为启动D/A转换的端口地址。,20,若把图11-7中DAC输出的模拟电压Vx和Vy来控制X-Y绘图仪，则应把Vx和Vy分别加到X-Y绘图仪的X通道和Y通道，而X-Y绘图仪由X、Y两个方向的步进电机驱动，其中一个电机控制绘笔沿X方向运动；另一个电机控制绘笔沿Y方向运动。,21,例11-2内部RAM中两个长度为20的数据块，起始地址为分别为addr1和addr2，编写能把addr1和addrr2中数据从1#和2#DAC0832同步输出的程序。addr1和addr2中的数据，为绘制曲线的X、Y坐标点。,DAC0832各端口地址：,FDH:1#DAC0832数字量输入控制端口,FEH:2#DAC0832数字量输入控制端口,FFH:1#和2#DAC0832启动D/A转换端口,工作寄存器0区的R1指向addr1；1区的R1指向addr2；0区的R2存放数据块长度；0区和1区的R0指向DAC端口地址。程序为：,22,ORG2000H,addr1DATA20H；定义存储单元addr2DATA40H；定义存储单元,DTOUT:MOVR1，#addr1；0区R1指向addr1MOVR2，#20；数据块长度送0区R2SETBRS0；切换到工作寄存器1区MOVR1，#addr2；1区R1指向addr2CLRRS0；返回0区,NEXT:MOVR0，#0FDH；0区R0指向1#DAC0832；数字量控制端口MOVA，R1；addr1中数据送AMOVXRO，A；addr1中数据送1#DAC0832,INCR1；修改addr1指针0区R1,23,数据地址赋值伪指令DATA:将表达式指定的数据地址赋予规定的字符名称,SETBRS0；转1区。MOVR0，#0FEH；1区R0指向2#DAC0832数字量；控制端口MOVA，R1；addr2中数据送AMOVXR0，A；addr2中数据送2#DAC0832,INCR1；修改addr2指针1区R1INCR0；1区R0指向DAC的启动D/A转换端口,MOVXR0，A；启动DAC进行转换,CLRRS0；返回0区,DJNZR2，NEXT；若未完，则跳NEXTLJMPDTOUT；若送完，则循环,END,24,11.1.3AT89S51与12位D/A转换器AD667的接口设计,8位分辨率不够时，可以采用高于8位分辨率的DAC，AD667是一种分辨率为12位的并行输入、电压输出型D/A转换器，建立时间3s。,25,图11-14所示为AT89S51单片机与AD667的接口电路。,26,图11-14AD667与AT89S51单片机的接口电路,11.2AT89S51单片机与ADC的接口,11.2.1A/D转换器概述,A/D转换器的分类,27,目前使用较广泛的有：逐次比较式转换器、双积分式转换器、-式转换器和V/F转换器。,逐次比较型:精度、速度和价格都适中，是最常用的A/D转换器件。,双积分型:精度高、抗干扰性好、价格低廉,但转换速度慢，得到广泛应用。,-型:具有积分式与逐次比较式ADC的双重优点。对工业现场的串模干扰具有较强的抑制能力，不亚于双积分ADC，但比双积分ADC的转换速度快，与逐次比较式ADC相比，有较高的信噪比，分辨率高，线性度好不需采样保持电路。因此，-型得到重视。,V/F转换型:适于转换速度要求不太高，远距离信号传输。,28,29,2.A/D转换器的主要技术指标,转换时间和转换速率,完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。,(2)分辨率,用输出二进制位数或BCD码位数表示。例如AD574，二进制12位，即用212个数进行量化，分辨为1LSB，百分数表示1/212=0.24。,又如双积分式A/D转换器MC14433,分辨率为三位半。若满字位为1999，其分辨率为1/1999=0.05%。,(3)转换精度,定义为一个实际ADC与一个理想ADC在量化值上的差值。可用绝对误差或相对误差表示。,3.A/D转换器的选择,按输出代码的有效位数分:8位、10位、12位等。,按转换速度分为超高速（1ns）、高速（1s）中速（1ms）、低速（1s）等。,为适应系统集成需要，将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二/十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内，为用户提供方便。,30,（1）A/D转换器位数的确定,系统总精度涉及的环节较多：传感器变换精度、信号预处理电路精度和A/D转换器及输出电路、控制机构精度，还包括软件控制算法。,A/D转换器的位数至少要比系统总精度要求的最低分辨率高1位，位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，太高无意义，且价高。,8位以下：低分辨率，912位：中分辨率，13位以上：高分辨率。,31,（2）A/D转换器转换速率的确定,从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是A/D转换器的转换时间。,低速：转换时间从几ms到几十ms。,中速：逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几s100s左右。,高速：转换时间仅20100ns。适用于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态纪录、视频数字转换系统等。,如用转换时间为100s的集成A/D转换器，其转换速率为10千次/秒。根据采样定理和实际需要，一个周期的波形需采10个点，最高也只能处理1kHz的信号。把转换时间减小到10s，信号频率可提高到10kHz。,32,（3）是否加采样保持器,直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他情况都要加采样保持器。,根据分辨率、转换时间、信号带宽关系，是否要加采样保持器：如果是8位ADC,转换时间100ms,无采样保持器，信号的允许频率是0.12Hz；如果是12位ADC，该频率为0.0077Hz。如果转换时间是100s，ADC是8位时，该频率为12Hz，12位时是0.77Hz。,（4）工作电压和基准电压,选择使用单一+5V工作电压的芯片，与单片机系统共用一个电源就比较方便。在要求较高精度时，基准电压要单独用高精度稳压电源供给。,33,11.2.2AT89S51与逐次比较型8位A/D转换器ADC0809的接口ADC0809是逐次比较型8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器片内带有锁存功能的8选1模拟开关，由CBA的编码来决定所选的通道,完成一次转换需100s左右（转换时间与CLK脚的时钟频率有关），具有输出TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对05V的模拟信号进行转换。,34,(1)IN0IN7：8路模拟信号输入端。,(2)D0D7：8位数字量输出端。,(3)C、B、A：控制8路模拟通道的切换,(5)OE、START、CLK：控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。,(4)VR(+)和VR(-)：参考电压输入端。,ADC0809的引脚,35,主要性能为：分辨率为位；精度：ADC0809小于1LSB（ADC0808小于1/2LSB）；单+5V供电，模拟输入电压范围为05V；具有锁存控制的路输入模拟开关；可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容；功耗为15mW；不必进行零点和满度调整；转换速度取决于芯片外接的时钟频率。时钟频率范围：101280KHz。典型值为时钟频率640KHz，转换时间约为100S。,36,查询、中断？,AT89S51单片机与ADC0809的接口,37,首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVXDPTR，A时，单片机的WR*信号有效，产生一个启动信号给0809的START脚，对选中通道转换。,转换结束后，0809发出转换结束EOC信号，该信号可供查询，也可向单片机发出中断请求;当执行指令：MOVXA，DPTR，单片机发出RD*信号,加到OE端高电平，把转换完毕的数字量读到A中。,查询方式是在单片机把启动信号送到ADC之后，执行其他程序，同时对ADC0809的EOC脚不断进行检测，以查询ADC变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。,中断控制方式是在启动信号送到ADC之后，单片机执行其他程序。ADC0809转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换完毕的数据。,38,MAIN：MOVR1，#DATA；置数据区首地址MOVDPTR，#7