单片机应用技术

1、第七章第七章 模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道A/D和和D/A在控制系统中的地位在控制系统中的地位一、一、D/A转换器及接口技术转换器及接口技术二、二、A/D转换器及接口技术转换器及接口技术16:511 D/A转换器可直接将来自单片机的转换器可直接将来自单片机的二进制数字二进制数字量量转换成转换成模拟量模拟量，推动执行机构动作，以控制被，推动执行机构动作，以控制被控实体的工作过程。因此，控实体的工作过程。因此， D/A转换器是单片机转换器是单片机在模拟环境中应用的在模拟环境中应用的数据转换接口数据转换接口。D/A转换的基本原理转换的基本原理D/A转换器的性能指标转换器的性能指标MCS-51

2、和和D/A接口接口一、一、D/A转换器及接口技术转换器及接口技术16:512一、一、D/A转换器及接口技术转换器及接口技术D/A转换的基本原理转换的基本原理 “按权展开，然后相加按权展开，然后相加” 把输入数字量中的每位都把输入数字量中的每位都按其权值分别转换成模按其权值分别转换成模拟量拟量，并通过运算放大器求和相加。，并通过运算放大器求和相加。 D/A转换器内部须有一个转换器内部须有一个解码网络解码网络，以实现按权，以实现按权值分别进行值分别进行D/A转换。转换。解码网络解码网络 加权电阻网络加权电阻网络 每位二进制数的每位二进制数的D/A转换通过相应转换通过相应 加权电阻加权电阻实现。实现

3、。 T型电阻网络型电阻网络并行输入数字量，每位代码并行输入数字量，每位代码同时同时 被转换成模拟量。被转换成模拟量。001122112222aaaaDnnnn16:513l 加权电阻网络加权电阻网络 每位二进制数的每位二进制数的D/A转换通过相应转换通过相应 加权电阻加权电阻实现。实现。 原理：原理：通过相应加权电阻网络，通过相应加权电阻网络，按位按位分别分别实现实现D/A转换转换。 缺点：缺点：加权电阻大小差别很大，精确制造这么大的电阻加权电阻大小差别很大，精确制造这么大的电阻困难极大。困难极大。 例如：例如：设某设某12位位D/A转换器转换器最高位最高位电阻为电阻为10K，则，则最最低位低

4、位电阻为电阻为21110K=20M。 因此，因此，二进制加权电阻网络工程上不被用来制造二进制加权电阻网络工程上不被用来制造D/A转转换器换器1、D/A转换的基本原理转换的基本原理16:514T型电阻网络型电阻网络 并行输入数字量，每位代码并行输入数字量，每位代码同时同时 被转换成模拟量。被转换成模拟量。 工作原理工作原理输入数字量：输入数字量：b3b2b1b0 B输出电压：输出电压：Vout若若Vout B，则该电路可认为是，则该电路可认为是D/A转换器转换器1、D/A转换的基本原理转换的基本原理16:515证明：证明：Vout B若若b3b2b1b0=1111B，根据克希荷夫定律（，根据克希

5、荷夫定律（A点为虚拟地）有点为虚拟地）有因因S3S2S1S0受受b3b2b1b0控制，控制，故得通式：故得通式：选取选取Rf=R和考虑和考虑A点虚拟地，且点虚拟地，且Irf = Iout1，可得，可得对对n位位T型电阻网络，上式变为型电阻网络，上式变为16:516分辨率分辨率 定义：能分辨的最小输出电压增量，常为满量程的定义：能分辨的最小输出电压增量，常为满量程的2 2-n-n。 例如：例如：10V10V满量程的满量程的8 8位位DACDAC芯片，分辨率芯片，分辨率=10=10* *2 2-8-8=39mv=39mv 10V 10V满量程的满量程的1616位位DACDAC芯片，分辨率芯片，分辨

6、率=10=10* *2 2-16-16=153=153v转换精度转换精度 定义：实际输出值和理论值的接近程度。定义：实际输出值和理论值的接近程度。通常通常DACDAC的转换精度为分辨率的一半，即为的转换精度为分辨率的一半，即为LSB/2LSB/2。偏移量误差偏移量误差 输入数字量为输入数字量为0 0时，输出模拟量对时，输出模拟量对0 0的偏移值。可通过的偏移值。可通过V VREFREF和电和电位计来调整位计来调整线性度线性度 DACDAC的实际转换特性曲线和理想转换特性曲线之间的最大偏差。的实际转换特性曲线和理想转换特性曲线之间的最大偏差。通常不超过通常不超过(1/2)LSB(1/2)LSB。

7、2、D/A转换器的性能指标转换器的性能指标16:517建立时间建立时间（转换速度转换速度） DAC中的输入代码有满度值的变化时，其输出模拟信号电中的输入代码有满度值的变化时，其输出模拟信号电压（或电流）达到满度值压（或电流）达到满度值(1/2)LSB时所需的时间。时所需的时间。温度灵敏度温度灵敏度（温度系数温度系数） 在满刻度输出的条件下，温度每升高在满刻度输出的条件下，温度每升高1度，输出变化的百分度，输出变化的百分比。比。电源抑制比电源抑制比 满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比。满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比。工作温度范围工作温度范围 较好的在较好的在-40

8、85，较差的在，较差的在070之间。之间。2、D/A转换器的性能指标转换器的性能指标16:518DAC0832由由NSC（美国国民半导体公司）研制，是（美国国民半导体公司）研制，是DAC0831的姐妹产品的姐妹产品lDAC0832内部结构内部结构8位输入寄存器：位输入寄存器：存放存放CPU送来的数字量（送来的数字量（/LE1高电平时输高电平时输出出=输入，低电平锁存）输入，低电平锁存）8位位DAC寄存器：寄存器：存放待转换数字量（存放待转换数字量（/LE2高电平时输出高电平时输出=输输入，低电平锁存）入，低电平锁存）8位位D/A转换电路：转换电路：8位电子开关和位电子开关和T型电阻网络型电阻网

9、络3、MCS-51和和D/A接口接口16:5193、MCS-51和和D/A接口接口lDAC0832引脚功能（引脚功能（20条）条） DI7-DI0（8条）：条）：来自来自CPU的输入数字量的输入数字量 电源线（电源线（4条）：条）：Vcc（+5V +15V）；）；VREF（-10V +10V）；）； DGND（数字地）；（数字地）；AGND（模拟地）（模拟地） 控制线（控制线（5条）：条）：/CS（片选线）；（片选线）；ILE（输入允许线）；（输入允许线）； /WR1、/WR2（写命令线）；（写命令线）；/XFER（传输控制线）（传输控制线） 输出线（输出线（3条）：条）：Rfb（运放反馈线，

10、和运放的（运放反馈线，和运放的Vout相连接）；相连接）； Iout1（数字量全（数字量全1时为最大值时为最大值, 数字量全数字量全0时为最小值）时为最小值） Iout2 Iout1 + Iout2 = 常数常数16:5110DAC的应用的应用 按数字量位数，按数字量位数，D/A转换器通常可分为转换器通常可分为8位、位、10位、位、12位等位等三种，在单片机应用系统中应用广泛，主要有三种，在单片机应用系统中应用广泛，主要有3种：种：（1）DAC用作单极性电压输出用作单极性电压输出（2）DAC用作双极性电压输出用作双极性电压输出（3）DAC用作控制放大器用作控制放大器3、MCS-51和和D/A接

11、口接口16:51113、MCS-51和和D/A接口接口lDAC用作单极性电压输出用作单极性电压输出根据前述关系：根据前述关系： 有有式中，式中，B = b7*27+b6*26+ +b1*21+b0*20 VREF/256 常数常数 显然，当显然，当B = 全全0时，则时，则Vout = 0 当当B = 全全1时，则时，则Vout =最大值最大值即有：即有：Vout = 0 最大值最大值16:5112lDAC用作双极性电压输出用作双极性电压输出由克希荷夫定律（由克希荷夫定律（G点虚拟地）有点虚拟地）有解上述方程组得解上述方程组得上述关系可列成表格上述关系可列成表格3、MCS-51和和D/A接口接

12、口16:51133、MCS-51和和D/A接口接口lDAC用作控制放大器用作控制放大器图中图中G点为虚拟地，故有如下方程成立点为虚拟地，故有如下方程成立解上述方程组得解上述方程组得选选 R=Rfb 后得到后得到式中，式中，16:5114MCS-51对对8位位DAC接口接口 以以8位位DAC为例，讨论为例，讨论MCS-51对对DAC的接口电路原理和接的接口电路原理和接口程序设计。口程序设计。 （1）直通方式）直通方式（2）单缓冲方式）单缓冲方式（3）双缓冲方式）双缓冲方式3、MCS-51和和D/A接口接口16:5115l直通方式直通方式DI7DI0可直通地到达可直通地到达8位位DAC寄存器，进行

13、寄存器，进行D/A转换。常用于不转换。常用于不带微控制器的控制系统中。带微控制器的控制系统中。注意：注意：该方式的特点是该方式的特点是/WR1、 /WR2、 /CS和和/XFER都接地。都接地。当当/CS=0、/WR1=0、ILE=1时，时， DAC内部的内部的8位输入寄存器位输入寄存器和和DI7-DI0直通。直通。当当/WR2=0、/XFER=0时，时， DAC内部的内部的8位输入寄存器位输入寄存器和和8位位DAC寄存器寄存器直通。直通。因此，因此，DI7-DI0上数字量可直接输入，并被转换为相应模拟电压上数字量可直接输入，并被转换为相应模拟电压3、MCS-51和和D/A接口接口16:511

14、6l单缓冲方式单缓冲方式单片机应用系统中，单片机应用系统中，DAC用用作单缓冲电压输出的电路图作单缓冲电压输出的电路图图中，图中，DAC0832的选口地址为的选口地址为FEH通过编程可分别实现如下输出波形：通过编程可分别实现如下输出波形：1）锯齿波）锯齿波2）三角波）三角波3）方波）方波3、MCS-51和和D/A接口接口16:51171）锯齿波）锯齿波2）三角波）三角波循环循环256256次，次，VoutVout从从0 0到负最大后又回到到负最大后又回到0 03、MCS-51和和D/A接口接口16:51183、MCS-51和和D/A接口接口3）方波）方波16:5119l双缓冲方式双缓冲方式例题

15、：例题：请编出能把内部请编出能把内部RAM以以DA1和和DA2为始址的数据块中数为始址的数据块中数据以图表形式在示波器屏幕上显示的程序。据以图表形式在示波器屏幕上显示的程序。3、MCS-51和和D/A接口接口16:51203、MCS-51和和D/A接口接口求解：求解： DA1为始址的数据块（块长为为始址的数据块（块长为30） 1# DAC0832 DA2为始址的数据块（块长为为始址的数据块（块长为30） 2# DAC0832指针分配：指针分配：R0 FDH（0#区），区），FEH（ 1#区）区） R1 DA1始址（始址（0#区），区）， DA2始址（始址（ 1#区）区） R2 块长（块长（0#

16、区）区）端口分配：端口分配：FDH 1#0832数字量口数字量口 FEH 2#0832数字量口数字量口 FFH 0832启启D/A口口16:51213、MCS-51和和D/A接口接口相应程序为相应程序为若把若把Vx和和Vy接到示波器，则可接到示波器，则可看到两条曲线显示在屏幕上。看到两条曲线显示在屏幕上。若改变若改变DA1和和DA2为始址数块中为始址数块中内容，则曲线形状跟着改变。内容，则曲线形状跟着改变。16:5122MCS-51对对12位位DAC接口接口 为了提高为了提高D/A转换精度，可采用转换精度，可采用10位或位或12位的位的D/A转换器。转换器。以以12位位DAC1208为例。为例

17、。lDAC1208的内部结构和原理的内部结构和原理先送高先送高8位（位（/LE1=0），），后送低后送低4位（位（/LE2=0），），再启动再启动D/A转换（转换（/LE3=0）3、MCS-51和和D/A接口接口16:5123lMCS-51对对DAC1208的连接的连接 例题：例题：设内部设内部RAM的的DA和和DA+1单元内存放一个单元内存放一个12位数字量位数字量（ DA中为高中为高8位，位，DA+1中为低中为低4位），位），4位输入寄存器地址位输入寄存器地址是是FEH， 8位输入寄存器地址是位输入寄存器地址是FFH， 12位位DAC寄存器地址寄存器地址是是FCH或或FDH，试编写把，试编

18、写把12位数字量送到位数字量送到DAC进行转换的程进行转换的程序。序。 3、MCS-51和和D/A接口接口16:51243、MCS-51和和D/A接口接口16:5125A/D转换器转换器是一种能够把输入是一种能够把输入模拟量模拟量转换成与它成正转换成与它成正比的比的数字量数字量，以便为单片机所接收。，以便为单片机所接收。A/D转换器是单片机转换器是单片机在模拟环境中应用的在模拟环境中应用的数据转换接口数据转换接口。A/D转换的步骤：转换的步骤：采样过程采样过程+量化过程量化过程1、A/D转换的基本原理转换的基本原理2、A/D转换器的性能指标转换器的性能指标3、MCS-51和和A/D接口接口二、

19、二、A/D转换器及接口技术转换器及接口技术16:5126A/D转换器的类型转换器的类型1、A/D转换的基本原理转换的基本原理常用的常用的A/D转换器转换器特点特点计数器式计数器式1）结构简单，造价低）结构简单，造价低2）转换速度慢，用于仪器）转换速度慢，用于仪器/仪表仪表双积分式双积分式1）转换精度高）转换精度高2）转换速度慢，用于仪器）转换速度慢，用于仪器/仪表仪表逐次比较式逐次比较式1）精度高，速度快）精度高，速度快2）结构不太复杂，应用广泛）结构不太复杂，应用广泛并行并行A/D式式1）精度高，速度极快）精度高，速度极快2）结构复杂，造价高）结构复杂，造价高逐次比较式逐次比较式并行并行A/

20、D式式16:5127逐次比较式逐次比较式A/D转换器转换器工作过程：工作过程： 1、控制电路控制电路先令先令N位寄存器位寄存器 最高位为最高位为“1”，经，经N位位D/A 转换网络转换网络后产生后产生Vs电压。电压。 2、比较器比较器对对Vi和和Vs进行比较。进行比较。 若若 Vi Vs，则比较器输出使，则比较器输出使N位寄存器最高位位寄存器最高位=1 若若 Vi Vs，则比较器输出使，则比较器输出使N位寄存器最高位位寄存器最高位=0 3、同样比较次高位及其后各位，比较完成后控制电路令、同样比较次高位及其后各位，比较完成后控制电路令DONE=1（ ） 4、CPU查询查询/响应响应DONE上中断

21、，可从上中断，可从N位寄存器获得相应位寄存器获得相应数字量数字量1、A/D转换的基本原理转换的基本原理举例：若满量程输举例：若满量程输出出=5V（8位位A/D）16:5128并行并行A/D转换器转换器工作过程：工作过程： 1、VREF经经23-1次分压成：次分压成： 作为比较器作为比较器C7, C6, C1的标准输入电压的标准输入电压 2、比较器、比较器C7, C6, C1把输入电压把输入电压Vx和标准电压比较。和标准电压比较。 若若 Vx 标准电压，则相应触发器标准电压，则相应触发器Q置位置位 若若 Vx 标准电压，则相应触发器标准电压，则相应触发器Q复位复位 3、触发器、触发器Q端经异或门

22、送端经异或门送M3、M2、M1输入端，并由输入端，并由M3、M2和和M1输出数字量。输出数字量。1、A/D转换的基本原理转换的基本原理演示：演示：Vx=7/14VREF VREF VREF131411416:51292、A/D转换器的性能指标转换器的性能指标l转换速度转换速度 定义：定义：完成完成1次次A/D转换所需时间的倒数，但通常以转换时间转换所需时间的倒数，但通常以转换时间 来表征来表征 例如：例如：逐次逼近式逐次逼近式A/D转换时间约转换时间约100sl转换精度转换精度 模拟误差：模拟误差：由电阻、电容和基压波动而引起的误差。由电阻、电容和基压波动而引起的误差。 数字误差：数字误差：丢

23、失码误差（某位触发器坏死造成的误差）。丢失码误差（某位触发器坏死造成的误差）。 量化误差：量化误差：和数字量位数有关，位数和数字量位数有关，位数，误差，误差。 例如：设例如：设3位位A/D转换器的转换器的I/O外特性为：外特性为：显然，输入模拟量为显然，输入模拟量为0.5V、1.5V 6.5V时，量化误差最大为时，量化误差最大为0.5V。因此，量化误差为分辨率的一半。因此，量化误差为分辨率的一半0V1V2V3V4V5V6V7V000B001B010B011B100B101B110B111B16:51303、MCS-51和和A/D接口接口ADC0809 由由NSC（美国国民半导体公司）研制，是（

24、美国国民半导体公司）研制，是8位位A/D芯片，可以芯片，可以和单片机直接接口，是和单片机直接接口，是ADC0808的姐妹产品的姐妹产品lADC0809内部结构内部结构1、地址锁存和译码器、地址锁存和译码器：控制控制8路模拟开关路模拟开关中哪一中哪一路输入比较器路输入比较器16:5131lADC0809引脚功能（引脚功能（28条）条） 1）IN7-IN0(8条条)：用于输入被转换模拟电压用于输入被转换模拟电压 2）地址线和控制线（）地址线和控制线（4条）条） ADDA、ADDB和和ADDC：输入地址码，指示：输入地址码，指示IN7-IN0中哪一路和中哪一路和Vin相连。相连。 ALE：控制地址码

25、的输入：控制地址码的输入 3）数字量输出线和控制线（）数字量输出线和控制线（11条）条） 2-1-2-8 ：数字量输出线，：数字量输出线，2-1为最高位为最高位 START：启动脉冲输入线：启动脉冲输入线, 上升沿清零上升沿清零SAR, 下降沿启动下降沿启动A/D转换转换 EOC：转换结束输出线；：转换结束输出线； OE：输出允许线：输出允许线 4）电源线（）电源线（5条）条） CLOCK：时钟（：时钟（640K）脉冲输入线；）脉冲输入线； Vcc ：+5V； GND：地线，：地线，VREF（+）和）和VREF（-）：）： 参考电压输入线参考电压输入线3、MCS-51和和A/D接口接口16:5

26、132MCS-51和和A/D接口接口 MCS-51对对A/D的接口必须弄清如下的接口必须弄清如下三个问题：三个问题： （1）要给）要给START线线送一个正脉冲送一个正脉冲 （2）从）从EOC线线上获取状态信息（是上获取状态信息（是A/D转换的结束标志）转换的结束标志） （3）给）给OE线线一个高电平，就可提取一个高电平，就可提取A/D后的数字量。后的数字量。 MCS-51和和A/D的接口通常有的接口通常有两种工作方式：两种工作方式： 中断法：中断法：把把EOC上信号取反后作为中断请求信号；上信号取反后作为中断请求信号； 查询法：查询法：对对EOC上信号进行查询，当它为低电平时表示上信号进行查

27、询，当它为低电平时表示A/D转换已完成，便可从转换已完成，便可从ADC芯片取走芯片取走A/D后的数字量。后的数字量。 分以下两个问题进行讨论：分以下两个问题进行讨论： 一、一、 MCS-51对对ADC0809接口接口 二、二、 MCS-51对对AD574A接口接口3、MCS-51和和A/D接口接口16:5133lMCS-51对对ADC0809接口接口 ADC0809内部有一个内部有一个8位三态输出锁存器，可以锁存位三态输出锁存器，可以锁存A/D转换后的转换后的数字量，故数字量，故A/D芯片本身就可看作一个芯片本身就可看作一个输入设备输入设备。电路连接及工作过程电路连接及工作过程3、MCS-51

28、和和A/D接口接口1）CPU给给START送送一个启动脉冲后一个启动脉冲后：uADC0809便可从便可从ADDA、ADDB和和ADDC上接收地址码；上接收地址码；uADC0809被启动工被启动工作（口地址为作（口地址为F0H）16:5134应用举例应用举例请根据右图编程，把请根据右图编程，把IN7IN0上输入模拟电压转换成数字量上输入模拟电压转换成数字量并送入内部并送入内部RAM以以30H为始址为始址的输入缓冲区。的输入缓冲区。求解：求解：1）主程序）主程序2）中断服务程序）中断服务程序3、MCS-51和和A/D接口接口16:51353、MCS-51和和A/D接口接口lMCS-51对对AD57

29、4A接口接口 为提高为提高A/D转换精度，可采用转换精度，可采用10位、位、12位或更多位的位或更多位的A/D转换器。转换器。现以应用广泛的现以应用广泛的12位位AD574为例加以介绍。为例加以介绍。AD574的结构特点和引脚功能的结构特点和引脚功能是美国是美国AD公司研制的公司研制的12位逐次逼近式位逐次逼近式ADC，适合在该精度快速采，适合在该精度快速采样系统中使用样系统中使用1）结构特点）结构特点（1）内部有转换时钟内部有转换时钟，无需外接时钟脉冲源，无需外接时钟脉冲源（2）AD574转换时间为转换时间为25 s （ADC0809为为100s）（3）模拟电压）模拟电压（4）数字量位数（）

30、数字量位数（8位、位、12位）位）16:51362）引脚功能）引脚功能（1）模拟量输入线（）模拟量输入线（3条）条）10Vin 010V5V；20Vin 020V10V； AC 地线地线（2）数字量输出线（）数字量输出线（13条）条）DB11DB0（DB11为最高位）；为最高位）；DC：地线：地线（3）控制线（）控制线（6条）条）CS和和/CE片选线（若片选线（若CS*/CE=1，本片被选中）；，本片被选中）；R/C读出读出/转换控制线（转换控制线（0，启动工作；，启动工作；1，允许，允许CPU对本片读数字量）；对本片读数字量）；12/80，本片为，本片为8位工作状态，位工作状态，1，本片为，

31、本片为12位工作状态；位工作状态；A0 决定选口地址；决定选口地址；STS转换状态输出线（转换状态输出线（0：转换已完成，：转换已完成，1：正在转换）：正在转换）3、MCS-51和和A/D接口接口16:5137（4）测试）测试/调零线（调零线（3条）条）REF IN解码网络所需参考电压输入线解码网络所需参考电压输入线REF OUT解码网络所需参考电压输出线解码网络所需参考电压输出线BIP OFF补偿调整线，调整模拟量为零补偿调整线，调整模拟量为零（5）电源线（）电源线（3条）条）VL+5V；Vcc+12+15V； VEE+12+15VAD574操作功能表：操作功能表：3、MCS-51和和A/D

32、接口接口CE/CSR/C12/8A0完成操作完成操作100X0启动启动12位位A/D100X1启动启动8位位A/D1011X12位数字量输出位数字量输出10100高高8位数字量输出位数字量输出10101低低4位数字量输出位数字量输出0XXXX无操作无操作X1XXX16:51383、MCS-51和和A/D接口接口8031对对AD574的接口的接口1、电路说明、电路说明（1）选口地址）选口地址F0H：写：写F0H，启动，启动12位位A/D 读读F0H，读高，读高8位数字量位数字量F1H：写：写F1H，启动，启动8位位A/D 读读F1H，读低，读低4位数字量位数字量（2）12/81：读：读12位数字

33、量；位数字量；0：读高：读高8位位/低低4位数字量位数字量BIP OFF：数字量调零线：数字量调零线 10Vin为为10V量程的模拟电压输入线（双极性为量程的模拟电压输入线（双极性为5V） 20Vin为为20V量程的模拟电压输入线（双极性为量程的模拟电压输入线（双极性为10V）REF IN：参考电压输入线；：参考电压输入线； REF OUT：参考电压输出线：参考电压输出线（3）R1零点调整；零点调整；R2增益调整增益调整16:51393、MCS-51和和A/D接口接口2、举例、举例编出能完成如下功能的程序：编出能完成如下功能的程序：先启动先启动AD574工作，后把工作，后把A/D转换后的转换后的12位数字量中高位数字量中高8位位送入内部送入内部RAM的的20H单元和单元和低低4位送入内部位送入内部RAM的的21H单元单元求解：相应程序为求解：相应程序为16:5140提出课题，确定系统功能及指标开始总体设计，划分软硬件功能硬件框图设计选择元器件，完成硬件原理设计加工，焊接，组装及调试局部电路调试实验局部方案修正部分程序调试实验确定算法，设计程序流程编制程序源程序编辑与 编 译软件功能模块划分局部修正软硬件联机调试排除硬件故障局部相关软硬件调试修改相应软硬件有故障 ？整体软硬件调试修改软硬件满足要求否 ？固化目标