单片机第8章—AD与DA转换接口技术2

1、 第8章 AD/DA转换接口技术 8.1 转换器的主要术指标8.2 DA转换器接口技术 8.3 模数转换接口技术模数转换接口技术 8.3 ADC8.3 ADC接口技术接口技术 模数转换器模数转换器ADC的功能是将输入模拟量转换成与其成正比的数字的功能是将输入模拟量转换成与其成正比的数字量，它是单片机应用系统的一种重要组成器件。按照工作原理，有量，它是单片机应用系统的一种重要组成器件。按照工作原理，有比较式比较式ADC、积分式、积分式ADC以及电荷平衡（电压以及电荷平衡（电压-频率转换）式频率转换）式ADC。不同的芯片具有不同的连接方式，其中重要的是输入、输出以及控不同的芯片具有不同的连接方式，

2、其中重要的是输入、输出以及控制信号的连接方式。制信号的连接方式。1.从输入端看：从输入端看：（1）单端输入）单端输入 （2）差动输入）差动输入 （3）单极性输入）单极性输入 （4）双极性输）双极性输入入2. 从输出来看：从输出来看：（1）数据寄存器具有可控的三态门）数据寄存器具有可控的三态门 （2）不具备可控三态门，输出寄存器直接与芯片管脚相连，此时）不具备可控三态门，输出寄存器直接与芯片管脚相连，此时芯片的输出线必须通过输入缓冲器连至芯片的输出线必须通过输入缓冲器连至CPU数据总线。数据总线。8.3.1阶梯波阶梯波 比较式比较式ADC工作原理：工作原理： 转换开始时，计数器复转换开始时，计数

3、器复0 0，DACDAC的输出为的输出为VdVd=0=0。若输入电压。若输入电压ViVi为正，则比较器输出为正，则比较器输出VcVc为正，与门打开，计数器对时钟脉为正，与门打开，计数器对时钟脉冲进行计数，冲进行计数，DACDAC输出即随计数脉冲的增加而增加，如图所示，输出即随计数脉冲的增加而增加，如图所示，当当VdVd Vi Vi时，比较器输出变负，与门关闭，停止计数。计数时，比较器输出变负，与门关闭，停止计数。计数器的计数值正比于输入电压，完成了从输入模拟量器的计数值正比于输入电压，完成了从输入模拟量电压电压到计数器的计数值到计数器的计数值数字量的转换。数字量的转换。逐次逼近式AD转换器的工

4、作原理 从最高位开始通过试探值逐次进行测试，直到试探值经D/A转换器输出VN与VIN相等或达到允许误差范围为止。则该试探值就为A/D转换所需的数字量。阶梯波比较式阶梯波比较式ADC工作原理：工作原理：转换开始时，计数器复转换开始时，计数器复0 0，DACDAC的输出为的输出为VdVd=0=0。若输入电压。若输入电压ViVi为正，则比较器输出为正，则比较器输出VcVc为正，与门打开，计数器对时钟脉冲为正，与门打开，计数器对时钟脉冲进行计数，进行计数，DACDAC输出即随计数脉冲的增加而增加，如图所示，输出即随计数脉冲的增加而增加，如图所示，当当VdVd Vi Vi时，比较器输出变负，与门关闭，停

5、止计数。计数时，比较器输出变负，与门关闭，停止计数。计数器的计数值正比于输入电压，完成了从输入模拟量器的计数值正比于输入电压，完成了从输入模拟量电压电压到计数器的计数值到计数器的计数值数字量的转换。数字量的转换。 ADC0809ADC0809内部逻辑结构内部逻辑结构 ADC0809ADC0809引脚图引脚图 8位A/D转换器三态输出锁存缓冲器地址锁存与译码8位模拟开关Vref(+)12Vref(-)16ADC08097EOCMsbD7D01920211881517141113VccGNDOE910CLKSTART6ALE22ADDC23ADDB24ADDA25IN754321282726IN0

6、12345678910111213141516171819202122232425262728ADC0809IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLOCKVccVref(+)GNDD1IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0D2Vref(-)典型典型A/DA/D转换器芯片转换器芯片ADC0809ADC0809ADC0809内部多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存

7、器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。通道选择表通道选择表 C B A0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1被选择的通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADC0809ADC0809的工作时序图的工作时序图 ALE地址AD模拟量输入INSTARTEOCOED0 D7数字量输出data80518051单片机与单片机与ADC0809ADC0809的接口的接口 采用线选法规定其端口地址采用线选法规定其端口地址用单片机的用单片机的P2.7P2.7引脚作为片选信号引脚作为片选信号, , 因此端口地址为因此端口地址为7FFFH7FFFH。片。

8、片选信号和信号一起经或非门产生选信号和信号一起经或非门产生ADC0809ADC0809的启动信号的启动信号STARTSTART和地址和地址锁存信号锁存信号ALEALE；片选信号和信号一起经或非门产生；片选信号和信号一起经或非门产生ADC0809ADC0809输出允输出允许信号许信号OEOE， OE=1OE=1时选通三态门使输出锁存器中的转换结果送入时选通三态门使输出锁存器中的转换结果送入数据总线。数据总线。ADC0809ADC0809的的EOCEOC信号经反相后接到信号经反相后接到80518051的引脚的引脚 用于产用于产生转换完成的中断请求信号。生转换完成的中断请求信号。ADC0809ADC

9、0809芯片的芯片的3 3位模拟量输入通道位模拟量输入通道地址码输入端地址码输入端A A、B B、C C分别接到分别接到80318031的的P0.0P0.0、P0.1P0.1和和P0.2P0.2，故只，故只要向端口地址要向端口地址7FFFH7FFFH分别写入数据分别写入数据00H00H07H07H，即可启动模拟量输，即可启动模拟量输入通道入通道0 07 7进行进行A/DA/D转换。转换。转换数据的传送转换数据的传送 A/DA/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认关键问题是如何确认A/DA/D转换的完成，

10、因为只有确认完成后，才能进行转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。传送。为此可采用下述三种方式。（1 1）定时传送方式）定时传送方式 对于一种对于一种A/DA/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如固定的。例如ADC0809ADC0809转换时间为转换时间为128128s s，相当于相当于6MHz6MHz的的MCS-51MCS-51单片机单片机共共6464个机器周期。可据此设计一个延时子程序，个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/DA/D转换启动后即调用转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到

11、，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据此子程序，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。传送。（2 2）查询方式）查询方式 A/DA/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809ADC0809的的EOCEOC端。端。因此可以用查询方式，测试因此可以用查询方式，测试EOCEOC的状态，即可却只转换是否完成，并接的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。着进行数据传送。（3）中断方式）中断方式 把表明转换完成的状态信号（把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。式进

12、行数据传送。 不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以并以RDRD信号有效时，信号有效时，OEOE信号即有效，把转换数据送信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。上数据总线，供单片机接受。 不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为：束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为： MOV DPTR , #7FFFHMOV DPTR , #7FFFH MOVX A , DPTR

13、MOVX A , DPTR该指令在送出有效口地址的同时，发出有效信号该指令在送出有效口地址的同时，发出有效信号RDRD，使使08090809的输出允许信号的输出允许信号OEOE有效，从而打开三态有效，从而打开三态门输出，使转换后的数据通过数据总线送入门输出，使转换后的数据通过数据总线送入A A累加器累加器中。中。 A/DA/D转换应用转换应用举例举例 采用中断工作方式对8路模拟输入信号依次进行AD转换 需要说明的是，需要说明的是，ADC0809ADC0809的三个地址端的三个地址端A A、B B、C C既可如前所述既可如前所述与数据线相连，也可与地址线相连，例如与与数据线相连，也可与地址线相连

14、，例如与A A0 0A A2 2相连。这时启相连。这时启动动A/DA/D转换的指令与上述类似，只不过转换的指令与上述类似，只不过A A的内容为任意数。例如当的内容为任意数。例如当A A、B B、C C分别与分别与A A0 0、A A1 1、A A2 2相连时，相连时，启动启动A/D转换只需要一条转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将指令。在此之前，要将P2.7清零并将最低三位与所选择的清零并将最低三位与所选择的通道对应的口地址送入数据指针通道对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择中。例如要选择IN7通道时，通道时，可采用如下两条指令启动可采用如下两条指令启动A/D转换：转换： MO

15、V DPTR , #7FFFH ；送入；送入0809的口地址的口地址 MOVX DPTR , A ；启动；启动A/D转换（转换（IN7） 注意：此处注意：此处A中内容与中内容与A/D转换无关，可为任意值。转换无关，可为任意值。 采用查询方式对采用查询方式对8路模拟信号一次进行转换路模拟信号一次进行转换8.3.2 积分型积分型A/D 转换器工作原理转换器工作原理双积分型双积分型A/D转换器工作原理转换器工作原理 双积分型双积分型A/D转换是一种间接转换是一种间接A/D转换技术。首先将模拟电转换技术。首先将模拟电压转换成积分时间，然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉压转换成积分时间，然后用数字脉冲计

16、时方法转换成计数脉冲数，最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成二进冲数，最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成二进制或制或BCD码输出。码输出。 双积分双积分A/D转换电路原理及工作波型图转换电路原理及工作波型图1.准备期：准备期：开关开关S1、S2、S3断开，断开，S4接通，积分电容接通，积分电容C被短路，输被短路，输出为出为0。2.采样期：采样期：开关开关S2、S3、S4断开，断开，S1闭合，积分器对输入模拟电闭合，积分器对输入模拟电压压+Vi进行积分，积分时间固定为进行积分，积分时间固定为T1，在采样期结束的，在采样期结束的t2时刻，时刻，积分器输出电压为：积分器输出电压为： 式

17、中式中 为被测模拟电压在为被测模拟电压在T1时间内的平均值。时间内的平均值。itticVRCTdtVRCV1211dtVTVttii21113.比较期：比较期：从从t2时刻开始，开关时刻开始，开关S1、S2、S4断开，断开，S3闭合，将闭合，将与被测模拟电压极性相反的标准电压与被测模拟电压极性相反的标准电压-Er接到积分器的输入端接到积分器的输入端(若被测模拟电压为若被测模拟电压为-Vi，则，则S1、S3、S4断开，断开，S2闭合，将闭合，将+Er接接到积分器的输入端到积分器的输入端)，使积分器进行反向积分。当积分器的输出，使积分器进行反向积分。当积分器的输出回到回到0时，比较器的输出发生跳变

18、。设在时，比较器的输出发生跳变。设在t3时刻积分器回时刻积分器回0，此，此时有：时有： 式中式中T2=t3-t2为比较周期。为比较周期。rcttrcERCTVdtERCV232)(10在在T2周期内对一个周期为周期内对一个周期为的时钟脉冲进行计数，得：的时钟脉冲进行计数，得： NT 2irVETTN12由于由于T1、Er、都是恒定值，从而计数值都是恒定值，从而计数值N就正比于被测模拟就正比于被测模拟电压值，实现了电压值，实现了A/D转换。转换。双积分双积分A/D转换器芯片转换器芯片ICL7135ICL7135是一种常用的是一种常用的4位半位半BCD码双积分型单码双积分型单片集成片集成ADC芯片

19、芯片, 其分辩率相当于其分辩率相当于14位二进制位二进制数，它的转换精度高数，它的转换精度高, 转换误差为转换误差为1LSB，并，并且能在单极性参考电压下对双极性输入模拟电且能在单极性参考电压下对双极性输入模拟电压进行压进行A/D转换，模拟输入电压范围为转换，模拟输入电压范围为01.9999V。 芯片采用了自动校零技术芯片采用了自动校零技术, 可保证可保证零点在常温下的长期稳定性，模拟输入可以是零点在常温下的长期稳定性，模拟输入可以是差动信号差动信号, 输入阻抗极高。输入阻抗极高。ICL7135的输出时序图的输出时序图B8、B4、B2、B1：BCD码数据输出，B8为最高位，B1为最低位。D5、

20、D4、D3、D2、D1：BCD码数据的位驱动信号输出端，分别选通万、千、百、 十、个位。ICL7135与单片机与单片机8031的接口电路的接口电路 ICL7135转换结果输出是动态的，因此必须转换结果输出是动态的，因此必须通过并行接口才能与单片机连接。图中通过并行接口才能与单片机连接。图中74LS157为为4位位2选选1 的数据多路开关，的数据多路开关，74LS157的端输入的端输入为低电平时，为低电平时，1A、2A、3A输入信息在输入信息在1Y、2Y、3Y输出；输出； 端为高电平时，端为高电平时，1B、2B、3B输入输入信息在信息在1Y、2Y、3Y输出。因此，当输出。因此，当7135的高位的

21、高位选通信号选通信号D5输出为高电平时，万位数据输出为高电平时，万位数据B1和极和极性、过量程、欠量程标志输入到性、过量程、欠量程标志输入到8051单片机的单片机的P0.0P0.3，当，当D5为低电平时，为低电平时，7135的的B8、B4、B2、B1输出低位转换结果的输出低位转换结果的BCD码，此时码，此时BCD码数据线码数据线B8、B4、B2、B1输入到输入到8051单片单片机的机的P0.0P0.3。 ICL7135的时钟频率为的时钟频率为125kHz，每秒进行，每秒进行3次次A/D转转换。换。ICL7135的数据输出选通脉冲线接到的数据输出选通脉冲线接到8051外部外部中断中断INT0端，

22、当端，当ICL7135完成一次完成一次A/D转换以后，转换以后，产生产生5个数据选通脉冲，分别将各位的个数据选通脉冲，分别将各位的BCD码结果码结果和标志和标志D1D5打入打入8051的的P0口。由于口。由于ICL7135的的A/D转换是自动进行的转换是自动进行的, 完成一次完成一次A/D转换后转换后, 选通选通脉冲的产生和脉冲的产生和8051中断的开放是不同步的。为了保中断的开放是不同步的。为了保证读出数据的完整性证读出数据的完整性, 单片机单片机8051只对最高位只对最高位(万位万位)的中断请求作出响应，低位数据的输入则采用查询的中断请求作出响应，低位数据的输入则采用查询的方法，的方法，A

23、/D转换结果送入单片机转换结果送入单片机8051片内片内RAM的的20H, 21H和和22H单元。单元。 三积分式ADC的工作原理 为了提高双分积式ADC的分辨率，出现了多积分式ADC。下面简单介绍三重积分式ADC的工作原理。它的特点是比较期由两段斜坡组成，当积分器输出电压接近0点时，突然换接数值较小的基准电压，从而降低了积分器输出电压的斜率，延长积分器回0的时间，使比较周期延长以获得更多的计数值，从而提高了分辨率。而积分器在输出电压较高时，接入数值较大的基准电压，积分速度快，因而转换速度也快。系统中有两个比较器，比较器1的比较电平为0电平，比较器2的比较电平为V，同时有两个基准电压Er和Er/2m。工作过程如下：采样期：Sx接通，Spb、Sps断开，积分器对被测电压Vi积分，积分周期恒定为T1；比较期I：Spb接通，Sx、Sps断开，积分器对极性与Vi相反的基准电压Er进行积分，由于Er数值较大，故积分速度较快，积分周期为T21；比较期：当积分器输出达到比较器2的比较电平V时，通过控制电路使开关Sps接通，Spb、Sx断开，积分器对Er/2m