MCS-51与DA及AD转换器接口

1、单片机应用技术主讲教师：苏晓龙全校公共选修课计算机学院信息科学系办公室：计A315-1答疑地点：计A315-1E-mail：第九章 MCS-51与D/A及A/D转换器接口9.1 概述9.2 D/A转换器及其接口9.3 A/D转换器及其接口9.1 概述模拟量I/O接口的作用： 实际工业生产环境连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部离散的数字量： 二进制数工业生产过程的闭环控制模拟量输入(数据采集)模拟量输出(过程控制)模拟量D/A传感器执行元件A/D数字量数字量模拟量计算机概述一、一个实时控制系统控制对象传感器信号处理多路开关采样保持A/D转换I/O接口计算机传感

2、器信号处理多路开关执行机构D/A转换I/O接口 传感器Transducer、Sensor非电量电压、电流 概述一、一个实时控制系统变送器Transformer转换成标准的电信号信号处理Signal Processing放大、整形、滤波 多路转换开关Multiplexer 多项选择一采样保持电路Sample Holder，S/H保证变换时信号恒定不变A/D变换器A/D Converter模拟量转换为数字量D/A变换器D/A Converter数字量转换为模拟量概述二、多路模拟开关1.作用: 切换模拟信号。 2.产品: AD7501、AD7503：多路输入，一路输出； CD4051、CD4052、

3、CD4097：双向切换的多路开关。 A/D转换器对应于多路输入，一路输出的模拟多路开关，使多路模拟信号轮流与A/D转换器接通。D/A转换器对应于一路输入，多路输出，使输出的模拟信号轮流分配到各模拟通路，控制相应的机构。概述二、多路模拟开关3.原理（以CD4051为例）CD4051I/O4VEEVSSI/O6I/O7I/O5I/O2I/O1I/O0I/O313456782161413121110915COMMONVDDA0A1A2SI/O电平转换译码电路I/O1I/O2I/O3I/O4I/O5I/O6I/O7SA2A1A0I/O0A2A1: 000111,选中07通路上的开关处于闭合。S为低电平

4、时才能选中某一通路。CMOS开关可双向工作，即可作为8入1出，也可作为1入8出。概述二、多路模拟开关3.原理（以CD4051为例）8通道数据采集电路CD4051S/HA/D74LS273CSD3D2D1D04D3D2D1D1Q2Q3Q4QA0A1A2SIN7IN0译码器ABDB概述三、采样、量化和编码采样：按相等的时间间隔从模拟信号上截取一系列离散电压瞬时值。 量化：按分层原理，将截取的值数量化。分层值N越大，量化值越接近于实际值。N也表示用几位二进制位表示模拟信号的数值。编码：将量化的数值用二进制数表示出来。四、采样保持器1 、采样过程: 将采样脉冲加到采样器，使得在输出端得到一个脉冲序列。

5、概述四、 采样保持器2 、采样保持: 如果模拟信号变化比较快, 为了保证转换精度, 就要在A/D之前加上采样保持电路, 使得在转换期间保持模入信号不变。有的A/D芯片内就集成有采样保持电路，具体可从芯片使用手册中查到。假设A/D转换器的速度比较模拟信号变化速度高很多倍, 那么在A/D芯片之前可不加采样保持电路。可将模拟信号直接加到A/D转换器上。例ADC0809转换时间为100s, 要求模入信号在100s之内根本不变。概述四、 采样保持器例: 采样保持芯片LF398V3 421876524K1KV+V保持电容保持采样保持Vi偏置调节238765 +A1A2A330KD1D2S300脉冲变高,采

6、样,S合上脉冲变低,保持,S打开概述四、 采样保持器采样保持器的三个重要指标：1.孔径时间TAP：模拟开关从闭合到完全断开的过渡时间。2.捕捉时间TAC ：从保持到采样不是直线跳变, 而是有一段时间叫捕捉时间。3.保持电压衰减速率：保持状态下由于漏电流引起的保持电压衰减。电压下降率捕捉时间9.2 D/A转换器及其接口9.2.1 D/A转换器9.2.2 MCS-51和D/A的接口返回本章首页9.2.1 D/A转换器图9-2 最简单D/A转换器框图9.2.1 D/A转换器关系式：Vout=KVR式中，VR为常量，由参考电压VREF决定；K为 数字量，常为一个二进制数。数字量K的位数通常为8位和12

7、位等，由D/A转换器芯片型号决定。K为n位时的通式为： K= ( bn-1 bn-2b1 b0 ) B = bn-12n-1+ bn-22n-2+ b21+ b020式中，bn-1为B的最高位；b0为最低位。1D/A转换器的原理D/A转换器的原理：把输入数字量中每位都按其权值分别转换成模拟量，并通过运算放大器求和相加如下页图所示。根据克希荷夫定律，如下关系成立：I4=23I3=22I2=21I1=20 9.2.1 D/A转换器IO=权电阻网络+RfIf8R4R2RRI1I2I3I4S1S2S3S4IOVRd1d2d3d4d1 I1 + d2 I2 + d3 I3 + d4 I4 d1、d2 、

8、d3 、d4表示对应开关S1 S4的状态。di = 0表示对应开关Si断开；di =1表示对应开关Si闭合。1D/A转换器的原理9.2.1 D/A转换器D/A 转换器IO=VO= Rf If= Rf IO令Rf =R/2那么：VO= RfIO= VR(d12-1+ d22-2 + d32-4 + d42-4)1D/A转换器的原理9.2.1 D/A转换器2D/A转换器的性能指标9.2.1 D/A转换器1. 输入数字量: 码制、数据格式和逻辑电平。2. 输出模拟量: 电流和电压。多数为电流型，如DAC0832即为电流型，靠外接运算放大器转换成电压。3. 分辨率: 数据发生1LSB变化时所对应的输出

9、电压的变化。 与输入数字量的位数n的关系为： =FSR/ (2n-1)式中：FSR(Full Scale Range)为D/A转换器满量程输出电压。 8位D/A转换器的分辨率=1/255=0.39%FSR12位D/A转换器的分辨率=1/4096=0.0244%FSRD/A转换器4 、精度Conversion Accuracy : 实际输出值与理论值之间的最大偏差。用最大的静态转换误差的形式表示。这个转换误差应包括非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差，它反映了实际输出电压与理论输出电压之间的接近程度。一般用最小量化阶来度量，如1/2LSB (Least Significant Bit)

10、 。也可用满量程的百分比来度量，如0.05% FSR2D/A转换器的性能指标9.2.1 D/A转换器D/A转换器5 、线性误差: 在D/A转换时，假设数据连续转换(两相邻数据间差值为1)，那么输出的模拟量应该是线性的。用实际输出值与理想输出值的最大偏差与满量程值之比的百分数来表示线性误差。2D/A转换器的性能指标9.2.1 D/A转换器D/A转换器6 、建立时间 tS (转换时间): DAC的输入数字量有满刻度值的变化时，其输出模拟信号电压到达满刻度值1/2LSB最低有效位时所需要的时间。tVO1/2 LSBtSVFULL2D/A转换器的性能指标9.2.1 D/A转换器3DAC08321DAC

11、0832内部结构DAC0832内部由三局部电路组成如图9-4所示。 “8位输入存放器、“8位DAC存放器、“8位D/A转换电路由8位T型电阻网络和电子开关组成。9.2.1 D/A转换器2 DAC0832引脚功能DAC0832共有20条引脚，双列直插式封装。引脚连接和命名如图9-4所示。1数字量输入线DI7DI08条；2控制线5条；3输出线3条； 4电源线4条。图9-4 DAC0832原理框图3DAC08329.2.1 D/A转换器图9-5 双极性DAC的接法 返回本节3DAC08329.2.1 D/A转换器9.2.2 MCS-51和D/A的接口1DAC的应用 DAC用作单极性电压输出 DAC用

12、作双极性电压输出表9-1、图9-6所示 DAC用作控制放大器如图9-7 所示输入数字量Bb7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0Vout（理想值）+VREF时-VREF时1 1 1 1 1 1 1 1|VREF|-LSB-|VREF|+LSB1 1 0 0 0 0 0 0|VREF|/2-|VREF|/21 0 0 0 0 0 0 0000 1 1 1 1 1 1 1-LSBLSB0 0 1 1 1 1 1 1-|VREF|/2-LSB|VREF|/2+LSB0 0 0 0 0 0 0 0-|VREF|VREF|表9-1 双极性输出电压与输入数字量的关系图9-6 双极性DAC的另一种接法

13、 9.2.2 MCS-51和D/A的接口1DAC的应用图9-7 控制放大器用DAC08329.2.2 MCS-51和D/A的接口1DAC的应用9.2.2 MCS-51和D/A的接口2MCS-51与8位DAC的接口MCS-51和DAC0832接口时，有三种连接方式：直通方式、单缓冲方式如图9-89-9所示和双缓冲方式如图9-10所示 。图9-8 单缓冲方式下的DAC08329.2.2 MCS-51和D/A的接口2MCS-51与8位DAC的接口图9-10 8031和两片DAC0832的接口双缓冲方式2MCS-51与8位DAC的接口9.2.2 MCS-51和D/A的接口3MCS-51与12位DAC的

14、接口lDAC1208的内部结构和原理如图9-11所示图9-11 DAC1208内部框图 图9-12 8031和DAC1208 返回本节9.2.2 MCS-51和D/A的接口3MCS-51与12位DAC的接口l MCS-51和DAC1208的连接图9-12示9.3 A/D转换器及其接口9.3.1 A/D转换器概述双积分型A/D 转换器工作原理逐次逼近型A/D转换器接口返回本章首页9.3.1 A/D转换器概述在单片机测控应用系统中, 被采集的实时信号有许多是连续变化的物理量。 由于计算机只能处理数字量, 因此需要将连续变化的物理量转换成数字量, 即A/D转换。 这就涉及到A/D转换的接口问题。在设

15、计A/D转换器与单片机接口之前, 往往要根据A/D转换器的技术指标选择A/D转换器。 为此, 先介绍一下A/D转换器的主要技术指标。 9.3.1 A/D转换器概述量化间隔和量化误差是A/D转换器的主要技术指标之一。其中: n为A/D转换器的位数。一、量化间隔(分辨率、精度): 例：某8位ADC的满量程电压为5V，那么其分辨率为 9.3.1 A/D转换器概述量化误差有两种表示方法: 一种是绝对误差, 另一种是相对误差。二、量化误差：用数字离散量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。 (字长越长，精度越高)9.3.1 A/D转换器概述三、转换时间：转换一次需要的时间。

16、精度越高字长越长，转换速度越慢。四、输入动态范围: 允许转换的电压的范围。如05V、010V等。常用的A/D转换方法有计数法、逐次逼近法、双重积分法等。A/D转换器芯片种类很多, 按其转换原理可分为逐次逼近(比较)式、 双重积分式、 量化反响式和并行式A/D转换器9.3.1 A/D转换器概述对于一个模拟信号转换成数字信号所要求的根本部件有： 模拟多路转换器与信号调节电路。 采样/保持电路。 A/D转换器。 通道控制电路。9.3.1 A/D转换器概述怎样选择适宜的A/D转换器返回本节1选择适宜的系统采样速度2A/D转换器的误差3合理选用A/D转换器9.3.2 双积分型A/D 转换器工作原理1双积

17、分型A/D转换器工作原理双积分型A/D转换是一种间接A/D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BCD码输出。因此，双积分型A/D转换器转换时间较长，一般要大于4050ms。图9-13给出了微机控制的双积分电路原理图。其工作原理可由图9-14所示的工作波型图予以说明。图9-13 双积分ADC电路原理图 9.3.2 双积分型A/D 转换器工作原理1双积分型A/D转换器工作原理图9-14 各点输出波形9.3.2 双积分型A/D 转换器工作原理1双积分型A/D转换器工作原理2MC14433与MCS-51单片机

18、的接口图9-15 MC14433与8031直接连接的接口方法37109与MCS-51单片机接口图9-16 ICL7109与8031的接口电路图图9-17 ICL7109工作时序图返回本节A/D转换逐次逼近法由于速度快,大多数A/D转换器均采用此种方法.9.3.3 逐次逼近型A/D转换器接口1逐次逼近型ADC根本原理A/D转换 8通道8路输入、8位字长、逐位逼近型、转换时间100s、内置三态输出缓冲器、外部引脚说明如下：9.3.3 逐次逼近型A/D转换器接口2ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口1 ADC0809A/D转换D7D0：输出数据线三态IN0IN7：8通道路模拟输入ADD

19、A、ADDB、ADDC：通道地址通道选择ALE：通道地址锁存START：启动转换EOC：转换结束，可用于查询或作为中断申请OE：输出允许翻开输出三态门CLK：时钟输入10KHzVREF(+)、VREF(-)：基准参考电压9.3.3 逐次逼近型A/D转换器接口2ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口1 ADC0809A/D转换内部编程结构框图START EOC CLK OED7D0ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器8路模拟开关逐次逼近寄存器SAR树状开关电阻网络三态输出锁存器时序与控制地址锁存及译码D/A模拟输入通道8选19.3.3 逐次逼近型A/D转换器接口2ADC0

20、808/0809与MCS-51单片机的接口1 ADC0809A/D转换9.3.3 逐次逼近型A/D转换器接口2ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口1 ADC0809A/D转换需要考虑如下几方面 模拟信号输入 输入通道数与地址线的连接关系 数据线的连接 启动转换信号的连接 状态信号EOC端的连接 9.3.3 逐次逼近型A/D转换器接口2ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口2 ADC0809与PC总线的接口A/D转换模拟信号输入端INi 单路输入 模拟信号可固定连接到任何一个输入端 地址线根据输入线编号固定连接(高电平或低电平)如图：ADDCADDBADDAIN4ADC

21、0809输入+5V 多路输入 模拟信号按顺序分别连接到输入端 要转换哪一路输入，就将其编号送到地址线上(动态选择)ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入0CPU指定通道号输入42ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口2 ADC0809与PC总线的接口A/D转换地址线ADDA-ADDC多路输入时，地址线不能接死，而是要通过一个接口芯片与数据总线连接。接口芯片可以选用：锁存器74LS273，74LS373等要占用一个I/O地址ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809输入DB74LS373Q2Q1Q0CP来自I/O译码器D0-

22、D7可编程并行接口8255要占用四个I/O地址ADDCADDBADDAIN0IN1IN2IN3IN4ADC0809DB8255PB2PB1PB0CS来自I/O译码器D0-D7A1A0A1A02 ADC0809与PC总线的接口2ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口A/D转换数据输出线D0-D7内部已接有三态门，故可直接连到DB上。也可另外通过一个输入接口与DB相连。D0-D7ADC0809DBOE来自I/O译码器D0-D7ADC0809DBOE来自I/O译码器74LS244+5VDIDOE1E22 ADC0809与PC总线的接口2ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口A

23、/D转换地址锁存ALE和启动转换START独立连接：用两个信号分别进行控制需占用两个I/O端口或两个I/O线(用8255时)；统一连接：用一个脉冲信号的上升沿进行地址锁存，下降沿实现启动转换只需占用一个I/O端口或一个I/O线(用8255时) 。ADC0809ALE来自I/O译码1来自I/O译码2STARTADC0809ALE来自I/O译码器START2 ADC0809与PC总线的接口2ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口A/D转换转换结束EOC软件延时等待(比方延时1ms)不用EOC信号。CPU效率最低。软件查询EOC状态:EOC通过一个三态门连到数据总线的D0(其他数据位也可以)。三态门要占用一个I/O端口地址。CPU效率低把EOC作为中断申请信号，接到8259的IR端。在中断效劳程序中读入转换结果，效率高。2 ADC0809与PC总线的接口2ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口A/D转换一个连接实例D0IN0A15 A0D7 D0EOC译码器ADC0809D7-D0ALEADDCADDBADDAOESTARTM/IORDWR2 ADC0809与PC总线的接口2ADC0808/0809与MCS-51单片机的接口A/D转换一个连接实例