华东交通大学单片机微机原理及应用基础教程第6章接口技术及其应用基础(第2部分)

6.1常用并行I/O接口芯片

6.2键盘及其接口6.3LED数码显示器及其接口6.5D/A转换器及其接口6.6A/D转换器及其接口第6章接口芯片与接口技术

数/模转换器常被称为D/A转换器（简称DAC），它是把数字量转变成模拟量的器件。D/A转换器的基本结构包括4个部分：电阻解码网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。目前常用D/A转换器其电阻解码网络为T型电阻网络结构。本节即阐述T型电阻网络式D/A转换器的结构及转换原理。6.5

D/A转换器及其接口6.5.1D/A转换器的结构及转换原理6.5.1D/A转换器的结构及转换原理

本节以4位D/A转换器为例说明其工作原理，如下图。D0～D3为输入数字量用作电流控制开关，VREF为外加基准电源，Rfb为外接运算放大器的反馈电阻。6.5

D/A转换器及其接口6.5.1D/A转换器的结构及转换原理

由于各支路开关的状态受要转换的二进制数D3、D2、D1、D0控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得如下通式：6.5.1D/A转换器的结构及转换原理6.5.1D/A转换器的结构及转换原理

D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用D/A芯片型号的依据。主要性能指标有：

1.分辨率

2.转换精度

3.非线性误差

4.稳定时间

5.工作温度范围6.5.2D/A转换器的性能指标6.5

D/A转换器及其接口分辨率=满刻度值/(2n-1)=VREF/2n

定义：当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。对于一个N位的D/A转换器其分辨率为：例如：对于满刻度值5.12V，单极性输出，D/A转换器的

分辨率为：8位D/A

5.12V/28＝20mV10位D/A5.12V/210=5.12V/1024＝5mV12位D/A5.12V/212=5.12V/4096＝1.25mV

1.分辨率6.5.2D/A转换器的性能指标

转换精度是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分辨率是两个不同的概念。例如，满量程时的理论输出值为10V，实际输出值是在9.99V~10.01V之间，其转换精度为±10mV。对于分辨率很高的D/A转换器并不一定具有很高的精度。2.转换精度6.5.2D/A转换器的性能指标

定义：在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差。一般用最低有效位LSB的分数来表示。为±0.01％～0.8％。数字量输入模拟量输出

理想特性实际特性满刻度

非线性误差3.非线性误差6.5.2D/A转换器的性能指标4.稳定时间

稳定时间--指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差±1/2LSB时所需的时间，是描述D/A转换速度快慢的一个参数。显然，稳定时间越大，转换速度越低。对于输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微秒，而输出是电压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。

LSB(LeastSignificantBit，最低有效位):

LSB是给这些单元值的一个二进制整数位位置，决定是否这个数字是偶数或奇数。它类似于一个十进制整数的最不重要的数字，它是在一个最右边位置的数字。6.5.2D/A转换器的性能指标1.DAC0832的结构2.DAC0832的引脚3.DAC0832的接口4.DAC0832的单极性和双极性输出方式5.DAC0832的应用6.5.3D/A转换芯片DAC0832及其应用6.5

D/A转换器及其接口8位输入寄存器8位D/A转换器DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7＆++ILECSWR1XFERWR2VREFIOUT1IOUT2DGNDLE1LE2Rfb8位DAC寄存器1.DAC0832的结构

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=02.DAC0832的引脚DAC0832是CMOS工艺，双列直插式20引脚。①VCC电源可以在5-15V内变化。典型使用时用15V电源。②AGND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。③Vref为参考电压输入端，Vref接外部的标准电源，一般在+10V到-10V范围内选用。DAC0832的引脚图④DAC0832有IOUT1两和IOUT2个电流输出端：

IOUT1的输出是与数字量成比例的电流，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。IOUT2为某一常数与IOUT1之差，即IOUT1+IOUT2=常数2.DAC0832的引脚8位输入寄存器8位D/A转换器DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7＆++ILECSWR1XFERWR2VREFIOUT1IOUT2DGNDLE1LE2Rfb8位DAC寄存器DAC0832是CMOS工艺，双列直插式20引脚。2.DAC0832的引脚DAC0832是CMOS工艺，双列直插式20引脚。8位输入寄存器8位D/A转换器DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7＆++ILECSWR1XFERWR2VREFIOUT1IOUT2DGNDLE1LE2Rfb8位DAC寄存器⑤Rfb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。实际使用时常将电流转为电压来使用，即将IOUT1和IOUT2加到一个运算放大器的输入。IOUT1IOUT2Rfb2.DAC0832的引脚8位输入寄存器8位D/A转换器DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7＆++ILECSWR1XFERWR2VREFIOUT1IOUT2DGNDLE1LE2Rfb8位DAC寄存器DAC0832是CMOS工艺，双列直插式20引脚。⑥DI0-DI7是数字量输入信号线。可以直接和微机的数据总线相连。⑦ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。只有当ILE=1时，输入数字量才可能进入8位输入寄存器。⑧CS：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。2.DAC0832的引脚8位输入寄存器8位D/A转换器DI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6DI7＆++ILECSWR1XFERWR2VREFIOUT1IOUT2DGNDLE1LE2Rfb8位DAC寄存器DAC0832是CMOS工艺，双列直插式20引脚。⑨XFER：传送控制信号，低电平有效。控制数据从输入寄存器到DAC寄存器的传送。⑩WR1：写信号1，低电平有效，控制输入寄存器的写入。

WR2：写信号2，低电平有效，控制DAC寄存器的写入。DAC0832转换器可以有三种工作方式。

1）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。

2）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。

3）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。3.DAC0832的接口1）直通方式

直通方式：两个8位数据寄存器都处于数据接收状态。输入数据直接送到内部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直通方式电路连接图

单缓冲方式：有3种形式。最常用的是将DAC寄存器置于直通方式，而输入寄存器工作于受控状态，如下图。此时，0832对于51单片机来说相当于一个外部RAM单元。2）单缓冲方式DAC0832单缓冲方式电路连接图

双缓冲方式：两个8位数据寄存器都不处于直通方式，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。3）双缓冲方式DAC0832双缓冲方式电路连接图例如，当VREF=+5V（或-5V）、数字量变化范围为0~255时，输出模拟电压变化范围为0~-5V（或0~+5V）。4.DAC0832的单极性和双极性输出方式

DAC0832的单极性输出方式DAC0832单极性输出方式电路

右图为DAC0832单极性输出方式，采用一级运算放大器将电流输出变换为电压输出，输出电压VOUT与参考电压VREF极性相反，与输入数字量B成前述的比例关系：设VREF=+5V，则VOUT1的输出范围为0~-5V，VOUT2的输出范围为-5V~+5V。

例如：当VOUT1=0V时，VOUT2=-5V；当VOUT1=-2.5V时，VOUT2=0V；当VOUT1=-5V时，VOUT2=+5V。4.DAC0832的单极性和双极性输出方式

DAC0832的双极性输出方式DAC0832双极性输出方式电路

右图为DAC0832单极性输出方式，第二级运放将第一级运放的单极性输出VOUT1变换双极性输出VOUT2，有如下关系式：

D/A转换器是计算机控制系统中常用的接口器件,它可以直接控制被控对象,例如控制伺服电动机或其它执行机构。它也可以很方便地产生各种输出波形,如矩形波、三角波、阶梯波、锯齿波、梯形波、正弦波及余弦波等。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5.DAC0832的应用锯齿波分为正向锯齿波和负向锯齿波。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，如移动记录笔或移动电子束等，因此正向锯齿波应用广泛，其波形如右图所示：

锯齿波的产生

MOVDPTR,#7FFFHMOVA,#00HWW:MOVX@DPTR,A

INCA

NOPNOPNOP

AJMPWW【例6-12】DAC0832与计算机的接口电路如下图，设0832输入寄存器的

地址为7FFFH，试编写产生锯齿波的程序。正向锯齿波波形图程序代码①程序每循环1次，(A)加1，可见锯齿波的上升沿是由256个小阶梯构成的。②可通过循环程序段的机器周期数，计算出锯齿波的

周期,并可根据需要通过延时的办法来改变波形周期。③通过A加1，可得到正向的锯齿波；如要得到负向的

锯齿波，只要将(A)加1改为(A)减1的指令即可实现。④程序中(A)的变化范围为0~255，所得到的锯齿波为

满幅度。

锯齿波的产生锯齿波发生程序的几点说明

实际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

三角波由两段直线组成的，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，如右图所示。三角波波形图4.DAC0832的应用

START:CLRAUP:MOVP1,A

INCA

JNZUP

MOVA,#254DOWN:MOVP1,A

DECA

JNZDOWN

SJMPUP

三角波的产生【例6-13】DAC0832与计算机的接口电路如下图，设0832输入寄存器的

地址为7FFFH，产生三角波的程序如下：程序代码①本程序所产生的三角波谷值为0，峰值为+5V(或-5V)。

若改变下限值和上限值，那么三角波的谷值和峰值也

随之改变。②改变延时时间可改变三角波的斜率。③若在谷值和峰值处延时较长时间的话，则输出梯形波，延时时间的长短取决于梯形波上下边的宽度。

三角波的产生三角波发生程序的几点说明

梯形波有多种形式，波形如下图所示：实现方法与锯齿波和三角波相似。

梯形波的产生4.DAC0832的应用梯形波波形图6.6

A/D转换器及其接口

A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换。按转换原理可分为4种：计数式、双积分式、逐次逼近式及并行式A/D转换器。前最常用的是双积分式和逐次逼近式。双积分式A/D转换器的主要优点为转换精度高、抗干扰性能好、价格便宜；缺点为转换速度较慢。因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合。逐次逼近式A/D转换器是一种速度较快、精度较高的转换器,其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。6.6

A/D转换器及其接口6.6.1模拟量数据的采样与保持采样系统：把连续变化的量变成离散量再进行处理的微机控制系统。

采样形式：有周期采样（应用最多）、多阶采样和随机采样。

周期采样：以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定的时间间隔T转变为在瞬时0,T,2T,…的一连串脉冲序列信号。y*(t)，如下图。1.数据采样过程信号的采样过程

对一个具有有限频谱的连续信号f(t)进行采样，设为原信号有效频谱中的最高频率，为采样频率。若采样频率满足，再通过一个理想的低通滤波器，则采样信号f*(t)能够不失真地复现原来的连续信号f(t)。

实际系统中，一般将采样频率选得比大得多。2.采样定理6.6

A/D转换器及其接口6.6.1模拟量数据的采样与保持采样时间或采样宽度τ--采样开关每次闭合的时间。采样周期T--采样开关每次通断的时间间隔。

实际系统中，远小于T

，即可以近似地认为采样信号y*(t)是原信号y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。信号的采样过程6.6.1模拟量数据的采样与保持3.采样常用术语

采样信号f是时间上离散而幅值上连续的信号，需要经过A/D转换进行数字编码，才能运用计算机进行处理，这个过程称为量化。量化公式如下：4.量化和量化误差式6-1中：L为整数；q为量化间隔；()为余数，对其有截尾和舍入两种处理方法。(式6-1)(式6-2)6.6.1模拟量数据的采样与保持

量化间隔和量化误差是A/D转换器的主要技术指标之一。量化间隔可由下式求得：4.量化和量化误差量化误差用符号表示，有两种：绝对量化误差和相对量化误差。分别由下式求得：绝对量化误差公式相对量化误差公式(式6-3)(式6-4)6.6.1模拟量数据的采样与保持

例如，当满量程电压为5V，采用10位A/D转换器的量化间隔、绝对量化误差、相对量化误差分别如下。绝对量化误差:

相对量化误差:

6.6.1模拟量数据的采样与保持4.量化和量化误差量化间隔:

零阶采样保持器的作用是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变，直到下一个采样时刻。其组成原理电路与工作波形如下图。5.零阶采样保持器6.6.1模拟量数据的采样与保持零阶采样保持器

采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。

①采样期间：开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；

②保持期间：开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。零阶采样保持器5.零阶采样保持器

保持电容CH的作用十分重要，由于保持电容的漏电流所致，

实际上保持期间电压VC在缓慢下降。保持电压VC的变化率为:

ID------保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。

CH-----增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为510～1000pF。(式6-3)5.零阶采样保持器

在A/D通道中，采样保持器的采样和保持电平应与后级的A/D转换相配合，该电平信号既可以由其它控制电路产生，也可以由A/D转换器直接提供。保持器在采样期间，不启动A/D转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换时的模拟输入电压恒定，以确保A/D转换精度。5.零阶采样保持器6.6.1模拟量数据的采样与保持

1.分辨率

A/D转换器的分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即：分辨率=满刻度值/2n

6.6.2A/D转换器的性能指标转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。

①

绝对误差指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。

②

相对误差指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数表示。A/D转换器常用若干个LSB来表示，1LSB=1/

2n

。

例如：一个8位0~5V的A/D转换器，如其相对误差为±

1LSB，则其绝对误差为±19.5mV，相对百分误差为0.39％。一般来说，位数n越大，其相对误差（或绝对误差）越小。2.

转换精度6.6.2A/D转换器的性能指标

A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。逐位逼近式A/D转换器的转换时间为微秒级；双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。3.转换时间6.6.2A/D转换器的性能指标

ADC0809是一种8路模拟输入8位数字输出的逐次比较型A/D转换器，相对误差为1/28≈0.39%，模拟电压转换范围是0～+5V，标准转换时间为100s，采用28脚双立直插式封装。6.6.3A/D转换器ADC0809及其接口1.ADC0809的结构及引脚2.ADC0809的接口3.ADC0809的应用1.ADC0809的内部结构及其引脚6.6.3A/D转换器ADC0809及其接口ADC0809的内部结构及其引脚示意图1.ADC0809的内部结构及其引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装。①VCC为芯片+5V电源输入端。②GND为芯片电源接地端。③VREF(+)、VREF(-)分别为参考基准电源的正、负输入端。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VREF(+)=+5V，VREF(-)=0V。

ADC0809的引脚图地址锁存与译码8位A/D转换器输出锁存与缓冲器IN0IN1IN2IN3IN4IN5D0D1D2D3D4D5D6D7IN6IN7ADDBADDAADDCALEOESTARTEOCVref+Vref-CLOCK1.ADC0809的内部结构及其引脚ADC0809的引脚图ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装。④IN7～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。地址锁存与译码8位A/D转换器输出锁存与缓冲器IN0IN1IN2IN3IN4IN5D0D1D2D3D4D5D6D7IN6IN7ADDBADDAADDCALEOESTARTEOCVref+Vref-CLOCK⑤ADDA,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。1.ADC0809的内部结构及其引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装。地址状态与通道相对应关系表见下页地址状态与通道相对应的关系表ADDCADDBADDA选择的通道000001010011100101110111IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN71.ADC0809的内部结构及其引脚地址锁存与译码8位A/D转换器输出锁存与缓冲器IN0IN1IN2IN3IN4IN5D0D1D2D3D4D5D6D7IN6IN7ADDBADDAADDCALEOESTARTEOCVref+Vref-CLOCK⑥ALE：地址锁存允许信号。在ALE信号上跳沿，ADDA、ADDB、ADDC的状态送入地址锁存器中。1.ADC0809的内部结构及其引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装。地址锁存与译码8位A/D转换器输出锁存与缓冲器IN0IN1IN2IN3IN4IN5D0D1D2D3D4D5D6D7IN6IN7ADDBADDAADDCALEOESTARTEOCVref+Vref-CLOCK⑦START：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。1.ADC0809的内部结构及其引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装。地址锁存与译码8位A/D转换器输出锁存与缓冲器IN0IN1IN2IN3IN4IN5D0D1D2D3D4D5D6D7IN6IN7ADDBADDAADDCALEOESTARTEOCVref+Vref-CLOCK⑧D7~D0：数据输出线。它们为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。1.ADC0809的内部结构及其引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装。地址锁存与译码8位A/D转换器输出锁存与缓冲器IN0IN1IN2IN3IN4IN5D0D1D2D3D4D5D6D7IN6IN7ADDBADDAADDCALEOESTARTEOCVref+Vref-CLOCK1.ADC0809的内部结构及其引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装。⑨OE：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。地址锁存与译码8位A/D转换器输出锁存与缓冲器IN0IN1IN2IN3IN4IN5D0D1D2D3D4D5D6D7IN6IN7ADDBADDAADDCALEOESTARTEOCVref+Vref-CLOCK1.ADC0809的内部结构及其引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装。⑩CLOCK：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。

ADC0809与80C51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路模拟通道的选择，二是A/D转换完成后数据的传送。2.ADC0809的接口

8路模拟信号通道选择线的连接方法有两种：与DB连接和与AB连接。6.6.3A/D转换器ADC0809及其接口

8路模拟通道的选择与DB连接

8路模拟通道的选择与AB连接

8路模拟通道的选择

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。

A/D转换完成后数据的传送2.ADC0809的接口6.6.3A/D转换器ADC0809及其接口定时传送方式查询方式中断方式

转换时间作为A/D转换器的一项技术指标是已知和固定的