第九章--MCS51与AD、DA的接口

1、第九章 MCS51与A/D、D/A的接口,9.1 A/D转换器的接口技术 9.2 MCS-51单片机与8位D/A转换器接口技术 9.3 MCS-51与12位D/A转换器的接口技术,教学目的和要求,本章主要介绍A/D和D/A转换的原理，几种典型的A/D和D/A电路以及MCS51单片机的接口方法，包括硬件电路和硬件应用实例。重点掌握A/D和D/A的转换原理及与MCS51系列单片机接口的设计。,A/D转换器的接口技术,能够把模拟量变成数字量的器件称为模数转换器(A/D)。能够把数字量变成模拟量的器件称为数模转换器(D/A)。 具有模拟量输入和模拟量输出的MCS-51单片机应用系统结构如图9-1所示。

2、,A/D转换器的接口技术,目前常用单片A/D转换器的输出形式大致可分为并行、串并行和串行输出三种。 并行输出A/D转换器接口 并行输出A/D转换器是以位并行的形式输出。它通过I/O口与微机连接，其接口包括三态缓冲器、状态应答和地址选择等部分，这些部分可以集成于A/D转换器之内，也可以包含在由CPU、I/O端口及内存等组成的单片机内。其接口的一般形式可用图9-2来表示。,A/D转换器的接口技术,并行输出ADC接口框图,A/D转换器的接口技术,8位并行输出A/D转换器ADC0809接口 (1)ADC809的结构 ADC0809是一种8路模拟输入8位数字输出的A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完

3、成A/D转换的。 ADC0809的结构框图如图9-3所示。 ADC0809由单一+5V电源供电，此时输入范围为05V； 片内有一个带有锁存功能的8通道多路模拟开关，可对8路05V的输入模拟电压信号分时进行转换，三个地址信号A、B和C决定是哪一路模拟信号被选中并送到内部A/D转换器中进行转换，完成一次转换约需100s ； 片内具有多路开关、地址译码器和锁存电路以及逐次逼近寄存器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上。,A/D转换器的接口技术,A/D转换器的接口技术,(2)ADC0809的引脚 ADC0809是28脚双列直插式封装，引脚图如图9-4所示。,各引脚功能如下： IN

4、0IN7：8路模拟量输入引脚。 START：AD转换启动信号输入端。当START为高电平时，A/D开始转换。 ALE：通道地址锁存允许信号输入端，上升沿有效。 EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。,A/D转换器的接口技术,OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK：时钟信号输入端。 A、B、C：地址输入线，经译码后可选通IN0IN7八通道中的一个通道进行转换。A为最低，C为最高。 D7 D0： 8位数字量输出引脚。 VR()：参考电压正端。一般接+5V高精度参考电源。 VR()：参考电压负端。一般接模拟地。 Vcc，GND：电源电压Vcc接+

5、5V，GND为数字地。,A/D转换器的接口技术,ADC0809的操作时序如图9-5所示。,A/D转换器的接口技术,（3）ADC0809与8051的接口电路 ADC0809与8051单片机的接口如图9-6所示。,A/D转换器的接口技术,（4）ADC0809接口控制程序 图9-6所示接口可以采用定时采样、查询和中断三种控制方式，其程序如下。 例9-1：下面的程序是采用软件延时的方法，分别对8路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果转储到数据存储区20H开始的单元。 MAIN： MOV Rl，20H ；置数据区首地址 MOV DPTR，#0FEF8H ；P2.00，且指向通道0 MOV R7，#08H

6、；置通道数 LOOP： MOVX DPTR，A ；启动A/D转换 MOV R6，0AH ；软件延时，等待转换结束,A/D转换器的接口技术,DLAY： NOP NOP NOP DJNZ R6，DLAY MOVX A，DPTR ；读取转换结果 MOV R1，A ；转储 INC DPTR ；指向下一个通道 INC R1 ；修改数据区指针 DJNZ R7，LOOP ；8个通道全采样完了吗? RET,A/D转换器的接口技术,例9-2：用查询方式控制程序完成一次A/D启动并读取转换结果。读取数据存储于内部存储单元30H中。 ADCON： MOV DPTR，#0FEF8H MOVX DPTR，A WAIT：

7、 JB P3.3，WAIT ；读取ADC状态INT1 WAIT1： JNB P3.3，WAIT1 ；为“0”，未结束，等待 MOVX A，DPTR MOV 30H，A RET 由上面的程序可见，查询方式下，CPU的利用率是很低的，在整个A/D转换时间内，都在做无用功。一般在中低速ADC接口中，应使用中断接口。,A/D转换器的接口技术,例9-3：ADC0809中断接口控制程序。 ADC0809与8051的中断方式接口电路只需要将ADC0809的EOC脚经过一非门连接到8051的INTl脚即可， 程序如下： ADCN： SETB IT1 ；外部中断1初始化编程 SETB EA SETB EXI M

8、OV DPTR，#0FEF8H ；启动0809的IN0通道转换 MOV A，00H MOVX DPTR，A ADED： SJMP ADEN,A/D转换器的接口技术,中断服务程序： PINTI：MOV DPTR，#0FEF8H ；读取AD结果送缓冲单元30H MOVX A，DPTR MOV 30H，A MOV A，#00H ；启动0809对IN0的转换 MOVX DPTR,A； RETI,A/D转换器的接口技术,高于8位的并行输出ADC接口 目前常用的916位ADC一般都具备8位和16位接口电路，可以直接与相应的微机连接。 （1）高于8位的并行输出ADC接口的一般形式 高于8位的并行输出ADC与

9、8位微机相连接时，一般需使用两个8位并行端口，其形式如图9-7所示。 这两个并行端口分别输入ADC输出的高位字节和低位字节。同8位ADC类似，接口还应具备状态检测和启动控制能力。,A/D转换器的接口技术,高于8位ADC接口的一般形式,A/D转换器的接口技术,（2）12位并行输出A/D转换器AD574接口 AD574的特性 AD574为中档、中速12位逐次逼近型A/D转换器。转换速度为25s，转换精度为0.05%，由于芯片内有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容。,A/D转换器的接口技术,AD574为28脚双列直插

10、式封装，其引脚如图9-8所示。 AD574有5个控制端和一个状态输出端，功能简述如下：,CS：片选信号。 CE：片启动信号。 R/C：读出转换控制信号。 12/8：数据输出格式选择信号引脚。 A0：字节选择控制线。 STS：输出状态信号引脚。,A/D转换器的接口技术,AD574的五个控制端在外部逻辑信号控制下，可使ADC工作于8位或12位方式，其功能如表9-1所示。 表91AD574控制状态字,A/D转换器的接口技术,AD574采用+5V和15V电源供电，提供+10V、+20V单极性和5V、10V双极性四种量程。 通过改变AD574引脚8、10、12的外接电路，可使AD574进行单极性和双极性

11、模拟信号的转换，图9-9所示为单极性转换电路，可实现输入信号010V或020V的转换。其系统模拟信号的地线应与9脚相连，使其地线的接触电阻尽可能小。 图9-10为双极性转换电路，可实现输入信号5V +5V或10V +10V的转换。,A/D转换器的接口技术,ADC单极性，双极性转换电路,A/D转换器的接口技术,AD574的控制有两种基本操作，即启动（写）操作和读操作。 这两个基本操作时序如图9-11所示。,A/D转换器的接口技术,AD574与8051的接口电路 图9-12是AD574与8051单片机的接口电路。,A/D转换器的接口技术,12位A/D转换器与8051单片机的程序设计方法，也可采用三

12、种方法。即程序查询、软件延时和中断控制方式。 例9-4：查询法设计的程序如下： MAIN：MOV DPTR，#7FFCH ；选择AD574，并令A0=0 MOVX DPTR，A ；启动AD转换 LOOP： NOP JB P3.2，LOOP ；查询转换是否结束 INC DPTR MOVX A，DPTR ；读取高8位 MOV R2，A ；存人R2中 INC DPTR MOVX A，DPTR ；读取低4位 MOV R3，A ；存入R3中,串并行输出ADC与单片机的接口,MC14433三位半双积分ADC MC14433是具备零漂补偿和采用CMOS工艺制造的三位半单片双积分A/D转换器， 最大输出数码1

13、999，具有功耗低、输入阻抗高和自动调零、自动极性转换功能。 其转换精度为（0.05%Vi+1LSB），输入阻抗大于100M，对应时钟频率范围为50150KHz，转换速度为每秒310次。 内部结构框图及引脚功能如图9-13所示。,串并行输出ADC与单片机的接口,串并行输出ADC与单片机的接口,MC14433采用5V供电电源，只需一个正基准电压VR，其与输入电压Vi成下列比例关系 输出读数= （9-1） 当满量程时Vi=VR。 Vi输入有2V和200mV两个量程挡。当满度电压为1.999V时，VR取2.000V；当满度电压为199.9mV时，VR取200.0mV。 当然，也可根据需要在200mV

14、2V之间任意选择VR的值，此时，读数的一个LSB所对应的输入电压则需通过式（9-1）求得。,串并行输出ADC与单片机的接口,MC14433内部具备时钟发生电路，其频率取决于外接电阻。时钟频率fCK应满足下式： (9-2) 其中，m=1，2，3，是采样周期与工频周期的比数。 积分电容与积分电阻的取值应满足 (9-3) 其中， ， 是双积分A/D转换中的采样期， V=VDDVimax0.5，是为了保证线性工作区。外接失调补偿电容C0取值0.1F。,串并行输出ADC与单片机的接口,MC14433的转换过程由内部电路自动控制，无需外加启动控制信号，其输出数据通过Q3Q0输出端，以BCD码的形式采用字位

15、动态扫描逐位输出，即千、百、十、个位BCD码轮流地在Q3Q0 端输出，同时在DS1DS4端出现同步字位选通信号。 在千位输出时，携带输出极性及超量程信息，其意义如表9-2所示。由表9-2可知： （1）Q3表示千位（1/2位）数的内容，Q3=“0”（低电平）时，千位数为1；Q3=“1”（高电平）时，千位数为0。,串并行输出ADC与单片机的接口,（2）Q2表示被测电压的极性，Q2=“1”表示正极性，Q2=“0”表示负极性。 （3）Q0=“1” 表示被测电压在量程外（超量程），可用于仪表自动量程转换。当Q3=“0”时，表示过量程；当Q3=“1”时，表示欠量程。过量程时，VxVR且A/D转换输出读数为

16、1999，欠量程时输出读数为179。,串并行输出ADC与单片机的接口,表92MC14433千位编码定义,串并行输出ADC与单片机的接口,MC14433ADC与8051接口 MC14433输出不具有三态缓冲，故必须通过接口方可挂接于微机总线。对于MCS-51单片机而言，最简捷的方法是直接与其I/O端口相连。因MC14433为低速ADC，所以宜采用中断方式接口。 图9-14给出了其与8051的接口电路。 接口使用P1口，高4位输入BCD码，低4位输入位选信号DS1DS4。EOC的下跳沿触发中断INT1。MC14433输出的时序为首先DS1有效,并同时通过Q1Q3输出千位BCD码;然后DS2、DS3

17、和DS4依次有效，同时依次输出百位、十位和个位的BCD码。,串行输出ADC与单片机的接口,串行输出ADC与单片机的接口 MAX1241串行输出ADC简介 MAX1241是一种低功耗、低电压的12位串行ADC。它使用逐次逼近技术完成A/D转换过程。最大非线性误差小于1LSB，转换时间9s。采用三线式串行接口，内置快速采样/保持电路。 其结构和引脚定义如图9-15所示。,串行输出ADC与单片机的接口,MAX1241内部结构和管脚定义,串行输出ADC与单片机的接口,MAX1241的管脚功能如表9-3所示。 采用单电源供电，动态功耗在以每秒73K转换速率工作时，仅需0.9mA电流。在停止转换时，可通过

18、SHDN控制端使其处于休眠状态，以降低静态功耗。休眠方式下，电源电流仅1A。,串行输出ADC与单片机的接口,表9-3 MAX1241管脚功能,串行输出ADC与单片机的接口,MAX1241的工作时序如图9-16所示。,串行输出ADC与单片机的接口,MAX1241A/D转换器与8051的接口 MAX1241与微机接口的实现有二种选择，一是使用普通端口，利用程序实现串行输入。另一种则是直接使用串行口。前者输入速度低，后者需占用串行通讯口。这两种接口方式的电路图如图9-17所示。,串行输出ADC与单片机的接口,图9-17（a）中，接口使用三位通用I/O端口P1.0P1.2。其中P1.0用于片选信号。P

19、1.2为数据输入，P1.1产生驱动脉冲SCLK。 按此接口电路的采集程序如下： MOV A，#00H MOV R6，#04H MOV R7，#08H CLR P1.2 CLR P1.0；A/D片选有效，启动转换 WAIT:JNB P1.2, WAIT；等待A/D转换结束 GAOWI:SETB P1.1 CLR P1.1 MOV C, P1.2；输入一位数据,串行输出ADC与单片机的接口,RLC A DJNZ R6, GAOWI；判高4位是否移出 MOV 21H, A ；存高4位的转换结果 DIDW:SETB P1.1 CLR P1.1 MOV C, P1.2 RLC A DJNZ R7, DI

20、WI MOV 20H, A ；存低8位的转换结果 SETB P1.1 CLR P1.1 SETB P1.0 RET,串行输出ADC与单片机的接口,当使用8051的串行口与MAX1241连接时，如图9-17（b）串行口应工作在方式0，即同步移位寄存器方式。此时，串行口的RXD被用于接收MAX1241的输出数据。而发送数据端TXD则被用于提供驱动时钟，为满足时序要求，应将其反相。 由于单片机的串行口一次只能接受8位数据，故12位的A/D转换结果必须分二次接收。接收程序同串行口方式0的编程类似，,DAC0832的结构原理,MCS-51单片机与8位DA转换器接口技术 DAC0832的结构原理 1DAC

21、0832的特性 分辨率为8位； 电流输出，稳定时间为1s； 可双缓冲、单缓冲或直接数字输入； 只需在满量程下调整其线性度； 单一电源供电（+5+15V）； 低功耗，20mW。,DAC0832的结构原理,DAC0832的逻辑结构 DAC0832的逻辑框图和引脚图示于图9-19和图9-18。,DAC0832主要由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器组成。在D/A转换器中采用的是T型R-2R电阻网络。,DAC0832的结构原理,工作原理,内部结构框图,DAC0832的结构原理,在图9-19中，LE为寄存控制端。当LE=1时，寄存器的输出随输入变化；LE0时，数据锁存在寄存器

22、中，而不随输入数据的变化而变化。 由此可见，当ILE=1，CS0，WRl0时，LE11，允许数据输入，而当WR11或CS=1或LE10，则数据被锁存。能否进行DA转换，除了取决于LE1以外，还要依赖于LE2。 由图可知，当WR2和XFER均为低电平时，LE21，此时允许DA转换，否则LE20，将数据锁存于DAC寄存器中。,DAC0832的结构原理,DAC0832芯片为20脚双列直插式封装，各管脚的功能如下： CS：片选信号引脚(低电平有效)。 ILE：数据锁存允许控制信号输入线(高电平有效)。 WRl：第一级锁存写选通(低电平有效)。 XFER：数据传输控制信号输入线,低电平有效。 WR2：第

23、二级锁存写选通(低电平有效)。当XFER=0，WR2=0时，可使输入寄存器中的数据传送到DAC寄存器中 。,DAC0832的结构原理,D0D7：数据输入线。D0是最低位(LSB)，D7是最高位(MSB)。 Iout1(IO1)：DAC电流输出线。当DAC寄存器为全1时，表示Ioutl为最大值，当DAC寄存器为全0时，表示Ioutl为0。 Iout2(IO2)：DAC电流输出线。Iout2为常数减去Iout1，或者Iout1+Iout2=常数。在单极性输出时，Iout2通常接地。 Rfb：内部集成反馈电阻，为外部运算放大器提供一个反馈电压。Rfb可由内部提供，也可由外部提供。,DAC0832的结

24、构原理,VREF：参考电压输入，要求外部接一个精密的电源。当VREF为10V(或5V)时，可获得满量程四象限的可乘操作。 Vcc：数字电路供电电压，一般为5V5V +15V。 AGND：模拟地。 DGND：数字地。这是两种不同的地，但在一般情况下，这两个地最后总有一点接在一起，以便提高抗干扰能力。,8位D/A转换器的接口方法,8位D/A转换器的接口方法 1单缓冲型接口方法 图9-20示出单缓冲型的三种接口方法。 这类接口电路主要是把D/A转器中的两个寄存器中任一个接成常通状态。 2双缓冲型接口方法 双缓冲方式的接口主要应用在多路DA转换器同步输出系统中。这种接口电路主要是把0832的输入寄存器

25、的锁存信号和DAC寄存器的锁存信号分别进行控制。 3直通型的接口方法 直通型电路与单缓冲接法比较相似，只是要把两级缓冲器接成常通。,8位D/A转换器的接口方法,图9-20(a)的接口电路是把DAC寄存器接成常通状态；即ILE接高电平，WR2和XFER接地，CS与P2.7口连接，WRl与单片机的WR端连接。,8位D/A转换器的接口方法,图9-20(b)接口电路是将输入寄存器接成常通状态：即将ILE接高电平，CS和WR1接地，WR2接单片机的WR，XFER与P2.7口连接。,8位D/A转换器的接口方法,图9-20(c)的接口电路使两个寄存器同时选通及锁存；即将ILE接高电平，WRl和WR2与单片机

26、的WR连接，CS和XFER与P2.7口连接。,8位D/A转换器的接口方法,根据图9-20，可以编出许多种波形输出的D/A转换程序，如锯齿波、三角波、梯形波、矩形波等。 例9-6：利用DAC0832产生各种波形。 产生锯齿波程序如下： DAADR EQU 7FFFH ORG 2000H STAR： MOV DPTR，#DAADR ；选中DAC0832 MOV A，#00H LP： MOVX DPTR，A ；向0832输出数据 INC A SJMP LP,8位D/A转换器的接口方法,三角波程序如下： STAR： MOV DPTR，#DAADR DAS0： MOV A，#00H DASl： MOVX

27、 DPTR，A INC A JNZ DASl DAS2： DEC A MOVX DPTR，A JNZ DAS2 AJMP DAS0,8位D/A转换器的接口方法,梯形波程序如下： ORG 2000H STAR：MOV DPTR，#DAADR ；选中D/A LP1：MOV A，#dataL ；置下限 LP2：MOVX DPTR，A INC A CLR C SUBB A，#dataH ；与上限比较 JNC DOWN ADD A，#dataH ；恢复原值 SJMP LP2,8位D/A转换器的接口方法,DOWN：LCALL DEL ；调上限延时程序 LP3：MOVX DPTR，A DEC A SUBB

28、A，#dataL ；与下限比较 JC LP1 ADD A，#dataL SJMP LP3,8位D/A转换器的接口方法,双缓冲型接口方法 图9-21为0832按双缓冲工作方式与8051连接形成的二路模拟信号同步输出的图形显示应用系统。 该接口电路中，两个D/A转换器的第一级寄存器分别用两个地址控制，使单片机能分时的把数据传送到两个D/A转换器的输入寄存器中。两个D/A转换器的第二级寄存器的控制端XFER接在一起用一个地址控制，当XFER有效时，完成将输入寄存器中内容锁存到DAC寄存器，使这两个D/A转换器能同时进行转换并输出电压。,8位D/A转换器的接口方法,DAC0832按双缓冲方式与8051

29、的连接图,8位D/A转换器的接口方法,例9-7：要使图形显示器的光点更新位置，可执行下面的程序： ORG 2000H MOV DPTR，#00FEH MOV A，#datax ；datax写入1#0832输入寄存器 MOVX DPTR，A MOV DPTR，#00FDH MOV A，#datay ；datay写入2#0832输入寄存器 MOVX DPTR，A MOV DPTR，#00FBH MOVX DPTR，A ；1#和2#输入寄存器的内容同时送到DAC寄存器中。,8位D/A转换器的接口方法,直通型的接口方法 直通型电路与单缓冲接法比较相似，只是要把两级缓冲器接成常通。即将CS、WRl、WR

30、2和XFER接地，而ILE端必须保持高电平，DAC0832的数据线D0D7可接微机系统独立的并行输出端口，如MCS-51的P1口或8255的PA、PB或PC口，一般不能接微机系统的数据总线，所以很少使用直通接口方法。,D/A转换器的输出方式,D/A转换器的输出方式 DA转换器输出分为单极性和双极性两种输出形式。其转换器的输出方式只与模拟量输出端的连接方式有关，而与其位数及其它控制信号无关。 1单极性输出 在单极性输出方式下，当VREF接5V(或+5V)时，输出电压范围是0+5V(或05V)。若VREF接10V(或+10V)时，输出电压范围为0+10V(或010V)。其中数字量与模拟量的转换关系

31、VOUT=VREF（数字码/256），如表9-4所示。,D/A转换器的输出方式,表94单极性输出D/A关系,D/A转换器的输出方式,2双极性输出 在随动系统中(例如电机控制系统)，由偏差产生的控制量不仅与其大小有关，而且与控制量的极性有关。这时，如要求D/A转换器输出为双极性，则需在图9-20的基础上增加一个运算放大器即可，其电路如图9-22所示。,D/A转换器的输出方式,在图9-22中，运算放大器A2的作用是把运算放大器A1的单极性输出电压转变成双向输出。其原理是将A2的输入端（运放的反向输入端）通过电阻R1与参考电压VREF相连，因此运算放大器A2的输出电压： VOUT2=-（VOUT1+

32、VREF） 代入R1、R2、R3的值，可得： VOUT2=(2VOUTl+VREF),D/A转换器的输出方式,代入VOUT1的值，则得： VOUT2=VREF 设VREF=+5V ， 当VOUT1=0V时，VOUT2=5V； 当VOUT1=2.5V时，VOUT2=0V； 当VOUT1=5V时， VOUT2=+5V。 这一双极性DA转换关系如表9-5所示。,D/A转换器的输出方式,表9-5 双极性输出DA关系,DACl210 的结构特点,MCS-51单片机与12位DA转换器接口技术 DACl210 的结构特点 1特点 DACl210是24脚双列直插12位D/A转换器。它具有三个输入寄存器，可以直

33、接与单片机接口。芯片内有R，2R组成的T型电阻网络，用来对基准电压进行分压，完成数字量输入、模拟量输出的转换。 DACl210系列包括DACl208、DACl209、DACl210等各种型号的产品，它们的管脚是兼容的，具有互换性。,DACl210 的结构特点,2 DACl210的结构 DACl210的结构如图9-23所示。,8051与转换器的接口技术,8051与DACl210转换器接口技术 图9-24给出了DACl210与8051的接口电路。,8051与转换器的接口技术,需要指出的是，这儿采用的是向左对齐的数据格式： 高字节 低字节 D11D10D9D8D7D6D5D4 D3D2D1DOX X X X MSB DAC数据 LSB 字节1 字节2 X：无关位 由于8051是8位机，12位的D