單片機原理及應(yīng)用 蔡啟仲 第10章 AD和DA轉(zhuǎn)換器的接口7.17

1、1第第1010章章 ADAD和和DADA轉(zhuǎn)換器的接口轉(zhuǎn)換器的接口2 2目錄目錄內(nèi)容概要內(nèi)容概要10.1 D/A轉(zhuǎn)換器接口轉(zhuǎn)換器接口 10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理 10.1.2 51單片機與單片機與DAC0832的接口與編程的接口與編程 10.1.3 51單片機與單片機與DAC1208的接口與編程的接口與編程10.2 A/D轉(zhuǎn)換器接口轉(zhuǎn)換器接口 10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理 10.2.2 51單片機與單片機與ADC0809的接口的接口 10.2.3 51單片機與單片機與AD574的接口的接口習題習題3 3 內(nèi)容概要內(nèi)容概要 微處理器只能夠處理二進制數(shù)據(jù)，而計算機處理的物理

2、量絕大多數(shù)都是模擬量，對于微處理器輸出的二進制數(shù)據(jù)需要通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為模擬量輸出，對于輸入的模擬量需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成為二進制數(shù)據(jù)給微處理器進行數(shù)據(jù)處理。 本章介紹D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理和技術(shù)指標，重點介紹重點介紹D/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器與轉(zhuǎn)換器與51單片機的接口電單片機的接口電路，以及路，以及D/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的編程方法轉(zhuǎn)換器的編程方法。410.1 D/A10.1 D/A轉(zhuǎn)換器接口轉(zhuǎn)換器接口10.1.1 D/A10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理1 1D/AD/A轉(zhuǎn)換器基本工作原理轉(zhuǎn)換器基本工作原理 D/AD/A轉(zhuǎn)

3、換器轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，簡稱DACDAC)，又稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器，是一種將二進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成以參考量為基準的模擬量二進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成以參考量為基準的模擬量的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器。下面以4位二進制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器為例來說明D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理，轉(zhuǎn)換原理圖如圖101所示。4 由圖101可見， 4 4位位二進制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)二進制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器由電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)、4 4個數(shù)碼開關(guān)個數(shù)碼開關(guān)和一個求和運算放大器求和運算放大器組成。其中，V VREFREF：基準電壓基準電壓，S S0 0SS3 3 ：數(shù)碼開關(guān)數(shù)碼開關(guān)，受二進制位

4、狀態(tài)控制，相應(yīng)二進制位為“0”：開關(guān)接地；相應(yīng)二進制位為“1”：開關(guān)接VREF。 5 虛線框內(nèi)電阻虛線框內(nèi)電阻2 2n nR R： “權(quán)電阻”，是指二進制數(shù)的每一位代表的數(shù)值，電阻值越大電阻值越大，在“權(quán)電阻”上流過的“權(quán)電流權(quán)電流”越小越小，經(jīng)過運放后得到的V VO O電壓值越小電壓值越小，4 4個數(shù)碼開關(guān)的不同組合，將產(chǎn)生個數(shù)碼開關(guān)的不同組合，將產(chǎn)生1616個不同的個不同的V VO O電電壓值壓值。5 根據(jù)運算放大器“電壓虛短電壓虛短”和“電流虛斷電流虛斷”的概念，可以得到：3210321044(2222)22REFREFOVVVddddM 一般地，n位二進制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器的輸

5、出電壓為： 由此可見，D/AD/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓V VO O正比于輸入數(shù)字量正比于輸入數(shù)字量M M，無論D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何，最終得到計算輸出電壓VO的公式均相同。12101210(22.22)22nnREFREFOnnnnVVVddddM 62 2 D/A D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(1) 1) 分辨率分辨率 分辨率分辨率：輸入數(shù)字量的最低有效位(LSB)發(fā)生變化時，所對應(yīng)的輸出模擬量(電壓或電流)的變化量。它反映了輸出模擬量的最小變化值，通常定義為輸出滿刻度值FS與 之比(n為D/A轉(zhuǎn)換器的二進制位數(shù))。對于5V5V的滿量程的滿量程，位的位的DA

6、CDAC，分辨率分辨率：5V/256=19.5mV5V/256=19.5mV， 即輸入的二進制數(shù)最低位的變化可引起輸出模擬電壓的變化量為19.5mV，常用符號1LSB1LSB表示；當采用1212位的位的DACDAC時，分辨率分辨率： 1LSB =5V/4096=1.22mV。顯然，位數(shù)越多分辨率就越高，即D/A轉(zhuǎn)換器對輸入量變化的敏感程度越高。67(2) (2) 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度：滿量程時DAC實際的模擬輸出值與理論值的接近程度。理想情況下，轉(zhuǎn)換精度與分辨率基本一致，位數(shù)越多精度越高。但由于制造工藝等各種因素存在著誤差，嚴格講，轉(zhuǎn)換精度與分辨率轉(zhuǎn)換精度與分辨率并不完全一致并不

7、完全一致。 只要位數(shù)相同，分辨率則相同，但相同位數(shù)的不同轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度會有所不同。例如，滿量程時理論輸出為10V，實際輸出值在10.01V9.99V之間，其轉(zhuǎn)換精度為10mV。7(3) (3) 建立時間建立時間 建立時間建立時間：輸入數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到終值誤差(1/2)LSB時所經(jīng)歷的時間，是描述DAC轉(zhuǎn)換速度快慢的一個重要參數(shù)。 電流輸出型DAC的建立時間短。電壓輸出型DAC的建立時間主要決定于運算放大器的響應(yīng)時間。根據(jù)建立時間的長短，可以將DACDAC分成分成超高速超高速(=100S)幾檔。8 3. D/A 3. D/A轉(zhuǎn)換器的輸出及接口形式轉(zhuǎn)換器的輸出及接口形式D/A轉(zhuǎn)換器的

8、輸出輸出有兩種形式兩種形式：一種是電壓輸出型電壓輸出型；另一種是電電流輸出型流輸出型。 電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器可在其輸出端再將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 D/A轉(zhuǎn)換器的接口主要有并行接口并行接口和串行接口串行接口(如通用UART串行口、I2C串行口和SPI串行口等)，因此在選擇D/A轉(zhuǎn)換器時，要考慮單片機與D/A轉(zhuǎn)換器的接口形式。8 10.1.2 51 10.1.2 51單片機與單片機與DAC0832DAC0832的接口與編程的接口與編程 DAC0832DAC0832：位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為1s，邏輯電平輸入與TTL電平兼容，單一電源供電(+5V+15V)，功耗為20mW，可以直接

9、與51單片機應(yīng)用系統(tǒng)總線連接。 DAC0832DAC0832的主要特性的主要特性：數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖雙緩沖、單緩沖單緩沖或直通方直通方式式；電流輸出電流輸出，輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)節(jié)。9 1. DAC0832 1. DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖102所示，它由一個8 8位輸入位輸入寄存器寄存器、一個8 8位位DACDAC寄存器寄存器、一個8 8位位D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路及控制電路控制電路構(gòu)成構(gòu)成。8 8位輸入寄存器位輸入寄存器：存放單片機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存緩沖和鎖存，由 控制；8 8位位DACDAC寄存器寄存器：存放待轉(zhuǎn)換

10、的數(shù)字量，由 控制；8 8位位D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路：受8位DAC寄存器輸出的數(shù)字量控制，能輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。 DAC0832可以根據(jù)需要連接成兩級輸入鎖存的雙緩沖方式或一級輸入鎖存的單緩沖方式，或完全直通的無緩沖方式。91LE2LE1010112. DAC08322. DAC0832的引腳的引腳圖103為DAC0832的引腳分布圖，各引腳功能定義如下：11 ：片選端：片選端，低電平時，本芯片被選，低電平時，本芯片被選中。中。ILEILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有，高電平有效。效。 ：第一級輸入寄存器寫選通控制：第一級輸入寄存器寫選通控制， 低電平有效

11、。當?shù)碗娖接行?。?=0=0， ILE=1ILE=1， =0 =0 ；待轉(zhuǎn)換的待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信號被鎖數(shù)據(jù)信號被鎖 存到第一級存到第一級8 8位輸入寄存器位輸入寄存器中。中。 ：數(shù)據(jù)傳送控制：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效。CSWR1CSWR1DI0DI0DI7DI7：8 8位數(shù)字信號輸入端位數(shù)字信號輸入端，與單片機的數(shù)據(jù)總線與單片機的數(shù)據(jù)總線P0P0口相連口相連，用，用于接收單片機送來的待轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量，于接收單片機送來的待轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量，DI7DI7為最高位。為最高位。 XFER12 ：DACDAC寄存器寫選通控制端寄存器寫選通控制端，低電平有效。當 =0， =0時，輸入寄存器中待轉(zhuǎn)換的

12、數(shù)據(jù)寫入8位DAC寄存器。I IOUT1OUT1：D/AD/A轉(zhuǎn)換器電流輸出轉(zhuǎn)換器電流輸出1 1端端，輸入數(shù)字量全為“1”時，IOUT1最大， 輸入數(shù)字量全為“0”時，IOUT1最小。I IOUT2OUT2：D/AD/A轉(zhuǎn)換器電流輸出轉(zhuǎn)換器電流輸出2 2端端，IOUT2+ IOUT1 = 常數(shù)。 R Rfbfb：外部反饋信號輸入端：外部反饋信號輸入端，內(nèi)部已有反饋電阻Rfb，根據(jù)需要也可 外接反饋電阻。V VCCCC：電源輸入端：電源輸入端，在+5V+15V范圍內(nèi)。122WRXFER2WRDGNDDGND：數(shù)字信號地：數(shù)字信號地。 AGNDAGND：模擬信號地：模擬信號地，最好與基準電壓共地。

13、 “8 8位輸入寄存器位輸入寄存器”用于存放單片機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由 加以控制； “8 8位位DACDAC寄存器寄存器”用于存放待轉(zhuǎn)換數(shù)字量，由 控制； “8 8位位D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路”受“8位DAC寄存器”輸出的數(shù)字量控制，能輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。因此，需外接I-VI-V轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換的運算放大器電路，才能得到模擬輸出電壓模擬輸出電壓。LE12LE133 3DAC0832DAC0832與與5151單片機的連接單片機的連接(1) (1) 單緩沖連接方式單緩沖連接方式DAC0832與51單片機接口的單緩沖連接電路如圖104所示。1314 圖104中， 和 直

14、接接地直接接地，由圖102可知，8 8位位DACDAC寄存器處于直通狀態(tài)寄存器處于直通狀態(tài)；ILE接+5V，8位輸入寄存器受控于 和 信號，當 為“0”時，即選中DAC0832，在 信號的作用下將51單片機數(shù)據(jù)總線的8 8位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)88位輸入位輸入寄存器寄存器88位位DACDAC寄存器寄存器88位位D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路輸出輸出。 所謂“單緩沖”是指單片機只需執(zhí)行一條寫操作指令執(zhí)行一條寫操作指令，即可完成完成D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換。單緩沖工作方式適用于只有一路模擬量輸出，或有幾路模擬量輸出但不要求同步輸出的系統(tǒng)。設(shè)DPTR中的內(nèi)容為DAC0832地址值，A中的內(nèi)容為待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，執(zhí)行指令

15、MOVX DPTR, A即可實現(xiàn)DAC0832的數(shù)字到模擬量的轉(zhuǎn)換。142WRXFER1WRCSCS1WR15 例例101101 試編寫DAC0832以單緩沖方式輸出如圖105所示的鋸齒波、三角波的D/A轉(zhuǎn)換輸出程序。設(shè)DAC0832的譯碼地址為FFFEH，51單片機晶振頻率12MHz，Ta=100ms，Tb=200ms。 (1) (1) 鋸齒波鋸齒波。分析分析：按照圖105，鋸齒波的周期Ta=100ms，最大幅值(30H)=64H=100，每個待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量維持維持T=1msT=1ms時間。即每間隔每間隔1ms1ms，DAC0832的數(shù)據(jù)輸入值加數(shù)據(jù)輸入值加1 1一次一次，應(yīng)用T0工作于方式

16、1定時1ms，采用定時中斷方法編程實現(xiàn)。按照(53)式計算T0的定時初值定時初值：15-3665536 1 101065536 100064536FC18HX 16 ORG 0000H LJMP START ORG 000BH;定時器/計數(shù)器T0的中斷入口地址 LJMP TIMER0;跳轉(zhuǎn)到定時1ms的中斷服務(wù)程序TIMER0 ORG 0030HSTART: MOV TMOD, #01H ;T0為定時器工作方式1 MOV TCON, #00H ;初始化T0相關(guān)標志位 MOV TL0, #18H ;初始化T0定時初值低8位 MOV TH0, #0FCH ;初始化T0定時初值高8位 CLR A ;

17、DAC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)初值0送累加器A MOV 30H, A ;30H作為輸出鋸齒波數(shù)據(jù)的計數(shù)單元 SETB ET0 ;T0中斷允許 SETB EA ;開總中斷 SETB TR0 ;啟動T0定時 SJMP $ ;無限循環(huán)，等待中斷1617TIMER0:PUSH ACC ;累加器A的內(nèi)容壓棧 PUSH 82H ;DPL的地址值為82H PUSH 83H ;DPH的地址值為83H MOV DPTR, #0FFFEH ;數(shù)據(jù)指針DPTR指向DAC0 MOV A, 30H ;待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)A MOVX DPTR，A ;DAC0832轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并輸出 INC 30H ;待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)加1 CJNE A, #64H, L

18、OOP ;(A)與三角波最大值100比較，相等順序執(zhí)行 CLR A ;已輸出一個周期的鋸齒波，清轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)初值 MOV 30H, A ;清計數(shù)單元的初始數(shù)據(jù) LOOP:MOV TL0, #18H ;重裝載T0定時初值低8位 MOV TH0, #0FCH ;重裝載T0定時初值高8位 POP 83H POP 82H POP ACC RETI1718 (2) (2) 三角波三角波。分析：分析：按照圖105，三角波的周期Ta=200ms，最大幅值A(chǔ)=64H=100，每個待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量維持T=1ms時間，DAC0832的輸入數(shù)據(jù)每間隔1ms加1一次，應(yīng)用T0工作于方式1定時1ms，采用定時中斷方法編程。

19、根據(jù)圖105，比較三角波和鋸齒波的波形比較三角波和鋸齒波的波形，不同的地不同的地方方在于1ms1ms中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序的編制，一是一是30H30H單元內(nèi)容從單元內(nèi)容從0 0每每1ms1ms加加1 1直到直到64H(100)64H(100)，然后再從再從64H64H每每1ms1ms減減1 1直到直到0 0，周而復(fù)始周而復(fù)始；二是二是需要判斷是處于三角波的加判斷是處于三角波的加1 1處理階段處理階段，還是減還是減1 1處理階處理階段段。圖106給出了1ms的中斷服務(wù)程序的程序流程圖程序流程圖，請讀者按照題目要求以及參照例101(1)的程序和圖106的中斷服務(wù)程序流程圖編制程序，注意比較轉(zhuǎn)移指

20、令CJNE的功能和應(yīng)用。18191920(2) (2) 雙緩沖方式雙緩沖方式多路的多路的D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換要求同步輸出同步輸出時，必須采用雙緩沖同必須采用雙緩沖同步方式步方式。此方式工作時，數(shù)字量的輸入鎖存輸入鎖存和D/AD/A轉(zhuǎn)換輸轉(zhuǎn)換輸出出是分兩步分兩步完成的。單片機必須通過 來鎖存待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，通過 來啟動D/A轉(zhuǎn)換（見圖圖10-210-2）。圖107的1#和2#DAC0832工作在雙緩沖方式下，51單片機可以實現(xiàn)分時執(zhí)行兩個分時執(zhí)行兩個8 8位數(shù)據(jù)的寫操作位數(shù)據(jù)的寫操作，同時完成同時完成一次一次D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，適用于要求同步輸出多個模擬量的場合。20LE1LE2212122(

21、3) (3) 直通工作方式直通工作方式 根據(jù)圖102，如果將DAC0832的ILE接+5V， 、 、 和 直接與系統(tǒng)的數(shù)字地連接，DI0DI7直接與51單片機的P1口連接，則8位DAC寄存器和8位輸入寄存器處于輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)直通狀態(tài)，51單片機P1口輸出的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)?位D/A轉(zhuǎn)換電路進行D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號。22CS1WR2WRXFER23 10.1.3 51 10.1.3 51單片機與單片機與DAC1208DAC1208的接口與編程的接口與編程 DAC1208數(shù)模轉(zhuǎn)換器是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種電流輸出型高速并行D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率分辨率：1212位位，轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間：1s

22、1s，功耗20mw。由于其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器，能夠與51單片機接口連接。 1. DAC1208 1. DAC1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) DAC1208內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖108所示，由一個8位輸入鎖存器、一個4位輸入鎖存器、一個12位DAC寄存器和一個12位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，與DAC0832結(jié)構(gòu)相似，都能夠連接成兩級輸入鎖存的雙緩沖方式或一級輸入鎖存的單緩沖方式，或完全直通的無緩沖方式。23242425 2. DAC1208 2. DAC1208的引腳功能的引腳功能 DAC1208的標準雙列直插式芯片為24引腳，如圖109所示。各引腳功能如下：2526(3)(3) ：字節(jié)順序控制信號。當 =1，則8

23、位和4位兩個輸入鎖存器都被選中；當 =0，則只選中4位輸入鎖存器。(4)(4) ：寫信號，低電平有效，當信號變高電平時，8位和4位輸入鎖存器都進入鎖存狀態(tài)。(5)(5) ：寫信號，低電平有效。(6)(6) ：數(shù)據(jù)傳送控制信號，低電平有效，與 配合。當 =0， =0時，把8位和4位兩個輸入鎖存器組成的12位待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳入12位D/A寄存器中。261/2BYTEBYTE1/2BYTEBYTE1/2BYTEBYTE1WR2WRXFER2WRXFER2WR(1)(1) DI11DI0：12位數(shù)據(jù)輸入引腳。(2)(2) ：片選端，低電平有效，8位和4位輸入鎖存器被選中。 CS27(7)(7) ：D/A

24、轉(zhuǎn)換器電流輸出1端，輸入數(shù)字量全為“1”時， 最大，輸入數(shù)字量全為“0”時， 最小。(8)(8) ：D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出2端。(9)(9) ：外部反饋信號輸入端，為外部運算放大器提供一個反饋電壓。根據(jù)需要還可以外接另外一個反饋電阻。(10)(10) ：電源輸入端，在+5V+15V范圍內(nèi)。(11)(11) ：參考電壓輸入，在10V+10V范圍內(nèi)。(12)(12) GND：信號地。 271OUTI1OUTI2OUTIfbRCCVREFV28 3. DAC1208 3. DAC1208與與5151單片機的接口電路及轉(zhuǎn)換方法單片機的接口電路及轉(zhuǎn)換方法 圖1010為DAC1208與51單片機的接口電路圖

25、。假設(shè)單片機地址總線與DAC1208地址的無關(guān)位取0，則DAC1208的高8位輸入鎖存器地址為6000H，低4位輸入鎖存器地址為4000H，12位DAC寄存器地址為8000H，采用雙緩沖方式編程，先送高8位數(shù)據(jù)DI11DI4，再送入低4位數(shù)據(jù)DI3DI0，在12位數(shù)據(jù)分別寫入兩個輸入鎖存器后，再打開12位DAC寄存器，進行D/A轉(zhuǎn)換。282929例例102 根據(jù)圖1010，假設(shè)待轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量高8位存放在30H，低4位數(shù)據(jù)存放在31H，試編寫相應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換子程序。303031 10.2 A/D10.2 A/D轉(zhuǎn)換器接口轉(zhuǎn)換器接口 在微處理器應(yīng)用系統(tǒng)中，常常需要對物理量的模擬信號如電壓、電

26、流等進行采集和處理，需要把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，微處理器才能夠進行數(shù)據(jù)處理，A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，簡稱ADCADC)能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能。A/D轉(zhuǎn)換器按分辨率分辨率分為4 4位、位、8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1414位、位、1616位和輸出位和輸出BCDBCD碼的碼的 位、位、 位位等。按照轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度大致可分為超高速超高速(轉(zhuǎn)換時間1ns)，次超高次超高速速(轉(zhuǎn)換時間1s)，高速高速(轉(zhuǎn)換時間330s)，中速中速(1 ms )，低速低速(轉(zhuǎn)換時間1s)等。A/D轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為逐次

27、比較型A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器、并行比較型/串并行型、-調(diào)制型等，目前最常用最常用的是逐次比較型逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器、雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器。311321523210.2.1 A/D10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理1. 1. 逐次比較型逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理3233 以8 8位逐次比較型位逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1011所示。它由8 8位寄存器位寄存器、8 8位位D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器、電壓比較器電壓比較器、控制邏輯控制邏輯和三態(tài)鎖存三態(tài)鎖存緩沖器緩沖器等部分組成。8 8位寄存器位寄存

28、器：存放存放8 8位二進制數(shù)碼位二進制數(shù)碼。當模擬量VIN送入電壓比較器后，啟動信號有效，通過控制邏輯電路啟動A/D轉(zhuǎn)換，在在時鐘脈沖信號時鐘脈沖信號CLKCLK的作用下進行的作用下進行A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換。 首先首先，將8 8位寄存器清零位寄存器清零，然后置其最高位置其最高位(D7)為為1 1，8位寄存器輸出為10000000B，8 8位寄存器的內(nèi)容經(jīng)位寄存器的內(nèi)容經(jīng)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬模擬電壓電壓V VN N，并與模擬輸入電壓與模擬輸入電壓V VININ進行比較比較，如果V VININ=V=VN N，則8位寄存器中最高位最高位的1 1保留保留，否則就將最高位清零最高

29、位清零。33 然后然后，再使次高位次高位(D6)置置1 1，進行相同的過程直到進行相同的過程直到8 8位寄存器中位寄存器中所有位都被確定所有位都被確定，控制邏輯輸出EOC=1，轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，8 8位寄存器位寄存器中的二進制數(shù)碼二進制數(shù)碼就是A/DA/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果轉(zhuǎn)換的結(jié)果，在在OEOE信號的作用下信號的作用下，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過三態(tài)鎖存緩沖器輸出到輸出到微處理器的數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線。 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器是一種轉(zhuǎn)換速度較高(轉(zhuǎn)換時間大約在幾微秒到幾百微秒之間)、精度較高、功耗低的轉(zhuǎn)換器。34 2. 2. 雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路

30、原理如圖電路原理如圖10121012所示，由電子開關(guān)電子開關(guān)S S、標準電壓源標準電壓源V VREFREF、積分器積分器、比較器比較器、計數(shù)器計數(shù)器和控制邏輯等部件組控制邏輯等部件組成成。 雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換的原理轉(zhuǎn)換的原理：進行一次進行一次A/DA/D轉(zhuǎn)換需要二次積分轉(zhuǎn)換需要二次積分。 轉(zhuǎn)換時，首先首先：控制邏輯通過電子開關(guān)S把被測電壓被測電壓V VININ加到積加到積分器的輸入端分器的輸入端，積分器從零開始從零開始，在固定的時間固定的時間T T內(nèi)對內(nèi)對V VININ積分積分，這個積分過程被稱為定時積分定時積分，積分輸出終值與積分輸出終值與V VININ成正比成正比。 接著，控

31、制邏輯將電子開關(guān)切換到極性與電子開關(guān)切換到極性與V VININ相反的基準電壓相反的基準電壓V VREFREF上進行反向積分上進行反向積分，由于基準電壓基準電壓V VREFREF恒定恒定，因此積分輸出將按積分輸出將按T T期期間積分的值以恒定斜率下降間積分的值以恒定斜率下降，當比較器檢測積分輸出為零時比較器檢測積分輸出為零時，積分器停止工作停止工作，這個積分過程被稱為定值積分定值積分。對標準電壓VREF的反相積分時間T1與定值積分的初值成比例關(guān)系，即T T1 1正比于輸入模擬電壓正比于輸入模擬電壓V VININ。3435 圖1012(b)給出了兩種不同輸入電壓(V VININ= = )的積分情況

32、， 在T定時積分定時積分期間積分器輸出的終值小，而定值積分定值積分下降斜率相同，因此定值積分定值積分時間T2也小。利用計數(shù)器對時鐘脈沖的個數(shù)進行計數(shù)來測量定值積分定值積分時間T1(或T2)，即可得到對應(yīng)于模擬電壓VIN的數(shù)字量。35INVINVINV36 3. A/D 3. A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 (1) (1) 分辨率分辨率 ADCADC的分辨率的分辨率：使輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。 分辨率是衡量A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨出輸入模擬量最小變分辨出輸入模擬量最小變化程度化程度的技術(shù)指標技術(shù)指標。分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，習慣上用輸出的二進制位數(shù)

33、表示。例如例如，1212位位A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入電壓為5V，可輸出12位二進制數(shù)，即用個數(shù)進行量化，其分辨率為1LSB，或者說A/DA/D轉(zhuǎn)換器能分辨出輸入電壓轉(zhuǎn)換器能分辨出輸入電壓1.22mV1.22mV的變化的變化。3637 (2) (2) 轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換時間 ADCADC的轉(zhuǎn)換時間的轉(zhuǎn)換時間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間(包括穩(wěn)定時間)。 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。 (3) (3) 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度ADCADC的轉(zhuǎn)換精度的轉(zhuǎn)換精度：定義為一個實際的A/D轉(zhuǎn)換器與一個理想A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值，可用絕對誤差絕對

34、誤差或相對相對誤差表示誤差表示。3738 10.2.2 51 10.2.2 51單片機與單片機與ADC0809ADC0809的接口的接口 ADC0809ADC0809：逐次比較型逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器， 8 8位分辨率位分辨率，采用單電源單電源+5V+5V供電供電，片內(nèi)具有8 8路模擬開關(guān)路模擬開關(guān)，可對8 8路輸入路輸入模擬電壓實現(xiàn)模擬電壓實現(xiàn)分時分時轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間約為100s，片內(nèi)帶有三態(tài)輸出鎖存器三態(tài)輸出鎖存器，可直接與51單片機的數(shù)據(jù)總線相連接數(shù)據(jù)總線相連接。 1. ADC0809 1. ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖101

35、3所示，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個8位A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。38393940 8路模擬開關(guān)可以對8路模擬輸入通道選擇選擇1 1路模擬路模擬輸入信號進行輸入信號進行A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，由C C、B B、A A輸入的地址值譯碼地址值譯碼決定所選擇選擇的A/D轉(zhuǎn)換的模擬輸入通道模擬輸入通道。地址鎖存器與譯碼電路完成對C、B、A 的3個地址位的鎖存和譯碼，三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當EOCEOC端為高電平端為高電平時，表明一次一次A/DA/D轉(zhuǎn)換已完成轉(zhuǎn)換已完成，51單片機可以從可以從ADC0809ADC0809的三態(tài)輸?shù)娜龖B(tài)輸出鎖存

36、器讀出轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)出鎖存器讀出轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。40412. ADC08092. ADC0809的引腳的引腳 雙列直插式封裝的ADC0809芯片為28引腳，如圖1014所示。主要引腳功能如下： (1)(1) D7D0 D7D0：8位數(shù)字量輸出引腳。 (2)(2) IN7IN0 IN7IN0：8位模擬量輸入引腳。電壓范圍為05V，若信號過小還需進行放大。另外輸入的模擬量在A/D轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)保持不變，因此對變化速度較快的模擬量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。 (3) (3) V VCCCC：+5V工作電壓。GND：地。 (4) (4) V VR R(+)(+)、V VR R()()：基準電壓正負端，用來

37、與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的基準電壓。4142 (5)(5) START START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入引腳，正脈沖啟動ADC0809，對由C、B、A選中模擬通道輸入信號進行轉(zhuǎn)換。 (6)(6) ALE ALE：地址鎖存允許信號輸入引腳，上升沿將C、B、A地址信號鎖存到地址鎖存器。 (7) (7) EOC EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，啟動轉(zhuǎn)換時為低電平，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。 (8)(8) OE OE：輸出允許控制信號輸入引腳，高電平時打開三態(tài)輸出緩沖器，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量從D7 D0引腳輸出。 (9)(9) CLK CLK：時鐘信號輸入引腳，ADC0809內(nèi)部沒

38、有時鐘電路，所需的時鐘信號由外部提供。時鐘頻率越高，A/D轉(zhuǎn)換速度越快。 (10)(10) C C、B B、A A：模擬通道選擇的地址輸入引腳，其取值為111000，分別對應(yīng)IN7 IN0。42434344 3. ADC0809 3. ADC0809與與5151單片機的接口單片機的接口電路電路設(shè)計設(shè)計 ADC0809與51單片機的接口電路如圖1015所示，ADC0809的通道選擇線C、B、A分別與鎖存器74LS373輸出的低8位地址總線的A2、A1、A0連接。ADC0809的CLK引腳經(jīng)由74LS74觸發(fā)器構(gòu)成的二分頻電路與單片機的ALE引腳連接。假設(shè)單片機的振蕩頻率為6MHz，單片機引腳AL

39、E輸出1 MHz信號，則ADC0809的CLK引腳的輸入頻率為500KHz。 ADC0809 ADC0809芯片的引腳沒有片選信號芯片的引腳沒有片選信號 端端，其芯片最高地址的確定最高地址的確定采用了一種特殊的方法予以解決采用了一種特殊的方法予以解決。圖1015中，ADC0809的ALEALE輸入引腳輸入引腳和STARTSTART引腳引腳并聯(lián)并聯(lián)再與一個或非門或非門的輸出端連接輸出端連接，該或非門的兩個輸入端分別與51單片機的 和P2.7引腳連接，P2.7為“0”： 信號對ADC0809才是有效的寫信號， 信號能夠?qū)、B、A地址值鎖存地址值鎖存，并按照該地址譯碼值選中的模擬通道輸入信號啟動轉(zhuǎn)

40、換選中的模擬通道輸入信號啟動轉(zhuǎn)換；同理，P2.7為“0”： 信號對ADC0809才是有效的讀信號。 模擬輸入通道IN7IN0的地址分別為7FFFH7FF8H(地址無關(guān)位置1)。44CSWRWRWRRD4545圖1015 ADC0809與51單片機的接口電路 圖1015的這種接口電路連接方法中，兩個或非門的各自一個輸入端并聯(lián)與P2.7連接作為ADC0809的最高地址位最高地址位，則8路模擬輸入通道IN7IN0的地址分別為：7FFFH7FF8H(地址無關(guān)位置1)。 46 51 51單片機讀取單片機讀取ADC0809ADC0809轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的兩種的兩種方式方式 (1)(1) 程序查詢方式程

41、序查詢方式 ：將ADC0809的EOC端與單片機的某個I/O端口連接，首先首先由單片機發(fā)出發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換器的啟動信啟動信號號，然后然后單片機通過程序不斷讀取不斷讀取EOCEOC端的狀態(tài)端的狀態(tài)，判斷EOC狀態(tài)，如果EOCEOC為為“1 1”，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)束，從A/D轉(zhuǎn)換器讀取轉(zhuǎn)換讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)，如果EOCEOC為為“0 0”，表示轉(zhuǎn)換未完成，繼續(xù)查詢繼續(xù)查詢。 (2) 中斷方式中斷方式：把轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號EOCEOC作為中作為中斷請求信號斷請求信號，采取中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。如在圖1015中，ADC0809的EOC輸出端增加一個非門與單片機的 引腳連接，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)

42、束后，EOCEOC狀態(tài)由狀態(tài)由0101時，向單片機發(fā)出發(fā)出中斷請求信號中斷請求信號，單片機響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程序中將中斷服務(wù)程序中將A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀出傳輸給累加器換的結(jié)果讀出傳輸給累加器A A，然后再啟動下一次A/D轉(zhuǎn)換。46INT047 例例103 103 在圖1015中，將ADC0809的EOC端經(jīng)過一個非門和單片機的 引腳連接。采用中斷方式對ADC0809的IN0路模擬信號進行采樣一次，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在A中。 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP LINT0 ;EOC由01中斷請求，單片機響應(yīng)中斷 ORG 0030HMAIN: MOV DPT

43、R，#7FF8H ;將IN0路的地址值DPTR SETB IT0 ;置 為邊沿觸發(fā) SETB EA SETB EX0 ;允許 中斷 MOVX DPTR，A ;執(zhí)行該指令，P2.7=0，產(chǎn)生 信號， ;ALE和START信號有效，啟動IN0路 ;A/D轉(zhuǎn)換。 A中的值可以是任意值。 SJMP $ ;等待中斷47INT0INT0INT0WR48LINT0:MOV DPTR, #7FF8H MOVX A，DPTR MOVX DPTR，A ;再次啟動對IN0路的A/D轉(zhuǎn)換 RETI 例例104104 在數(shù)據(jù)處理和測控系統(tǒng)中，經(jīng)常需要對多路模擬信號進行定時采樣，在圖1015中，將ADC0809的EOCE

44、OC輸出端增加一個非輸出端增加一個非門與單片機門與單片機P1.0P1.0引腳連接引腳連接，采用定時采用定時100ms100ms的中斷方式對的中斷方式對ADC0809ADC0809的的8 8路模擬信號進行巡回采樣一次路模擬信號進行巡回采樣一次，而每一路模擬信號的采樣應(yīng)用查詢方每一路模擬信號的采樣應(yīng)用查詢方式式，并把每次8路轉(zhuǎn)換結(jié)果按照順序存儲在51單片機內(nèi)部RAM的30H37H單元中。設(shè)51單片機時鐘振蕩頻率為6MHz。 分析分析：根據(jù)例104的要求，T0定時中斷服務(wù)程序流程圖如圖圖10161016所示。主程序的初始化程序中主要完成T0的初始化，開T0的中斷和啟動T0定時。按照圖106的T0定時

45、中斷服務(wù)程序流程圖編寫T0定時中斷服務(wù)程序。 48494950TIME0: PUSH ACC MOV TL0, #0B0H MOV TH0, #3CH ;重置T0定時初值 MOV DPTR, #7FF8H ;選中IN0通道 MOV R1, #30H ;置數(shù)據(jù)存儲區(qū)首地址 MOV R7, #08H ;置通道數(shù) LOOP: MOVX DPTR, A ;啟動A/D轉(zhuǎn)換 TEST: JB P1.0, TEST ;判斷轉(zhuǎn)換是否已完成 MOVX A, DPTR ;轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV R1, A ;存入內(nèi)部RAM存儲區(qū) INC DPTR ;指向下一個通道 INC R1 ;修改地址指針，指向下一個

46、 ;采集通道存放數(shù)據(jù)的地址 DJNZ R7, LOOP ;判斷8個通道是否轉(zhuǎn)換完成 POP ACC RETI505110.2.3 5110.2.3 51單片機與單片機與AD574AD574的接口的接口 AD574是Analog Devices公司生產(chǎn)的12位逐次比較型快速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間35s，轉(zhuǎn)換精度0.05%?？蛇M行12位或8位轉(zhuǎn)換，可以一次輸出轉(zhuǎn)換好的12位數(shù)據(jù)，也可分兩次輸出，先高8位輸出，后低4位輸出。內(nèi)部有三態(tài)輸出緩沖電路，輸出電平與TTL和CMOS電平兼容，無須外加時鐘電路，適合在高精度快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用。51521. AD5741. AD574的引腳功能的引腳功能 (

47、1)(1) ：片選信號，低電平有效。(2)(2) CE：片允許信號，高電平有效。(3)(3) ：讀出/轉(zhuǎn)換控制信號。當CE=1、 =0、 =0時啟動A/D轉(zhuǎn)換；當CE=1、 =0、 =1時，可以讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。(4)(4) ：數(shù)據(jù)輸出格式選擇端，當 =1時，12位數(shù)據(jù)同時輸出；當 =0時，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果分兩次輸出，先高8位輸出，后低4位輸出，該引腳信號與A0引腳配合使用， 引腳只能接VCC或GND。52CS/R CCS/R C/R CCS12/812/812/853 (5)(5) A0：字節(jié)選擇控制線。A0=1，8位A/D轉(zhuǎn)換，完成一次A/D轉(zhuǎn)換的時間是10s；A0=0， 12位A/D轉(zhuǎn)換

48、，完成一次A/D轉(zhuǎn)換的時間是35s。 當 =0時，在讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果期間，A0=0讀出高8位數(shù)據(jù)，A0=1讀出低4位數(shù)據(jù)。兩次讀出的12位數(shù)據(jù)遵循左對齊原則，12位數(shù)據(jù)排列如表101所示。5312/8545455(6)(6) 電源線VL：數(shù)字邏輯電源+5V；VCC：+12V+15V電源線；VEE： 15V 12V電源線；REFOUT：參考電壓輸出；REFIN：參考電壓輸入。AGND和DGND：模擬信號地和數(shù)字信號地。(7)(7) BIPOFF：雙極性偏差調(diào)整，用于調(diào)零。(8)(8) 10Vin和20Vin：模擬信號輸入引腳。單極性輸入時，允許輸入的信號范圍為0+10V或0+20V；雙極性輸入

49、時，允許輸入的信號范圍為5+5V或者10+10V。(9)(9) ：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，轉(zhuǎn)換時為高電平，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時為低電平。55STS56 2. 51 2. 51單片機與單片機與AD574AD574的接口設(shè)計的接口設(shè)計 AD574工作在雙極性輸入方式時與51單片機的接口電路如圖1018所示，可實現(xiàn)對5V+5V或10V+10V模擬信號進行轉(zhuǎn)換。圖1018中電位器R2用于調(diào)整雙極性輸入電路的零點，10VIN引腳輸入5V+5V模擬信號，20VIN引腳輸入10V+10V模擬信號。雙極性輸入時，輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果D與模擬輸入電壓VIN之間的關(guān)系為： 或5622048 (1)INFSVDV(1)20482FSINVDV57 其中VFS為滿量程電壓。上式求出的D為1