單片機(jī)第8章-AD與DA轉(zhuǎn)換接口技術(shù)2

第8章AD/DA轉(zhuǎn)換接口技術(shù)

8.1

轉(zhuǎn)換器的主要術(shù)指標(biāo)8.2DA轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)8.3

模數(shù)轉(zhuǎn)換接口技術(shù)

8.3ADC接口技術(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的功能是將輸入模擬量轉(zhuǎn)換成與其成正比的數(shù)字量，它是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種重要組成器件。按照工作原理，有比較式ADC、積分式ADC以及電荷平衡（電壓-頻率轉(zhuǎn)換）式ADC。不同的芯片具有不同的連接方式，其中重要的是輸入、輸出以及控制信號(hào)的連接方式。1.從輸入端看：（1）單端輸入（2）差動(dòng)輸入（3）單極性輸入（4）雙極性輸入2.從輸出來(lái)看：（1）數(shù)據(jù)寄存器具有可控的三態(tài)門(mén)（2）不具備可控三態(tài)門(mén)，輸出寄存器直接與芯片管腳相連，此時(shí)芯片的輸出線必須通過(guò)輸入緩沖器連至CPU數(shù)據(jù)總線。8.3.1階梯波比較式ADC工作原理：轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)0，DAC的輸出為Vd=0。若輸入電壓Vi為正，則比較器輸出Vc為正，與門(mén)打開(kāi)，計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，DAC輸出即隨計(jì)數(shù)脈沖的增加而增加，如圖所示，當(dāng)Vd>Vi時(shí)，比較器輸出變負(fù)，與門(mén)關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值正比于輸入電壓，完成了從輸入模擬量——電壓到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值——數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器的工作原理從最高位開(kāi)始通過(guò)試探值逐次進(jìn)行測(cè)試，直到試探值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出VN與VIN相等或達(dá)到允許誤差范圍為止。則該試探值就為A/D轉(zhuǎn)換所需的數(shù)字量。階梯波比較式ADC工作原理：轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)0，DAC的輸出為Vd=0。若輸入電壓Vi為正，則比較器輸出Vc為正，與門(mén)打開(kāi)，計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，DAC輸出即隨計(jì)數(shù)脈沖的增加而增加，如圖所示，當(dāng)Vd>Vi時(shí)，比較器輸出變負(fù)，與門(mén)關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值正比于輸入電壓，完成了從輸入模擬量——電壓到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值——數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

ADC0809引腳圖

典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809ADC0809內(nèi)部多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對(duì)A、B、C3個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。通道選擇表

ADC0809的工作時(shí)序圖

8051單片機(jī)與ADC0809的接口采用線選法規(guī)定其端口地址用單片機(jī)的P2.7引腳作為片選信號(hào),因此端口地址為7FFFH。片選信號(hào)和信號(hào)一起經(jīng)或非門(mén)產(chǎn)生ADC0809的啟動(dòng)信號(hào)START和地址鎖存信號(hào)ALE；片選信號(hào)和信號(hào)一起經(jīng)或非門(mén)產(chǎn)生ADC0809輸出允許信號(hào)OE，OE=1時(shí)選通三態(tài)門(mén)使輸出鎖存器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果送入數(shù)據(jù)總線。ADC0809的EOC信號(hào)經(jīng)反相后接到8051的引腳用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換完成的中斷請(qǐng)求信號(hào)。ADC0809芯片的3位模擬量輸入通道地址碼輸入端A、B、C分別接到8031的P0.0、P0.1和P0.2，故只要向端口地址7FFFH分別寫(xiě)入數(shù)據(jù)00H～07H，即可啟動(dòng)模擬量輸入通道0～7進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送

A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。（1）定時(shí)傳送方式對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換其來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128μs，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（2）查詢方式

A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測(cè)試EOC的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（3）中斷方式

把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過(guò)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以RD信號(hào)有效時(shí)，OE信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。不管使用上述那種方式，只要一旦確認(rèn)轉(zhuǎn)換結(jié)束，便可通過(guò)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。所用的指令為：

MOVDPTR,#7FFFHMOVXA,@DPTR

該指令在送出有效口地址的同時(shí)，發(fā)出有效信號(hào)RD，使0809的輸出允許信號(hào)OE有效，從而打開(kāi)三態(tài)門(mén)輸出，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線送入A累加器中。

A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用舉例采用中斷工作方式對(duì)8路模擬輸入信號(hào)依次進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換

需要說(shuō)明的是，ADC0809的三個(gè)地址端A、B、C既可如前所述與數(shù)據(jù)線相連，也可與地址線相連，例如與A0～A2相連。這時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的指令與上述類(lèi)似，只不過(guò)A的內(nèi)容為任意數(shù)。例如當(dāng)A、B、C分別與A0、A1、A2相連時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換只需要一條MOVX指令。在此之前，要將P2.7清零并將最低三位與所選擇的通道對(duì)應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。例如要選擇IN7通道時(shí)，可采用如下兩條指令啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換：

MOVDPTR,#7FFFH；送入0809的口地址

MOVX@DPTR,A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換（IN7）

注意：此處A中內(nèi)容與A/D轉(zhuǎn)換無(wú)關(guān)，可為任意值。

采用查詢方式對(duì)8路模擬信號(hào)一次進(jìn)行轉(zhuǎn)換8.3.2積分型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理雙積分型A/D轉(zhuǎn)換是一種間接A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。首先將模擬電壓轉(zhuǎn)換成積分時(shí)間，然后用數(shù)字脈沖計(jì)時(shí)方法轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，最后將此代表模擬輸入電壓大小的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制或BCD碼輸出。雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路原理及工作波型圖1.準(zhǔn)備期：開(kāi)關(guān)S1、S2、S3斷開(kāi)，S4接通，積分電容C被短路，輸出為0。2.采樣期：開(kāi)關(guān)S2、S3、S4斷開(kāi)，S1閉合，積分器對(duì)輸入模擬電壓+Vi進(jìn)行積分，積分時(shí)間固定為T(mén)1，在采樣期結(jié)束的t2時(shí)刻，積分器輸出電壓為：

式中為被測(cè)模擬電壓在T1時(shí)間內(nèi)的平均值。3.比較期：從t2時(shí)刻開(kāi)始，開(kāi)關(guān)S1、S2、S4斷開(kāi)，S3閉合，將與被測(cè)模擬電壓極性相反的標(biāo)準(zhǔn)電壓-Er接到積分器的輸入端(若被測(cè)模擬電壓為-Vi，則S1、S3、S4斷開(kāi)，S2閉合，將+Er接到積分器的輸入端)，使積分器進(jìn)行反向積分。當(dāng)積分器的輸出回到0時(shí)，比較器的輸出發(fā)生跳變。設(shè)在t3時(shí)刻積分器回0，此時(shí)有：

式中T2=t3-t2為比較周期。在T2周期內(nèi)對(duì)一個(gè)周期為τ的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，得：

由于T1、Er、τ都是恒定值，從而計(jì)數(shù)值N就正比于被測(cè)模擬電壓值，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器芯片ICL7135ICL7135是一種常用的4位半BCD碼雙積分型單片集成ADC芯片,其分辯率相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)，它的轉(zhuǎn)換精度高,轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB，并且能在單極性參考電壓下對(duì)雙極性輸入模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，模擬輸入電壓范圍為0～±1.9999V。芯片采用了自動(dòng)校零技術(shù),可保證零點(diǎn)在常溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，模擬輸入可以是差動(dòng)信號(hào),輸入阻抗極高。ICL7135的輸出時(shí)序圖B8、B4、B2、B1：BCD碼數(shù)據(jù)輸出，B8為最高位，B1為最低位。D5、D4、D3、D2、D1：BCD碼數(shù)據(jù)的位驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，分別選通萬(wàn)、千、百、十、個(gè)位。ICL7135與單片機(jī)8031的接口電路

ICL7135轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出是動(dòng)態(tài)的，因此必須通過(guò)并行接口才能與單片機(jī)連接。圖中74LS157為4位2選1的數(shù)據(jù)多路開(kāi)關(guān)，74LS157的端輸入為低電平時(shí)，1A、2A、3A輸入信息在1Y、2Y、3Y輸出；端為高電平時(shí)，1B、2B、3B輸入信息在1Y、2Y、3Y輸出。因此，當(dāng)7135的高位選通信號(hào)D5輸出為高電平時(shí)，萬(wàn)位數(shù)據(jù)B1和極性、過(guò)量程、欠量程標(biāo)志輸入到8051單片機(jī)的P0.0～P0.3，當(dāng)D5為低電平時(shí)，7135的B8、B4、B2、B1輸出低位轉(zhuǎn)換結(jié)果的BCD碼，此時(shí)BCD碼數(shù)據(jù)線B8、B4、B2、B1輸入到8051單片機(jī)的P0.0～P0.3。

ICL7135的時(shí)鐘頻率為125kHz，每秒進(jìn)行3次A/D轉(zhuǎn)換。ICL7135的數(shù)據(jù)輸出選通脈沖線接到8051外部中斷INT0端，當(dāng)ICL7135完成一次A/D轉(zhuǎn)換以后，產(chǎn)生5個(gè)數(shù)據(jù)選通脈沖，分別將各位的BCD碼結(jié)果和標(biāo)志D1～D5打入8051的P0口。由于ICL7135的A/D轉(zhuǎn)換是自動(dòng)進(jìn)行的,完成一次A/D轉(zhuǎn)換后,選通脈沖的產(chǎn)生和8051中斷的開(kāi)放是不同步的。為了保證讀出數(shù)據(jù)的完整性,單片機(jī)8051只對(duì)最高位(萬(wàn)位)的中斷請(qǐng)求作出響應(yīng)，低位數(shù)據(jù)的輸入則采用查詢的方法，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機(jī)8051片內(nèi)RAM的20H,21H和22H單元。三積分式ADC的工作原理為了提高雙分積式ADC的分辨率，出現(xiàn)了多積分式ADC。下面簡(jiǎn)單介紹三重積分式ADC的工作原理。它的特點(diǎn)是比較期由兩段斜坡組成，當(dāng)積分器輸出電壓接近0點(diǎn)時(shí)，突然換接數(shù)值較小的基準(zhǔn)電壓，從而降低了積分器輸出電壓的斜率，延長(zhǎng)積分器回0的時(shí)間，使比較周期延長(zhǎng)以獲得更多的計(jì)數(shù)值，從而提高了分辨率。而積分器在輸出電壓較高時(shí)，接入數(shù)值較大的基準(zhǔn)電壓，積分速度快，因而轉(zhuǎn)換速度也快。系統(tǒng)中有兩個(gè)比較器，比較器1的比較電平為0電平，比較器2的比較電平為V′，同時(shí)有兩個(gè)基準(zhǔn)電壓Er和Er/2m。工作過(guò)程如下：采樣期：Sx接通，Spb、Sps斷開(kāi)，積分器對(duì)被測(cè)電壓Vi積分，積分周期恒定為T(mén)1；比較期I：Spb接通，Sx、Sps斷開(kāi)，積分器對(duì)極性與Vi相反的基準(zhǔn)電壓Er進(jìn)行積分，由于Er數(shù)值較大，故積分速度較快，積分周期為T(mén)21；比較期Ⅱ：當(dāng)積分器輸出達(dá)到比較器2的比較電平V′時(shí)，通過(guò)控制電路使開(kāi)關(guān)Sps接通，Spb、Sx斷開(kāi)，積分器對(duì)Er/2m積分。由于基準(zhǔn)電壓減小，因而積分速度按比例降低。當(dāng)積分器輸出電壓達(dá)到零伏時(shí)，比較器1動(dòng)作，通過(guò)控制電路使所有開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，積分器停止積分，一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。因?yàn)楸容^期Ⅱ的基準(zhǔn)電壓減小了2m倍，因此如果在兩個(gè)比較期內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖頻率保持不變，則在比較期Ⅰ內(nèi)的計(jì)數(shù)值應(yīng)乘以2m后才能與比較期Ⅱ內(nèi)的計(jì)數(shù)值相加。為此可采用如圖所示的計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)。在比較期Ⅰ內(nèi)，與門(mén)1打開(kāi)，計(jì)數(shù)器從2m位開(kāi)始計(jì)數(shù)：在比較期Ⅱ內(nèi)，與門(mén)2開(kāi)，計(jì)數(shù)器從20位開(kāi)始計(jì)數(shù)。若在比較期Ⅰ內(nèi)計(jì)得N1個(gè)鐘脈沖，比較期Ⅱ內(nèi)計(jì)得N2個(gè)時(shí)鐘脈沖，則在整個(gè)比較期內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為

N=2m×N1+N2串行ADC與8051單片機(jī)的接口

串行接口的ADC芯片TLC549與8051單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，功耗低。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍。TLC549引腳排列如下：

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