《單片機原理與應用技術(shù)》課件第10章

10.1A/D轉(zhuǎn)換器概述10.2ADC0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換器10.3ADC0809數(shù)/模轉(zhuǎn)換器10.4開關(guān)量功率接口技術(shù)10.5開關(guān)量輸入接口第10章單片機測控接口圖10.1為單片機用于測控系統(tǒng)時的框圖。在這個系統(tǒng)中，單片機需要完成把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(A/D轉(zhuǎn)換)，把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號(D/A轉(zhuǎn)換)，以及與開關(guān)量的輸入、輸出(I/O)接口等功能。圖10.1單片機用于測控系統(tǒng)框圖

A/D、D/A、I/O在基于PC機、工控機的應用中一般是用商品化的數(shù)據(jù)采集卡、控制卡來實現(xiàn)的。而在單片機應用系統(tǒng)設計中一般都由設計者完成。

本書也和目前大多數(shù)國內(nèi)教材一樣，采用ADC0809和DAC0832作為經(jīng)典例程來學習A/D、D/A。讀者可以從中學到基本的接口知識。但由于目前MCS-51系列單片機的許多增強機型都自帶A/D、D/A，因此在做產(chǎn)品設計時，設計者可以盡量選用。第12章中所介紹的串行擴展總線的A/D、D/A也應該優(yōu)先選用。

開關(guān)量的輸入/輸出、功率接口等，在機電一體化的設備中應用較多，本章也給予介紹。

將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC(Analog-to-DigitalConverter)。這里模擬量主要指電壓量。

1.?A/D轉(zhuǎn)換器的分類

隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換芯片應運而生。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分成兩大類：直接型A/D轉(zhuǎn)換器和間接型A/D轉(zhuǎn)換器。根據(jù)轉(zhuǎn)換方式又可分為逐次比較型、雙積分型、Σ-Δ型、并行比較型/串并行比較型和壓頻變換型等。10.1A/D轉(zhuǎn)換器概述

1)逐次比較型

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB(MostSignificantBit，最高有效位)開始，順序地將每一位輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器的輸出值進行比較，經(jīng)n次比較后輸出數(shù)字值，亦稱為逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辨率(＜12位)時價格便宜，但高精度(＞12位)時價格較高。

2)雙積分型

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率，但由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。由于其精度高、抗干擾性好、價格低廉，因此得到了廣泛應用，如目前廣泛使用的TLC7135等。

3)?Σ-Δ型

Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器由積分器、比較器、1位D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。Σ-Δ型在原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。它具有積分型與逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的雙重優(yōu)點，對工業(yè)現(xiàn)場的干擾具有的較強的抑制能力不亞于雙積分A/D，但它比雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度快，與逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器相比，有較高的信噪比，分辨率高，線性度好。因此，Σ-Δ型目前得到了廣泛應用。

4)并行比較型/串并行比較型

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉(zhuǎn)換，又稱flash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格高，只適用于視頻A/D轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領域。串并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型A/D轉(zhuǎn)換器配合D/A轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實行轉(zhuǎn)換，所以稱為halfflash(半快速)型。還有分成三步或多步實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的叫做分級(multistep/subrangling)型A/D轉(zhuǎn)換器，而從轉(zhuǎn)換時序角度又可稱為流水線(pipelined)型A/D轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)代的分級型A/D轉(zhuǎn)換器中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運算而修正等功能。這類A/D轉(zhuǎn)換器的速度比逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的高，電路規(guī)模比并行型A/D轉(zhuǎn)換器的小，如TLC5510等。

5)壓頻變換型(VFC)

壓頻變換型(VFC—Voltage-FrequencyConverter)A/D轉(zhuǎn)換器是通過間接轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。它的變換結(jié)果不是數(shù)字而是頻率。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度即可。其優(yōu)點是分辨率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數(shù)電路共同完成A/D轉(zhuǎn)換。最常用的型號有AD650等。

A/D轉(zhuǎn)換器除了按原理分類外，還可以根據(jù)其它一些指標分類，如圖10.2所示。圖10.2A/D轉(zhuǎn)換器的分類

2.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)很多，這里不作詳細解釋，只介紹一些主要參數(shù)。

1)轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換速率(conversiontimeorconversionrate)

轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。常用單位是KSPS和MSPS，表示每秒采樣千/百萬次(Kilo/MillionSamplesPerSecond)。積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級，屬低速A/D轉(zhuǎn)換器；逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器是微秒級，屬中速A/D轉(zhuǎn)換器；全并行/串并行型A/D轉(zhuǎn)換器可達到納秒級，為高速A/D轉(zhuǎn)換器。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(samplerate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。要注意轉(zhuǎn)換速率與采樣速率是兩個不同的概念。

2)分辨率(resolution)

分辨率習慣用A/D轉(zhuǎn)換器輸出的二進制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。例如AD574A/D轉(zhuǎn)換器，輸出二進制12位，即用212個位數(shù)進行量化，其分辨率為1LSB(leastsignificantbit，最小有效位)，用百分數(shù)表示1/212=0.024%。又如雙積分式輸出BCD碼的A/D轉(zhuǎn)換器MC14433，其分辨率為三位半(這里的“半”指最高位千位只能是0或1，“三位”指十進制的百、十、個位)，所以它的滿字位為1999，用百分數(shù)表示其分辨率為1/1999×100%=0.05%。

3)量化誤差(quantizingerror)

量化誤差定義為有限分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辯率A/D轉(zhuǎn)換器(理想A/D轉(zhuǎn)換器)的轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差。通常是一個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。提高分辨率可減少量化誤差。

4)偏移誤差(offseterror)

偏移誤差為輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。

5)滿刻度誤差(fullscaleerror)

滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差，即為滿刻度誤差。

6)線性度(linearity)

線性度指轉(zhuǎn)換器實際輸入值與轉(zhuǎn)換后的輸出值所形成的曲線與理想直線的最大偏移。

7)轉(zhuǎn)換精度(accuracy)

一個實際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稱為轉(zhuǎn)換精度。它是一個綜合指標，可用絕對精度(absoluteaccuracy)或相對精度(relativeaccuracy)表示。理想情況下，精度與分辨率基本一致，位數(shù)越多精度越高。但由于溫度漂移等各種因素也存在著誤差，因此，嚴格講精度與分辨率并不完全一致。

這些指標中最常用的是轉(zhuǎn)換速率和分辨率。

3.?A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

A/D轉(zhuǎn)換器按輸出代碼的有效位數(shù)分為8位、10位、12位、16位、24位、32位等。

按轉(zhuǎn)換速度分為超高速(≤1ns)、高速(≤1

s)、中速(≤1ms)、低速(≤1s)等。

為適應系統(tǒng)集成需要，大多A/D轉(zhuǎn)換器都將多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、時鐘電路、基準電壓源、二/十進制譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個芯片內(nèi)，為用戶提供了方便。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時要注意以下幾個問題：

1)?A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定

系統(tǒng)總精度涉及的環(huán)節(jié)較多：傳感器變換精度、信號預處理電路精度和A/D轉(zhuǎn)換器及輸出電路、控制機構(gòu)精度，還包括軟件控制算法。

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比系統(tǒng)總精度要求的最低分辨率高1位，位數(shù)應與其它環(huán)節(jié)所能達到的精度相適應，只要不低于它們就行，太高無意義，且價高。

一般8位及以下為低分辨率；9～12位為中分辨率；13位以上為高分辨率。

2)?A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的確定

從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量需要一定的時間，這就是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。

低速：轉(zhuǎn)換時間從幾ms到幾十ms。

中速：逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可從幾

s到100

s左右。高速：轉(zhuǎn)換時間僅20～100ns。適用于雷達、數(shù)字通信、實時光譜分析、實時瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。

如用轉(zhuǎn)換時間為100

s的集成A/D轉(zhuǎn)換器，則其轉(zhuǎn)換速率為10千次/秒。根據(jù)采樣定理和實際需要，一個周期的波形若采10個點，最高也只能處理1kHz的信號，而若把轉(zhuǎn)換時間減小到10

s，則信號頻率可提高到10kHz。

3)是否加采樣保持器

直流和變化非常緩慢的信號可不用采樣保持器，其它情況都要加采樣保持器。

根據(jù)分辨率、轉(zhuǎn)換時間、信號帶寬關(guān)系，如下數(shù)據(jù)可以作為是否要加采樣保持器的參考。①如果A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是100ms，分辨率是8位，則沒有采樣保持器時，信號的允許頻率是0.12Hz；如果分辨率是12位，則該頻率為0.0077Hz。如果轉(zhuǎn)換時間是100

s，分辨率是8位，則該頻率為12Hz，12位時是0.77Hz。

4)工作電壓和基準(或稱參考)電壓

選擇使用單一+?5V工作電壓的芯片，與單片機系統(tǒng)共用一個電源就比較方便。

基準電壓源是提供給A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換時所需要的參考電壓，在要求高精度時，基準電壓要單獨用高精度穩(wěn)壓電源。10.1.2?ADC0809性能及基本結(jié)構(gòu)

ADC0809/ADC0808是8位逐次逼近、單片CMOS集成的A/D轉(zhuǎn)換器。其主要性能如下：

●分辨率為8位；

●精度：ADC0809小于±1LSB(ADC0808小于±1/2LSB，其余性能與ADC0809一樣)；

●單+5V供電，模擬輸入電壓范圍為0～+5V；10.2ADC0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換器●具有鎖存控制的8路輸入模擬開關(guān)；

●可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL電平兼容；

●功耗為15mW；

●不必進行零點和滿刻度調(diào)整；

●轉(zhuǎn)換速度取決于芯片外接的時鐘頻率。時鐘頻率范圍為10～1280kHz。典型值為640kHz，轉(zhuǎn)換時間約為100

s。

ADC0809的引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10.3所示。圖10.3ADC0809引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)(a)引腳；(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下：

IN0～IN7：模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量的要求主要有：信號單極性，電壓范圍為0～5V，若信號過小還需進行放大。ADC0809要求模擬量輸入的值不能變化太快。因此，如果模擬量變化速度快，應增加采樣保持電路。

A、B、C：地址線。用于選擇模擬通道。

ALE：地址鎖存允許信號。對應ALE上跳沿，A、B、C的地址狀態(tài)被送入地址鎖存器中。

START：轉(zhuǎn)換啟動信號。START上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清0；START下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應保持低電平。

D0～D7：數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。

OE：輸出允許信號。其用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高電阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。

CLK：時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500kHz的時鐘信號。

EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。EOC=0，正在進行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。該狀態(tài)信號既可作為查詢的狀態(tài)標志，又可以作為中斷請求信號使用。

VCC：+5V電源。

Ref：參考電源。參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為(Ref(+)=+5V，Ref(-)=0V。10.2.2ADC0809與單片機的接口與編程

ADC0809轉(zhuǎn)換器的工作過程如下：

首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入ADC0809的地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，顯示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE為高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)線上。

A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認A/D完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。

1.定時傳送方式

對于A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標是已知的和固定的。ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128?μs，相當于12?MHz的MCS-51單片機的128個機器周期?？蓳?jù)此設計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成，接著進行數(shù)據(jù)傳送。

2.查詢方式

A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確認轉(zhuǎn)換是否完成，隨后進行數(shù)據(jù)傳送。

3.中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(EOC)作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述哪種方式，只要確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。根據(jù)ADC0809轉(zhuǎn)換器的工作過程，它與MCS-51單片機的接口可以采用三總線的連接方式，如圖10.4所示。當89C51采用6MHz晶振時，ALE為1MHz的方波，經(jīng)74LS74D觸發(fā)器二分頻，獲得500kHz頻率的脈沖作為ADC0809的時鐘(CLK)脈沖。利用兩個或非門滿足啟動、讀取ADC0809的邏輯條件。轉(zhuǎn)換接收后，EOC會通過非門向單片機發(fā)出中斷請求。精度要求較高時，Ref(+)要采用精密穩(wěn)壓模塊電路獲得精確的參考電壓。圖10.4ADC0809與單片機的接口電路下面是針對這個接口的參考程序，讀取IN0通道模擬量轉(zhuǎn)換的結(jié)果，并存儲在片內(nèi)30H單元。

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0013H

AJMPPINT1

ORG0030H

MAIN： SETBIT1 ；邊沿觸發(fā)

SETBEA

SETBEX1

MOVDPTR,#00FFH ；IN0地址

MOVX@DPTR,A ；啟動A/D

SJMP$ ；等待中斷

PINT1： MOVXA,@DPTR ；讀A/D數(shù)據(jù)

MOV30H,A ；送30H

MOVX@DPTR,A ；再啟動A/D

RETI

END圖10.4這種三總線的接口方式，占用了P0口、P2口和P3口的和，致使P2口的其他引腳不能作為I/O口使用。為了充分利用單片機的資源，可以用程序模擬ADC0809的工作過程時序，設計另一種接口電路(如圖10.5所示)，它占用了P1口和P3口的P3.0、P3.1、P3.5～P3.7，但卻能使未占用的其他引腳都可以作I/O使用。這里的OE未進行控制，直接接高電平。圖10.5模擬ADC0809時序與單片機的接口電路此接口方法的編程任務主要有兩個：一是讀取A/D的數(shù)據(jù)；二是計算所對應的模擬量數(shù)值。讀取A/D數(shù)據(jù)包括：選通道、啟動A/D、確定A/D是否完成、讀取數(shù)據(jù)。計算所對應的模擬量數(shù)值：根據(jù)獲取的A/D數(shù)值與輸入的模擬量電壓之間的關(guān)系，計算輸入的模擬量電壓。

A/D轉(zhuǎn)換中，輸入模擬量Uin與n位輸出數(shù)字量Do的關(guān)系式為：其中：Do—轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字量；

Uin—輸入模擬量；

Uref(-)，Uref(+)—A/D轉(zhuǎn)換器的正、負參考電壓；

INTEGER—取整。

當Uin=5V時，轉(zhuǎn)換值為：當Uin?=0V時，轉(zhuǎn)換值為：當Uin=2.5V時，轉(zhuǎn)換值為：根據(jù)這個公式，可得獲取的A/D數(shù)值與輸入的模擬量電壓之間的關(guān)系為：如果n=8，Uref(-)=?0，則圖10.6ADC0808仿真運行結(jié)果圖；------------------------------------------------；功能：ADC0808數(shù)據(jù)采集的演示主程序；------------------------------------------------

EXTRNCODE(LCD_INITIAL) ；對引用的LCD1602模塊的公用子程序進行聲明

EXTRNCODE(LCD_PRINT_S)

EXTRNCODE(LCD_PRINT_CHAR)

AD_START_ALE BITP3.0

AD_OEC BITP3.1

AD_A BITP3.5

AD_B BITP3.6

AD_C BITP3.7

AD_DB EQUP1

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0030H

MAIN： ACALLLCD_INITIAL ；LCM1602初始化

MOVA,#81H ；在第1行第1列顯示字符串

MOVDPTR,#TABLE ；字符串首址放DPTR

LCALLLCD_PRINT_S ；調(diào)用顯示字符串公用子程序

LOOP： LCALLREAD_CAL_ADC ；調(diào)讀AD轉(zhuǎn)換結(jié)果并計算成相 應的電壓值

MOVA,#0C6H ；在第2行第7列開始顯示

MOVR5,#4 ；要顯示4個字符

MOVR1,#20H ；第1個字符存放的首地址為20H

LCALLLCD_PRINT_CHAR ；調(diào)用顯示字符公用子程序

AJMPLOOP；----------------------------------------------------------------------------------；子程序名稱：READ_CAL_ADC；功能：讀AD轉(zhuǎn)換結(jié)果計算成相應的電壓值，并將此值送LCD顯示；計算公式：電壓的10倍?=?A?

?(5/255)

?10?≈?A?

?50/256；程序中采用的算法會有小誤差；---------------------------------------------------------------------------------

READ_CAL_ADC：

CLRAD_A ；選擇IN0輸入通道

CLRAD_B

CLRAD_C

CLRAD_START_ALE ；鎖存通道，啟動AD

SETBAD_START_ALE

CLRAD_START_ALE

JNBAD_OEC,$ ；查詢AD是否轉(zhuǎn)換完成

MOVA,AD_DB ；轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送A

MOVB,#50 ；乘以50

MULAB ；乘的結(jié)果高8位在B，低8位在A

MOVA,B ；只取B，相當于除以256 MOVB,#10 ；由于采用的公式放大了10倍，得到真正的電壓值 ；要除以10

DIVAB

ADDA,#30H ；得到的個位數(shù)加30H獲得ASCII碼

MOV20H,A ；送LCD的顯示存儲區(qū)

MOVA,B ；余數(shù)為小數(shù)部分，加30H得到ASCII 碼

ADDA,#30H

MOV22H,A ；送LCD的顯示存儲區(qū)

MOV21H,#2EH ；小數(shù)點的ASCII碼

MOV23H,#56H ；“V”的ASCII碼

RETTABLE：DB“THEVOLTIGEIS”,00H ；顯示的字符串，注意要以 00H結(jié)束

END 10.3DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器即數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC，Digital-to-AnalogConverter)，它是一種把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的器件。轉(zhuǎn)換過程是：將送到D/A轉(zhuǎn)換器的各位二進制數(shù)，按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換為相應的模擬分量，再把各模擬分量疊加，其和就是D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果。使用D/A轉(zhuǎn)換器時，要注意區(qū)分D/A轉(zhuǎn)換器的輸出形式以及內(nèi)部是否帶有鎖存器。輸出形式：電壓輸出形式與電流輸出形式。電流輸出的D/A轉(zhuǎn)換器，如需模擬電壓輸出，可在其輸出端加一個I-U轉(zhuǎn)換電路。

D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部是否帶有鎖存器：D/A轉(zhuǎn)換需要一定時間，這段時間內(nèi)輸入端的數(shù)字量如果發(fā)生變動，D/A轉(zhuǎn)換的模擬量就不穩(wěn)定。在數(shù)字量轉(zhuǎn)換前的輸入端設置鎖存器，就可以提供數(shù)據(jù)鎖存功能，以保證D/A轉(zhuǎn)換的模擬量穩(wěn)定。根據(jù)芯片內(nèi)是否帶有鎖存器，可分為內(nèi)部無鎖存器的和內(nèi)部有鎖存器的兩類。內(nèi)部無鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器可與P1、P2口直接相接(因P1口和P2口的輸出有鎖存功能)，但與P0口相接，需增加鎖存器。內(nèi)部帶有鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部不但有鎖存器，還包括地址譯碼電路，有的還有雙重或多重的數(shù)據(jù)緩沖電路，可與MCS-51的P0口直接相接。

D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標與A/D轉(zhuǎn)換器在許多方面類似，其主要技術(shù)指標如下：

1)分辨率分辨率是指輸入給D/A轉(zhuǎn)換器的單位數(shù)字量變化引起的模擬量輸出的變化，通常定義為輸出滿刻度值與2n之比。顯然，二進制位數(shù)越多，分辨率越高。例如，若滿量程為10V，根據(jù)定義則分辨率為10V/2n。設8位D/A轉(zhuǎn)換器，即n=8，其分辨率為10V/2n=39.1mV，則該值占滿量程的0.391%，用1LSB表示。同理，10位D/A轉(zhuǎn)換器有1LSB=9.77mV=0.1%，滿量程12位D/A轉(zhuǎn)換器有1LSB=2.44mV=0.024%。

2)建立時間(SettingTime)建立時間是將一個數(shù)字量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定模擬信號所需的時間，也可以認為是轉(zhuǎn)換時間。D/A轉(zhuǎn)換器中常用建立時間來描述其速度，而不是A/D轉(zhuǎn)換器中常用的轉(zhuǎn)換速率。一般地，電流輸出D/A轉(zhuǎn)換器建立時間較短，電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器則較長。

3)精度與A/D轉(zhuǎn)換器一樣，精度和分辨率有一定聯(lián)系，但概念不同。D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)多時，分辨率會提高。但溫度漂移、線性不良等影響仍會使D/A轉(zhuǎn)換器的精度變差。其他指標還有線性度、溫度系數(shù)、漂移等。10.3.1DAC0832簡介

DAC0832是美國國家半導體公司的產(chǎn)品，它是帶有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位D/A轉(zhuǎn)換器，能直接與MCS-51單片機接口。其主要特性如下：

(1)?T?型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換原理。

(2)分辨率為8位。

(3)電流型輸出，穩(wěn)定時間為1

s。

(4)?CMOS工藝，低功耗20mW。

(5)可雙緩沖輸入、單緩沖輸入或直接數(shù)字輸入。

(6)單一電源供電(+5?V～+15?V)。

(7)基準電壓的范圍為?±10V。

DAC0832轉(zhuǎn)換器芯片為20引腳，其引腳及內(nèi)部邏輯框圖如圖10.7所示。該轉(zhuǎn)換器由輸入寄存器和DAC寄存器構(gòu)成兩級數(shù)據(jù)輸入鎖存。使用時，數(shù)據(jù)輸入可以采用兩級鎖存(雙鎖存)形式，或單級鎖存(一級鎖存，一級直通)形式，或直接輸入(兩級直通)形式。圖10.7DAC0832引腳及內(nèi)部邏輯框圖(a)引腳；(b)DAC0832內(nèi)部邏輯框圖圖10.8DAC0832單緩沖方式接口D/A轉(zhuǎn)換中，輸入數(shù)字量n與輸出轉(zhuǎn)換值Uo的關(guān)系式為：當n=127時，轉(zhuǎn)換值n=FFH=255時，轉(zhuǎn)換值例1：產(chǎn)生矩形波程序。

ORG 0000H

LL：MOV A,#00H ；低電平

MOV DPTR,#7FFFH ；DAC0832地址，只取P2.7為低電平

MOVX @DPTR,A ；送轉(zhuǎn)換

LCALL DMS1 ；調(diào)延時1ms子程序，產(chǎn)生矩形波低電平寬度

MOV A，#0FFH ；高電平

MOVX @DPTR,A ；送轉(zhuǎn)換

LCALL DMS2 ；調(diào)延時2ms子程序，產(chǎn)生矩形波高電平寬度

SJMP LL

END

例2：產(chǎn)生鋸齒波程序。

ORG 0000H

MOV A，#00H ；起始值

MOV DPTR，#7FFFH

MM：MOVX@DPTR，A ；送轉(zhuǎn)換

INC A

NOP

NOP

NOP ；決定坡度

SJMP MM

END例3：產(chǎn)生三角波程序。

ORG 0000H

MOV A，#00H

MOV DPTR，#7FFFH

SS1：MOVX @DPTR，A ；送轉(zhuǎn)換

NOP

NOP

NOP

SS2：INC A ；等速上升

JNZ SS1

SS3：DEC A

MOVX @DPTR，A

NOP

NOP

NOP ；等速下降

JNZ SS3

SJMP SS2

END2.雙緩沖器方式圖10.9DAC0832雙緩沖器方式接口完成兩路D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的接口如圖10.9所示，程序如下：

MOV DPTR，#0DFFFH ；指向DAC0832(1)地址

MOV A，#data1

MOVX @DPTR，A ；鎖入DAC寄存器

MOV DPTR，#0BFFFH ；指向DAC0832(2)地址

MOV A，#data2

MOVX @DPTR，A ；鎖入DAC寄存器

MOV DPTR，#7FFFH ；指向XFER

MOVX @DPTR，A ；同時進行D/A轉(zhuǎn)換

3.直通方式直通方式時所有四個控制端都接低電平，ILE接高電平。數(shù)據(jù)量一旦輸入，就直接進入DAC寄存器，進行D/A轉(zhuǎn)換，此法可以不用MOVX指令。接口如圖10.10所示。圖10.10DAC0832直通方式接口10.4開關(guān)量功率接口技術(shù)10.4.1單片機I/O口的輸出驅(qū)動用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等時，不能用單片機的I/O線來直接驅(qū)動。

P0、P1、P2、P3四個口都可做輸出口，但其驅(qū)動能力不同。P0口的驅(qū)動能力較大，當其輸出高電平時，每一位可提供780?

A的電流；當其輸出低電平時，每一位最大可提供10?mA的灌電流，但總共不能超過15mA。P1、P2、P3口的每一位也能最大提供10mA的灌電流，但總共不能超過10mA。因此，用低電平輸出可獲得比高電平輸出更大的驅(qū)動能力。目前，一些MCS-51系列單片機的引腳驅(qū)動能力有所提高，如89C2051(只有20個引腳的51系列單片機)，一些引腳可提供20mA的灌入電流。但在大多數(shù)場合，單片機I/O口的驅(qū)動能力是不夠的，必須通過各種驅(qū)動電路和開關(guān)電路來提高驅(qū)動能力。另外，與微機接口的一般TTL電路或CMOS電路驅(qū)動能力是有限的。例如，對于多數(shù)74LS系統(tǒng)的TTL電路，其高電平輸出電流IOH最大值僅為?-0.4mA(負號表示拉電流)，低電平輸出電流IOL最大值也僅為8mA。對于大多數(shù)4XXX系列的CMOS邏輯電路，當UDD=+5V時，IOH和IOL都不到1mA，在許多應用中都需要提高驅(qū)動能力。常見的微機I/O口輸出驅(qū)動電路有下列幾種。

1.?TTL三態(tài)門緩沖器驅(qū)動電路這類電路的驅(qū)動能力要高于一般的TTL電路。例如74LS244、74LS245等，它們的IOH=-15mA，IOL=24mA，可以用來驅(qū)動光電耦合器、LED數(shù)碼管、功率晶體管等。

2.集電極開路門(OC門)驅(qū)動電咯

OC(OpenCollector)門驅(qū)動電路的輸出級是一個集電極開路的晶體三極管，如圖10.11中的實線部分所示。三極管V2集電極什么都不接，所以叫做集電極開路(左邊的三極管V1為反相之用，使輸入為“0”時，輸出也為“0”)。當輸入端為“0”時，三極管V1截止(即集電極C與發(fā)射極E之間相當于斷開)，所以5V電源通過1kΩ電阻加到三極管V2上，三極管V2導通(相當于一個開關(guān)閉合)；當輸入端為“1”時，三極管V1導通，三極管V2截止(相當于開關(guān)斷開)。很明顯，當V2導通時，輸出直接接地，所以輸出電平為0。而當V2截止時，則輸出端懸空了，即高阻態(tài)。這時電平狀態(tài)未知，如果后面一個電阻負載(即使很輕的負載)接地，那么輸出端的電平就被這個負載拉到低電平，所以這個電路是不能輸出高電平的。因此組成電路時，OC門輸出端必須外加一個接至正電源的上拉電阻(如圖10.11中的虛線所示)才能正常工作，正電源?+V可以比TTL電路的UCC(一般為?+5V)高很多。例如，7406(邏輯與圖10.11相反)、7407的OC門輸出級截止時耐壓可高達30V，輸出低電平時吸收電流的能力，也高達40mA。因此，OC門是一種既有電流放大功能，又有電壓放大功能的開關(guān)量驅(qū)動電路。實際應用中，OC門電路常用來驅(qū)動微型繼電器、LED顯示等。圖10.11OC門輸出驅(qū)動電路

3.小功率三極管驅(qū)動電路當驅(qū)動電流只有十幾毫安至幾百毫安時，只要采用一個普通的小功率三極管就能構(gòu)成驅(qū)動電路，如圖10.12所示。圖10.12小功率三極管驅(qū)動電路三極管常用在三種工作狀態(tài)：飽和導通狀態(tài)、飽和截止狀態(tài)、線性放大狀態(tài)。作為開關(guān)量輸出驅(qū)動時，三極管使用在導通或截止狀態(tài)。常用的PNP三極管有9013、8050等，NPN三極管有9015、8550等。9013的驅(qū)動電流可達40mA，8050的可達500mA。三極管除了驅(qū)動電流較大的優(yōu)點外，在因受到PCB板面積限制而不便使用集成功率芯片的場合，為了降低成本和布局的方便也可以選用三極管。例如，如果只驅(qū)動一個蜂鳴器或小繼電器，就沒有必要使用一塊74LS07芯片，可考慮采用一只小功率三極管代替。

4.達林頓晶體管陣列驅(qū)動芯片當驅(qū)動電流需要達到幾百毫安，如驅(qū)動中功率繼電器、電磁開關(guān)等裝置，而且路數(shù)較多時，可采用達林頓晶體管陣列驅(qū)動芯片。達林頓晶體管陣列驅(qū)動芯片是由多對兩個三極管組成的達林頓復合管構(gòu)成，它具有輸入阻抗高、增益高、輸出功率大及保護措施完善等特點，同時多對復合管也非常適用于計算機控制系統(tǒng)中的多路負荷。

ULN2003達林頓晶體管陣列驅(qū)動芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是達林頓的，它是專門用來驅(qū)動繼電器的芯片，在ULN2003芯片內(nèi)部做了一個消線圈反電動勢的二極管VD3，如圖10.13所示，VD1和VD2分別是輸入和輸出端鉗位。ULN2003的單腳輸出端允許通過500mA電流，但每塊芯片總的輸出電流不能超過2.5A。COM端可接5?V～24V電壓，最高可達50V。輸入端可與多種TTL、CMOS電路兼容。它可以直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器(SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。圖10.13ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳10.4.2光電耦合器在單片機應用系統(tǒng)中，為防止現(xiàn)場強電磁的干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統(tǒng)，一般采用通道隔離技術(shù)。通道的隔離最常用的元件是光電耦合器，簡稱光耦。光電耦合器件是以光為媒介傳輸信號的器件，它把一個發(fā)光二極管與一個受光源(如光敏三極管、光敏晶閘管或光敏集成電路等)封裝在一起，構(gòu)成電—光—電轉(zhuǎn)換器件。根據(jù)受光源結(jié)構(gòu)的不同，可以將光電耦合器件分為晶體管輸出的光電耦合器件和可控硅輸出的光電耦合器件兩大類。本節(jié)只介紹晶體管輸出光電耦合器，在10.4.4節(jié)可控硅驅(qū)動接口中再介紹可控硅輸出型光電耦合器。典型的晶體管輸出光電耦合器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10.14所示。圖10.14晶體管輸出型光電耦合器(a)?TLP521；(b)?4N25；(c)?6N136光電晶體管除沒有使用基極外，跟普通晶體管一樣。取代基極電流的是光。當光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光時，光電晶體管受光的作用產(chǎn)生基極光電流，使三極管導通。圖10.15列出了三種常用的光電耦合器。TLP521是最常用的；要求隔離電壓高的，選用4N25(隔離電壓達5300V)；要求在通信中高速傳輸數(shù)據(jù)的，選用6N136，但6N136輸入端需要比較大的電流，大約在15mA～20mA范圍內(nèi)才能發(fā)揮高速傳輸數(shù)據(jù)的作用。TLP521、4N25只需要10mA左右的電流。10.4.3繼電器驅(qū)動接口如圖10.15所示，電磁繼電器主要由線圈、鐵芯、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設備。繼電器驅(qū)動電路的設計要根據(jù)所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。圖10.15繼電器原理常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直流繼電器。圖10.16是直流繼電器的接口電路。繼電器的動作由單片機的P1.0端控制。P1.0端輸出低電平時，繼電器J吸合；P1.0端輸出高電平時，繼電器J釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。二極管VD的作用是保護三極管V。原理如下： 當P1.0輸出低電平時，V導通，繼電器J吸合；當P1.0輸出高電平時，V截止，繼電器J斷開。在繼電器吸合到斷開的瞬間，由于線圈中的電流不能突變，將在線圈產(chǎn)生較高的下正上負的感應電壓，使晶體管集電極承受高電壓，有可能損壞驅(qū)動三極管V。為此在繼電器J線圈兩端并接一個續(xù)流二極管VD，使線圈產(chǎn)生的感應電流由二極管VD流回。正常工作時，線圈上的電壓上正下負，二極管VD截止，對電路沒有影響。機械繼電器可在繼電器節(jié)點兩端并接火花抑制電路，減小電火花的影響，如圖10.16中0.1μF的電容。圖10.16直流繼電器的接口電路10.4.4可控硅驅(qū)動接口

1.可控硅原理可控硅(SCR，SiliconControlledRectifier)又稱晶閘管，是一種大功率的半導體器件，具有用小功率控制大功率、開關(guān)無觸點等特點，在交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中應用廣泛?？煽毓枋且粋€三端器件，其符號表示如圖10.17所示，圖(a)為單向可控硅，有陽極A、陰極C、控制極(門極)G三個極。當陽、陰極之間加正電壓，控制極與陰極兩端也施加正電壓，使控制極電流增大到觸發(fā)電流值時，可控硅由截止轉(zhuǎn)為導通，這時管壓降很小(1?V左右)。此時即使控制極電流消失，可控硅仍能保持導通狀態(tài)，所以控制極電流沒有必要一直存在，通常采用脈沖形式，以降低觸發(fā)功耗。可控硅不具有自關(guān)斷能力，要切斷負載電流，只有使陽極電流減小到觸發(fā)電流以下，或陽極、陰極加上反向電壓才能實現(xiàn)關(guān)斷。在交流回路應用中，當電流過零和進入負半周時，可控硅自動關(guān)斷。為了使其再次導通，必須重新在控制極加觸發(fā)電流脈沖。單向可控硅具有單向?qū)щ姽δ?，常用于在交流系統(tǒng)中的整流電路。雙向可控硅在結(jié)構(gòu)上相當于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，但共享一個控制極，結(jié)構(gòu)如圖10.17(b)所示。當兩個電極A1、A2之間的電壓大于1.5V時，不論極性如何，均可利用控制極G觸發(fā)電流控制其導通。雙向晶閘管具有雙向?qū)üδ?，特別適用于控制大電流的交流電場合。雙向可控硅經(jīng)常用作交流調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)溫和無觸點開關(guān)，傳統(tǒng)的觸發(fā)脈沖一般都由硬件產(chǎn)生，故檢測和控制都不夠靈活，而在單片機控制應用系統(tǒng)中則可利用軟件產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。圖10.17可控硅的結(jié)構(gòu)符號(a)單向可控硅；(b)雙向可控硅

2.可控硅輸出型光電耦合器可控硅常用于高電壓大電流的負載，不適宜與CPU直接相連，在實際使用時要采用隔離措施?？煽毓栎敵鲂凸怆婑詈掀魇菃纹瑱C輸出與可控硅之間較理想的接口器件?？煽毓栎敵鲂凸怆婑詈掀饔蓛刹糠纸M成；輸入部分是一發(fā)光二極管；輸出部分是光敏單向可控硅或光敏雙向可控硅。當光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時(5?mA～15mA)，發(fā)光二極管發(fā)出足夠強度的紅外光使可控硅導通。有的光電耦合器的輸出端還配有過零檢測電路，用于控制可控硅過零觸發(fā)，以減小電器在接通電源時對電網(wǎng)的影響。

4N40是常用的單向晶閘管輸出型光電耦合器，見圖10.18(a)。當輸入15?mA～30mA電流時，輸出端的晶閘管導通。輸出端的額定電壓為400V，額定電流有效值為300mA。隔離電壓為1500V～7500V。4N40的6腳是輸出可控硅的控制端，不使用此端時，此端可對陰極接一個電阻。4N40常用于小電流電器的控制，如指示燈等，也可以用于觸發(fā)大功率的可控硅。圖10.18晶閘管輸出型光電耦合器(a)?4N40；(b)?MOC3041

MOC3041是常用的雙向可控硅輸出的光電耦合器，如圖10.18(b)所示。它帶過零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為15mA，最大重復浪涌電流為1A，輸出端額定電壓為400V，輸入/輸出端隔離電壓為7500V。MOC3041一般不直接用于控制負載，而用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的可控硅。要注意的是，用于驅(qū)動發(fā)光管的電源與驅(qū)動光敏管的電源不應是共地的同一個電源，必須分開單獨供電，才能有效地避免輸出端與輸入端相互間的反饋和干擾。因此，利用光耦隔離器傳遞信號可有效地隔離電磁場的電干擾。

3.可控硅驅(qū)動的應用圖10.19是交流感性負載的接口電路圖。交流感性負載帶有交流線圈，包括交流接觸器、電磁閥等。感性負載是由雙向可控硅VT驅(qū)動的。雙向可控硅的選擇要滿足：額定工作電流為交流線圈工作電流的2～3倍；額定工作電壓為交流負載線圈工作電壓的2～3倍。對于工作電壓220V的中、小型的感性負載，可以選擇3A、600V的雙向可控硅。光電耦合器MOC3041的作用是觸發(fā)雙向可控硅VT以及隔離單片機系統(tǒng)和感性負載系統(tǒng)。MOC3041內(nèi)部帶有過零控制電路，因此雙向可控硅VT工作在過零觸發(fā)方式，對電源的影響較小。圖10.20是交流阻性負載可控硅的接口電路。圖10.21是常用的交流指示燈的接口電路。圖10.19交流感性負載的接口電路圖10.20交流阻性負載的接口電路圖10.21常用交流指示燈接口電路10.4.5固態(tài)繼電器驅(qū)動接口固態(tài)繼電器(SSR，SolidStateRelay)是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點開關(guān)器件，它利用電子元件(如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導體器件)的開關(guān)特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關(guān)”，它問世于20世紀70年代。由于它的無觸點工作特性，使其在許多領域的電控及計算機控制方面得到日益廣泛的應用。

SSR按使用場合不同可以分成交流型和直流型兩大類，它們分別在交流或直流電源上做負載的開關(guān)，不能混用。交流型SSR

內(nèi)部的開關(guān)組件為雙向晶閘管，直流型

SSR

內(nèi)部的開關(guān)