《單片機(jī)原理、接口與C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》課件第10章

第10章單片機(jī)與A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)10.1A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路

10.2單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器的接口

10.1A/D轉(zhuǎn)換器及其接口電路

10.1.1概述

1.?A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)

按輸出的數(shù)字量的位數(shù)，A/D轉(zhuǎn)換器可分為8位A/D轉(zhuǎn)換器、10位A/D轉(zhuǎn)換器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、16位A/D轉(zhuǎn)換器等；按輸入的模擬量的路數(shù)，A/D轉(zhuǎn)換器可分為單列A/D轉(zhuǎn)換器、多路A/D轉(zhuǎn)換器；按工作方式，可分為逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器有精度高、抗干擾性能好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度較慢。

2.?A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

1)分辨率(Resolution)或轉(zhuǎn)換靈敏度

分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸入模擬量，即數(shù)字量變化1個(gè)量化單位時(shí)模擬信號(hào)的變化量，也稱轉(zhuǎn)換靈敏度，通常用A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，如8位、10位、12位等，位數(shù)越高，分辨率越高，價(jià)格越貴。設(shè)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器模擬電壓輸入的滿刻度值為Vmax，轉(zhuǎn)換位數(shù)是n,即有2n個(gè)量化電平，則分辨率(Resolution)或轉(zhuǎn)換靈敏度定義為：

2)轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率(ConversionRate)

轉(zhuǎn)換時(shí)間指完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間，從啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到數(shù)字量輸出為止的時(shí)間，通常轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，轉(zhuǎn)換速度越快。積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí)，屬低速A/D轉(zhuǎn)換器；逐次逼近型A/D是微秒級(jí)，屬中速A/D轉(zhuǎn)換器；全并行/串并行型A/D轉(zhuǎn)換器可達(dá)到納秒級(jí)。

采樣時(shí)間是另外一個(gè)概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的時(shí)間間隔。轉(zhuǎn)換速率是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)。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。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率。轉(zhuǎn)換速率的常用單位是kS/s和MS/s，表示每秒采樣千/百萬(wàn)次(kiloMillionSamplespersecond)。

3)量化誤差(QuantizingError)

由于A/D轉(zhuǎn)換的工作原理決定了其不能做到完全線性，所以必然會(huì)因有限分辨率而引起誤差。量化誤差是指有限分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無(wú)限分辨率A/D(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，通常用1個(gè)或半個(gè)最小數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬變化量來(lái)表示，表示為1LSB、1/2LSB。量化誤差可以表征A/D轉(zhuǎn)換器的精度。

4)線性度(Linearity)

線性度指A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)際特性轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，它是由A/D轉(zhuǎn)換器本身的電路結(jié)構(gòu)和制造工藝等原因造成的。

其它指標(biāo)還包括絕對(duì)精度、相對(duì)精度、微分非線性、量程、單調(diào)性、無(wú)錯(cuò)碼、總諧波失真和積分非線性等。表10.1給出了常見(jiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)。表10.1常用A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

3.?A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，A/D轉(zhuǎn)換器的選擇應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)位數(shù)的選擇

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)前向通道中的被測(cè)量對(duì)象的精度有關(guān)。一般情況下，由于客觀條件的影響，電路設(shè)計(jì)中的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率要高于被測(cè)量對(duì)象的最低分辨率。例如，要測(cè)量一組電源電壓，其輸出范圍是0V～10V,如要求精確到0.1V，即分辨率為0.1/10?=?0.01?=?1%，8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/28?=?1/256?=?0.4%，則選擇8位的A/D轉(zhuǎn)換器便可滿足要求。當(dāng)然，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，分辨率越高，但成本也愈高。因此在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)中選擇A/D轉(zhuǎn)換器也不能一味強(qiáng)調(diào)位數(shù)，應(yīng)在滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的前提下，追求最高的性價(jià)比。

2)轉(zhuǎn)換速率的選擇

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)息息相關(guān)，在一些高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如虛擬數(shù)字示波器、雷達(dá)識(shí)別、視頻圖像實(shí)時(shí)分析等系統(tǒng))中，往往要采用高速A/D轉(zhuǎn)換器，如TI公司的ADS809，其采樣轉(zhuǎn)換速率可達(dá)80Mb/s；反之，對(duì)于一些參數(shù)變化緩慢的數(shù)據(jù)采集，如電源電壓、溫度和壓力的數(shù)據(jù)采集，采用低速的A/D轉(zhuǎn)換器即可，如廣泛使用的ICL7135等。通常雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器主要用作低速場(chǎng)合，但其分辨率、靈敏度和抗干擾能力較高，如常用的MC14433、ICL7109等；逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一般用在中、高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，如AD574、AD7552等，但芯片的制作成本比較高。

3)輸入信號(hào)的極性選擇

A/D轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)系統(tǒng)前向通道輸出信號(hào)的極性采用雙極性或單極性芯片，以滿足輸入信號(hào)的多種需求。采用雙極性芯片必然涉及一個(gè)項(xiàng)目成本的問(wèn)題，它不但包括A/D轉(zhuǎn)換芯片自身的成本，還包括提供給芯片的電源的成本(通常要增加一組負(fù)電源提供給芯片)。如果系統(tǒng)對(duì)被測(cè)信號(hào)精度的要求不高，則可以通過(guò)如圖10.1所示的方式僅增加兩個(gè)電阻，便可使只能允許正電壓信號(hào)輸入的A/D芯片采集負(fù)電壓信號(hào)。圖10.1單極性AD實(shí)現(xiàn)雙極性信號(hào)的采集

4)抗干擾措施

一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端比較容易受到外界干擾，這往往會(huì)導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)化的結(jié)果與實(shí)際情況有一定的偏差。為防止這種干擾，應(yīng)在電路設(shè)計(jì)上采取一些基本的抗干擾措施，包括PCB布線設(shè)計(jì)、電源濾波等?，F(xiàn)在比較流行的一些模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC1543、TLC2543、TLC5510均有AGND、DGND兩個(gè)接地端，分別對(duì)應(yīng)模擬地和數(shù)字地。AGND、DGND在芯片的內(nèi)部一般不連接，只有通過(guò)外部引線相接。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，AGND、DGND線應(yīng)通過(guò)獨(dú)立的電源線單獨(dú)走線，可采用屏蔽良好的雙絞線，最后統(tǒng)一接到電源地。AGND、DGND應(yīng)當(dāng)分別用0.1μF的電容去耦，電容應(yīng)盡量靠近AGND和DGND引腳。同時(shí)，模擬輸入信號(hào)端、數(shù)字信號(hào)輸出端應(yīng)嚴(yán)格與AGND走線隔離，不得交叉，以防止AGND上的雜波信號(hào)對(duì)輸入、輸出端形成干擾。有條件的話，在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，AGND的走線最好放在模擬信號(hào)輸入端，以形成屏蔽。

另外，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)選擇A/D轉(zhuǎn)換器的通道數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器的數(shù)據(jù)接口。接口有并行、串行之分。串行總線可采用SPI、I2C等協(xié)議，但串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率一般都小于并行接口的A/D轉(zhuǎn)換器。10.1.2并行A/D轉(zhuǎn)換器及其軟硬件設(shè)計(jì)

1.?ADC0809的結(jié)構(gòu)

ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖如圖10.2所示。片內(nèi)有一帶鎖存功能的8通道多路開(kāi)關(guān)，可以對(duì)8路0V～5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)轉(zhuǎn)換。三個(gè)地址信號(hào)ADDA、ADDB和ADDC決定是哪一路模擬信號(hào)被選中并送到內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。片內(nèi)還有地址鎖存和譯碼器以及逐次逼近型寄存器等。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可以直接接到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。圖10.2ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2.引腳及其功能

ADC0809采用28引腳的DIP封裝，引腳圖如圖10.3所示。圖10.3ADC0809引腳圖

IN0～I(xiàn)N7：8個(gè)模擬通道輸入端。

Vr(+)、Vr(-)：參考電壓輸入端。

ADDA、ADDB、ADDC：通道地址輸入端，經(jīng)譯碼后可選通IN0～I(xiàn)N7八通道中的一個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，A為低位，C為高位。通道地址選擇如表10.2所示。表10.2ADC0809通道選擇表

3.工作時(shí)序

ADC0809的工作時(shí)序圖如圖10.4所示。圖10.4ADC0809的工作時(shí)序圖

4.?ADC0809與MCS-51單片機(jī)的接口

ADC0809與51單片機(jī)的接口電路圖如圖10.5所示。圖10.5ADC0809與51單片機(jī)的接口電路

5.?ADC0809軟件設(shè)計(jì)

ADC0809有8個(gè)模擬信號(hào)輸入端，其地址位由ADDA～ADDC確定，因此程序設(shè)計(jì)中，在啟動(dòng)ADC0809后，應(yīng)首先將被選擇的通道寫(xiě)入，然后查詢EOC的狀態(tài)。當(dāng)EOC為“0”電平時(shí)，讀取相應(yīng)的結(jié)果。

單片機(jī)可以采用定時(shí)、中斷和查詢3種方式來(lái)控制ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。圖10.6是對(duì)ADC0809操作的流程圖。根據(jù)流程圖得到的ADC0809與51單片機(jī)的接口程序見(jiàn)例10.1和例10.2。圖10.6ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的流程10.1.3SPI串行接口A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543

1.?SPI總線簡(jiǎn)介

SPI(SerialPeripheralInterface，串行外設(shè)接口)總線是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術(shù)，允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換，外圍設(shè)備包括FLASHRAM、A/D轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)控制器、MCU等，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來(lái)說(shuō)比I2C總線要快，可達(dá)到幾Mb/s。SPI是一種全雙工的同步串行接口，一個(gè)SPI總線可以連接多個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)。在同一時(shí)刻只允許一個(gè)主機(jī)操作總線，并且同時(shí)只能和一個(gè)從機(jī)通信。硬件連接如圖10.7所示。使用SPI通信需要4個(gè)引腳，其功能如表10.3所示。圖10.7SPI總線器件間傳送數(shù)據(jù)框圖表10.3SPI引腳功能

1.?TLC1543引腳及其功能

TLC1543是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的CMOS工藝10位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近型11通道A/D轉(zhuǎn)換器，采用SPI串行接口協(xié)議，與微處理器連接采用SPI串行總線方式，包括控制輸入端片選()、輸入/輸出時(shí)鐘(I/OCLOCK)、地址輸入(ADDRESS)和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出端(DATAOUT)。系統(tǒng)時(shí)鐘由芯片內(nèi)部產(chǎn)生，內(nèi)部轉(zhuǎn)換器具有高速(轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs)，高精度(分辨率為10位，最大不可調(diào)整誤差為±1LSB)和低噪聲的特點(diǎn)。TLC1543采用20腳DIP封裝，引腳排列如圖10.8所示。圖10.8TLC1543引腳圖

2.?TLC1543的工作時(shí)序

TLC1543工作時(shí)序如圖10.9所示。圖10.9TLC1543工作時(shí)序

3.?TLC1543與MCS-51單片機(jī)的接口

TLC1543與51單片機(jī)的接口電路如圖10.10所示。圖10.10TLC1543與51單片機(jī)的接口電路

4.軟件設(shè)計(jì)

由于MCS-51系列單片機(jī)不帶SPI串行總線接口，所以要使用軟件來(lái)模擬SPI的操作，可定義三個(gè)普通I/O口來(lái)模擬SPI器件的SCK、MISO、MOSI。TLC1543在SCK的上升沿輸入數(shù)據(jù)，在下降沿輸出數(shù)據(jù)，所以將其串行時(shí)鐘輸出口的初始狀態(tài)設(shè)置為1，而在允許接口后再置為0。這樣單片機(jī)在輸出1位SCK時(shí)鐘的同時(shí)輸出1位數(shù)據(jù)至單片機(jī)的模擬MISO線，此后再置SCK為1，使單片機(jī)從模擬的MOSI線輸出1位數(shù)據(jù)至串行接口芯片，從而完成了模擬1位數(shù)據(jù)的輸入/輸出。如此循環(huán)8次即可完成1次通過(guò)SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意區(qū)分表10.4給出的TLC1543的11個(gè)模擬輸入通道和3個(gè)內(nèi)部測(cè)試電壓地址，通道地址必須為寫(xiě)入字節(jié)的高四位，而CPU讀入的數(shù)據(jù)是上次A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。TLC1543SPI接口軟件設(shè)計(jì)流程如圖10.11所示。表10.4TLC1543地址表圖10.11TLC1543SPI接口軟件設(shè)計(jì)流程

2.硬件接口和PCB板設(shè)計(jì)

對(duì)于不具有SPI接口的MCS-51單片機(jī)，為了和TLC2543通信，需要用軟件來(lái)模擬SPI。圖10.14是TLC2543和MCS-51單片機(jī)的接口簡(jiǎn)圖，TLC2543的I/O時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、片選由P1.3、P1.1、P1.0提供，TLC2543的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)P1.2腳接收，通道選擇和方式數(shù)據(jù)通過(guò)P3口輸入到微控制器。圖10.14TLC2543和MCS-51單片機(jī)的接口電路

3.軟件設(shè)計(jì)

TLC2543與單片機(jī)的接口的C語(yǔ)言程序如下(函數(shù)uintread2543(ucharport)中的port為需要轉(zhuǎn)換的通道號(hào)，返回值為一個(gè)16位的整形數(shù)值)： 10.2單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器的接口

10.2.1概述

1.?D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

在進(jìn)行包含有D/A轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，要根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)選擇D/A芯片。下面介紹D/A轉(zhuǎn)換的主要性能指標(biāo)。

(1)分辨率：指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量，是數(shù)字量的最低有效位所對(duì)應(yīng)的模擬量，取決于輸入數(shù)字量的位數(shù)，定義為滿刻度與2n的比值。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來(lái)表示。

(2)轉(zhuǎn)換精度：指滿量程時(shí)DAC的實(shí)際模擬輸出值和理論值的接近程度。例如，滿量程時(shí)理論輸出電壓值為10V，實(shí)際輸出值在9.99V～10.01V之間，則其轉(zhuǎn)換精度為±10mV。DAC的轉(zhuǎn)換精度也可定義為分辨率的一半，即為±LSB/2。

(3)偏移量誤差：指輸入數(shù)字量為零時(shí)，輸出模擬量對(duì)零的偏移值。這種誤差通常可以通過(guò)DAC的外接VREF和電位計(jì)加以調(diào)整。

(4)線性度：指DAC的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線和理想直線之間的最大偏移差。線性度不應(yīng)超出±LSB。

(5)建立時(shí)間：是將一個(gè)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定模擬信號(hào)所需的時(shí)間，也可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)換時(shí)間。D/A轉(zhuǎn)換中常用建立時(shí)間來(lái)描述其速度，而不是A/D轉(zhuǎn)換中常用的轉(zhuǎn)換速率。一般地，電流輸出D/A轉(zhuǎn)換器建立時(shí)間較短，電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器建立時(shí)間則較長(zhǎng)。

2.?D/A轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)

按輸入數(shù)字量的位數(shù)，D/A轉(zhuǎn)換器可分為8位、10位、12位和16位等形式；按接口方式，D/A轉(zhuǎn)換器可分為并行方式和串行方式；按輸出形式，D/A轉(zhuǎn)換器可分為電流輸出和電壓輸出兩大類(lèi)，而電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器又分單極型和雙極型。常見(jiàn)的D/A轉(zhuǎn)換器有8位20引腳DIP封裝的DAC0830系列，包括DAC0830、DAC0831、DAC0832等，10位16引腳DIP封裝的DAC1020系列，包括DAC1020、DAC1021、DAC1022等，12位18引腳DIP封裝的DAC1220系列，包括DAC1220、DAC1221、DAC122等，采用SPI總線協(xié)議的TLC561、TLC5602、TLC5612、TLC5615等。10.2.2DAC0832與單片機(jī)的接口

DAC0832是8位分辨率的電流型D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。該芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs，數(shù)據(jù)輸入端具有雙緩沖功能，可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入，以便適于各種電路的需要，滿量程誤差為±1LSB，供電電源為+5V～+15V，功耗為20mW，其線性度只需在滿量程下調(diào)整，邏輯電平輸入與TTL兼容。

1.邏輯結(jié)構(gòu)

DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖10.15所示，主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。圖10.15DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2.引腳功能

DAC0832采用20引