第11章 mcs-51单片机与ad、da接口

1,第11章 单片机与A/D、D/A接口,11.1 MCS-51与DAC的接口 11.2 MCS-51与ADC的接口 11.3 MCS-51与V/F的接口,2,第11章单片机与A/D、D/A转换器的接口,主要内容：A/D、D/A转换器及其接口技术。通过本章的学习，了解模拟输入/输出通道设计的基本原理和方法，掌握常用A/D、D/A芯片及其与MCS-51单片机的接口电路与程序设计。 重点和难点:不同方式的A/D、D/A芯片与MCS-51的接口及其程序设计。,3,11.1 MCS-51与D/A转换器的接口,数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。,例如：对于05V的直流电压，计算机用8位数字量描述,最小值（00000000）B = 0对应0V，最大值（11111111）B = 255 对应 5V，中间值（01111111）B = 127 对应2. 5V 等等。,D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。,比如收到（00111111）B ，应给出幅度为1.25V 的电压。,4,D/A转换原理,权电阻网络D/A转换器：,电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。,权电阻解码网络,求和集成运算放大器,基准参考电压,双向模拟开关 D1时接运放 D0时接地,5,D/A转换原理,6,D/A转换原理,设RF=R/2,7,对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式可写成:,输出的模拟电压正比于输入的数字量D，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,8,D/A转换器性能指标,（1）分辨率：指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，即相邻两个二进制码对应的输出电压之差称为D/A转换器的分辨率。,（2）精度：指D/A转换器的实际输出与理论值之间的误差，它以满量程的百分数或最低有效位的分数形式表示。 （3）转换时间：从D/A转换器输入的数字量发生变化开始，到其输出模拟量达到相应的稳定值所需要的时间。,9,并行输入D/A芯片及接口技术,并行输入D/A转换芯片DAC0832,DAC0832是NS公司生产的DAC0830系列产品中的一种8位CMOS数模转换芯片，其特点如下： 8位并行D/A转换； 片内二级数据锁存，提供数据输入双缓冲、单缓冲、直通三种工作方式； 电流输出型芯片(需外接运放) ,电流稳定时间为1s,只需在满量程下调整其线性度； 单电源（+5 V+15 V，典型值+5 V）供电； 具有双缓冲控制输出； 参考电压为-10+10V,10,DAC0832结构,11,DAC0832的输出电路,DAC0832的输出量是电流，而实际应用中常常需要的是模拟电压。在这种情况下，芯片的输出还需要有将电流转换为电压的电路。,Vout(D/2n)VREF,12,DAC0832的输出电路,13,DAC0832的输出电路,I1I20,14,DAC0832的输出电路,取 R2R32R1 得 Vout2(2Vout1VREF) 因 Vout1(D/28)VREF 故 Vout2(D27)/27VREF,设 VREF5V DFFH255时，最大输出电压： Vmax（255128）/1285V4.96V D00H时，最小输出电压： Vmin（0128）/1285V5V D80H128时，一个最低有效位电压： VLSB（128128/1285V0.00V,15,DAC0832与89C51接口,DAC0832可以有三种工作形式：直通、单缓冲、双缓冲。,16,1）单缓冲工作方式应用,DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于受控的锁存方式。,17, 产生锯齿波的程序,MOV R0，#0FEHMOV A，#00H LOOP: MOVX R0，AINC ANOPNOPSJMP LOOP；,18, 产生方波的程序,MOV R0，#0FEH LOOP:MOV A，#DATA1MOVX R0，AACALL DELAY1MOV A， #DATA2MOVX R0，AACALL DELAY2 AJMP LOOP,19,2） 双缓冲工作方式应用,在多路D/A转换的情况下，若要求同步转换输出，必须采用双缓冲方式。DAC0832采用双缓冲方式时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步进行的。第一， CPU分时向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中。第二，CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各路输入寄存器中的数据进入DAC寄存器，实现同步转换输出。,20,2）双缓冲工作方式应用,21,2）双缓冲工作方式应用,MOV DPTR，#0DFFFHMOV A，#data1MOVX DPTR，A MOV DPTR，#7FFFHMOV A，#data2MOVX DPTR，A MOV DPTR，#0BFFFHMOVX DPTR，A,22,11.2 A/D转换器及接口技术,计算机只能储存和处理二进制形式的数字量，凡遇到有模拟量的地方，就要进行模拟量向数字量转换，这就是模/数转换问题。将模拟量转换成数字量的过程称为A/D转换，与之有关的接口技术称为前向通道接口技术。因为在单片机应用系统中，常需要将检测到的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换成数字信号，才能输入到单片机中进行处理，然后再将处理结果的数字量转换成模拟量输出，实现对被控对象的控制。,23,24,A/D转换原理,逐次逼近型A/D转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的转换器件。,25,A/D转换原理,双积分A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，但转换速度低。,26,27,A/D转换器的性能指标,转换时间和转换速率,A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。,并行式转换时间最短约为110ns，速率为1001000M次/s（1M=106）；逐次比较式转换时间约为0.4s，速率为2.5M次/s。,28,A/D转换器的性能指标,(2) 分辨率,习惯用输出二进制位数或BCD码位数表示。例如AD574 A/D转换器，输出二进制12位，即用212个数进行量化，其分辨率为1LSB，用百分数表示1/212=0.24。,又如双积分式输出BCD 码的A/D转换器MC14433,其分辨率为三位半。若满字位为1999，用百分数表示其分辨率为1/1999100%=0.05%。,29,A/D转换器的性能指标,（3）转换精度,定义为一个实际ADC与一个理想ADC在量化值上的差值。可用绝对误差或相对误差表示。,30,A/D转换器的选择,（1）A/D转换器位数的确定,系统总精度涉及的环节较多：传感器变换精度、 信号预处理电路精度和A/D转换器及输出电路、控制机构精度，还包括软件控制算法。,A/D转换器的位数至少要比系统总精度要求的最低分辨率高1位，位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，太高无意义，且价高。,31,A/D转换器的选择,（2）A/D转换器转换速率的确定,从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是A/D转换器的转换时间。,低速：转换时间从几ms到几十ms 。,中速：逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几s100s左右。,高速：转换时间仅110ns。适用于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态纪录、视频数字转换系统等。,32,A/D转换器的选择,（2）A/D转换器转换速率的确定,如用转换时间为100s的集成A/D转换器，其转换速率为10千次/秒。根据采样定理和实际需要，一个周期的波形需采10个点，最高也只能处理1kHz的信号。把转换时间减小到10s，信号频率可提高到10kHz。,（3）是否加采样保持器,直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他情况都要加采样保持器。,33,A/D转换器的选择,（4）工作电压和基准电压,选择使用单一+5V工作电压的芯片，与单片机系统共用一个电源就比较方便。,34,逐次逼近式A/D转换器ADC0809,ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道、8位逐次逼近式A/D转换器。,35,ADC0809 A/D转换器芯片,36,ADC0809与MCS-51单片机接口,ADC0809与MCS-51连接可采用查询方式，也可采用中断方式。,首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX DPTR，A时，单片机的WR*信号有效，产生一个启动信号给0809的 START脚，对选中通道转换。,转换结束后，0809发出转换结束EOC信号，该信号 可供查询，也可作为向单片机发出的中断请求信号;当 执行指令：MOVX A，DPTR，单片机发出RD*信号,加到 OE端高电平，把转换完毕的数字量读到A中。,37,ADC0809与MCS-51单片机接口,38,MAIN: MOV R1，#data ;置数据区首地址MOV DPTR，#7FF8H ; 指向通道IN0MOV R7，#08H ;置转换的通道个数 LOOP: MOVX DPTR，A ;启动A/D转换MOV R6，#0AH ;软件延时，等待转换结束 DELAY: NOPNOPNOPDJNZ R6，DELAYMOVX A，DPTR ;读取转换结果MOV R1，A ;存储转换结果INC DPTR ;指向下一个通道INC R1 ;修改数据区指针DJNZ R7，LOOP ;8个通道全采样完否？未完则继续,39,8路巡回检测系统,【例】某粮库或某冷冻厂需对8点(8个冷冻室或8个粮仓)进行温度巡回检测。要求设计一个单片机巡回检测系统，使其能对各冷冻室或各粮仓的温度巡回检测并加以处理。设被测温度范围为-30+50，温度检测精度要求误差不大于1。,将读数依次存放在片外数据存储器30H37H单元。其采集程序和中断服务程序如下：,40,8路巡回检测系统,ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP INT0FORG 0100H MAIN：MOV R0,#30H ；数据暂存区首址SETB IT0 ；脉冲触发方式SETB EA ；开中断SETB EX0MOV DPTR，#7FF8H；指向0809首地址MOVX DPTR，A ；启动A/D转换 HERE：SJMP HERE ；等待中断,41,8路巡回检测系统,中断服务程序： INT0F:MOVX A，DPTR ；读数MOVX R0，A ；存数INC DPTR ；更新通道INC R0 ；更新暂存单元CJNE R0，#38H，NEXTMOV R0，#30H ；数据暂存区首址MOV DPTR，#7FF8H；指向0809首地址RETI NEXT:MOVX DPTR，ARETIEND,42,串行输出A/D转换器,串行输出的A/D芯片由于节省单片机的I/O口线，越来越多地被采用。如具有SPI三线接口的TLC1549、TLC1543、TLC2543、MAX187等，具有I2C接口PCF8591（4路8位A/D，还含1路8位D/A)等。,43,串行A/D MAX187/189,MAX187/189是MAXIM公司生产的具有SPI（Serial Peripheral Interface）总线接口的12位逐次逼近式（SAR）A/D转换芯片。特点如下： 12位逐次逼近式（SAR）串行A/D转换芯片； 转换速度为75 kHz，转换时间为8.5s； 输入模拟电压：05V； 单一+5 V供电； DIP8引脚封装，外接元件简单，使用方便。MAX187与MAX189的区别在于：MAX187具有内部基准，无需外部提供基准电压，MAX189则需外接电压基准。,44,串行A/D MAX187/189,45,MAX187/189与单片机接口,当CS输入低电平时，启动A/D转换，此时DOUT引脚输出低电平，当DOUT输出变高电平时，说明转换结束（在转换期间，SCLK不允许送入脉冲）。从SCLK引脚输入读出脉冲，SCLK每输入一个脉冲，DOUT引脚上输出一位数据，数据输出的顺序为先高位后低位，在SCLK信号的下降沿，数据改变，在SCLK的上升沿，数据稳定。SCLK信号为高电平期间从DOUT引脚上读数据。,46,MAX187/189与单片机接口,工作流程：清P1.7，启动MAX187开始A/D转换；读P1.5，等待转换结束；当P1.5变高，转换结束；从P1.6引脚发串行脉冲，从P1.5引脚逐位读取数据。注意：由于MCS-51单片机外接晶振最大不超过12 MHz，即便是执行一条单周期指令也需1 s，所以发送SCLK时无需延时。,47,MAX187/189与单片机接口,HIGH EQU 31H LOW EQU 30H ORG 1000H START: MOV HIGH, #00 MOV LOW, #00 ; 将转换结果单元清除CLR P1.6CLR P1.7 ; 启动A/D转换JNB P1.5, $ ; 等待转换结束,例题 如图上页图所