第8章 AD和DA转换模块设计

1、 单片机应用系统中，外部设备不一定都是数字式的，也经常 会和模拟式的设备连接。例如，当用单片机来控制温度、压 力时，温度和压力都是连续变化的，都是模拟量，在单片机 与这类外部环境通信的时候，就需要有一种转换器来把模拟 信号转换为数字信号，以便能够输入单片机进行处理。而单 片机传出的控制信号，也必须经过变换变成模拟信号，才能 被模拟电路接受。这种变换器就成为模数（AD）、数模（ DA）转换器。本章将重点介绍A/D、D/A转换器接口，以及 相关应用。 8.1 串行A/DTLC1543接口电路设计 本节将介绍一种多通道串行A/D转换器TLC1543的功能特 点和工作过程，讨论了器件工作方式的选择，以

2、及器件的 工作时序，并给出了TLC1543的实际应用接口电路及软件 设计。 8.1.1 概述 TLC1543是由TI公司开发的开关电容式AD转换器，该芯 片具有如下的一些特点：10位精度、11通道、三种内建的 自测模式、提供EOC（转换完成）信号等。该芯片与单片 机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简 单。 TLC1543的引脚如图8-1所示。 A0A10是11路输入； Vcc和GND分别是电源引脚； REF+和REF-分别是参考电源的正负引脚，使用时一般将 REF-接到系统的地，达到一点接地的要求，以减少干扰； CS为片选端，如不需选片，可直接接地； I/O Clock是芯片的时

3、钟端； Adress是地址选择端； Data Out是数据输出端，这三根引脚分别接到CPU的三个I/O 端即可； EOC用于指示一次AD转换已完成，CPU可以读取数据，该 引脚是低电平有效，根据需要，该引脚可接入CPU的中断引 脚，一旦数据转换完成，向CPU提出中断请求；此外，也可 将该引脚接入一个普通的I/O引脚，CPU通过查询该引脚的状 态来了解当前的状态，甚至该引脚也可以不接，在CPU向 TLC154发出转换命令后，过一段固定的时间去读取数据即 可。 8.1.2 工作过程 TLC1543的工作过程分为两个周期：I/O周期和实际转换周期 。 1.I/O周期 一开始，CS为高，I/O CLO

4、CK和ADRESS被禁止以及为 DATAOUT高阻状态。当串行口使CS变低，开始转换过程， I/O CLOCK和ADRESS使能，并使DATAOUT端脱离高阻状 态。在I/O CLOCK的前4个脉冲上升沿，以MSB前导方式从 ADRESS口输入4位数据流到地址寄存器。这4位为模拟通道 地址，控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和3个内部自 测电压中（其选择格式见表8-1），选通一路送到采样保持 电路，该电路从第4个I/O CLOCK的下降沿开始对所选模拟 输入进行采样，采样一直持续6个I/O CLOCK周期，保持到 第10个I/O CLOCK的下降沿。 同时，串口也从DATAOUT端接收前一

5、次转换的结果。它以MSD前导方式 DATAOUT输出，但MSB出现在DATAOUT端的时刻取决于串行接口时序。 TLC1543可以用6种基本串行接口时序方式，这些方式取决于I/0 CLOCK 的速度与CS的工作，如表8-2所示。 表 8- 1 工作方式 方式 CS 时钟数 DATEOUT 端的 MSB 快 速 方 式 方式 1 转换周期时为高 10 CS 下降沿 方式 2 连续低 10 EOC 上升沿 方式 3 转换周期时为高 1116 CS 下降沿 方式 4 连续低 16 EOC 上升沿 慢方 速式 方式 5 转换周期时为高 1116 CS 下降沿 方式 6 连续低 16 第 16 个时钟下

6、降沿 所用串行时钟脉冲的数目也取决于工作的方式，从10个到16个不等，但要开始进行转 换，至少需要10个时钟脉冲。在第10个时钟的下降沿EOC输出变低，而当转换完成时 回到逻辑高电平。需要说明的是：如果I/0 CLOCK的传送多于10个时钟，在第10个时 钟的下降沿内部逻辑也将DATAOUT变低以保证剩下的各位的值是零。 2.转换周期 见前所述，转换开始于第4个I/O CLOCK的下降沿之后，片内转换器对采样值进行逐 次逼近式A/D转换，其工作由I/O CLOCK同步了的内部时钟控制。转换结果锁存在输 出数据寄存器中，待下一个I/O CLOCK周期输出。 8.1.3 工作时序 其工作过程分为两

7、个周期：访问周期和采样周期。工作状态由CS使能或禁止，工作时 CS必须置低电平。CS为高电平时，I/O CLOCK、ADDRESS被禁止，同时DATAOUT 为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据转换，I/O CLOCK、ADDRESS 使能，DATAOUT脱离高阻状态。随后，CPU向ADDRESS端提供4位通道地址，控制 14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1路送 到采样保 持电路。同时，I/O CLOCK端输入时钟时序，CPU从DATAOUT端接收前一次A/D转换 结果。I/O CLOCK从CPU接受10个时钟长度的时钟序列。前4个时钟用4位地

8、址从 ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后6个时钟 对模拟输入的采样提供控制时序。 模拟输入的采样起始于第4个I/O CLOCK的下降沿，而采样一直持 续6个I/O CLOCK周期，并一直保持到第10个I/O CLOCK的下降沿。转 换过程中，CS的下降沿使DATAOUT引脚脱离高阻状态并 起动一次I/O CLOCK的工作过程。CS的上升沿终止这个过程并在规定的延迟时间内 使DATAOUT引脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止I/O CLOCK和ADDRESS端。 图8- 2 TLC1543时序图 【例8-1】 利用开发板，模数转换芯片采用TLC1543，试编 写程序

9、，将设定数字量转换成模拟量，从数模转换端口可测 得电压值。原理图如图8-3所示。 图8- 3 例8-1原理图 完整源程序如下： /* 实验名称：数模转换 实验现象：从数模转换端口可测得电压值 */ #include #include /移位函数头文件 unsigned int a,b; /定义变量 sbit di=P37; /定义串行输入口 sbit clock=P36; /定义时钟位 sbit cs=P35; /定义片选位 /*/ /* 延时子程序 */ /*/ void delay(unsigned int z) unsigned int x,y; for(x=z;x0;x-) for(y

10、=114;y0;y-); void _nop_(); /空操作 较短延时 /*/ /* 主程序 */ /*/ void main() while(1) unsigned char i; cs=1; /初始化 clock=0; cs=0; di=1; for(i=12;i0;) /送数 i-; if(a else di=0; clock=1; _nop_(); /调用延时 _nop_(); clock=0; _nop_(); _nop_(); a=a1; cs=1; /送数完成 b=b+1000; /送入的数字量加1 a=b; delay(500); /* 实验名称：数模转换 实验现象：从数模转

11、换端口可测得电压值 */ #include #include /移位函数头文件 unsigned int a,b; /定义变量 sbit di=P37; /定义串行输入口 sbit clock=P36; /定义时钟位 sbit cs=P35; /定义片选位 /*/ /* 延时子程序 */ /*/ void delay(unsigned int z) unsigned int x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=114;y0;y-); void _nop_(); /空操作 较短延时 /*/ /* 主程序 */ /*/ void main() while(1) unsigned c

12、har i; cs=1; /初始化 clock=0; cs=0; di=1; for(i=12;i0;) /送数 i-; if(a else di=0; clock=1; _nop_(); /调用延时 _nop_(); clock=0; _nop_(); _nop_(); a=a1; cs=1; /送数完成 b=b+1000; /送入的数字量加1 a=b; delay(500); 实验现象如图8-4所示。 8.2 TLC5615接口电路设计 目前，数模转换器从接口上可分为两大类：并行接口数模转换 器和串行数模转换器并行接口数模转换器的引脚多、体积大， 占用单片机的口线多；而串行数模转换器可采用

13、TLC5615串行 模拟转换器产生可变基准电压来解决问题。 8.2.1 概述 TLC5615是一个串行10位DAC芯片, 性能比早期电流型输出的 DAC要好。只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串 行输入,易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机) 接口, 适用于电池供电的测试仪表、移动电话,也适用于数字失调与增 益调整以及工业控制场合。 8脚直插式TLC5615的引脚分布如图8-5所示,各引脚功能如下： DIN ,串行二进制数输入端; SCLK ,串行时钟输入端; CS ,芯片选择,低有效; DOUT ,用于级联的串行数据输出; AGND ,模拟地; REFIN ,基准电压输入端;

14、 OUT ,DAC 模拟电压输出端; VDD ,正电源电压端。 图8- 5 引脚排列 TLC5615 的工作原理的工作原理 TLC5615 的时序 TLC5615工作时序如图8-6所示。可以看出,只有当片选CS为低电平时, 串行输入 数据才能被移入16位移位寄存器。当CS为低电平时,在每一个SCLK时钟的上升 沿将DIN的一位数据移入16位移寄存器。注意, 二进制最高有效位被导前移入。 接着,CS的上升沿将16位移位寄存器的10位有效数据锁存于10位DAC寄存器, 供 DAC电路进行转换; 当片选CS为高电平时,串行输入数据不能被移入16位移位寄 存器。注意, CS的上升和下降都必须发生在SC

15、LK为低电平期间。 当片选CS为高电平时，串行输入数据DIN不能由时钟同步送入移位寄存 器；输出数据DOUT保持最近的数值不变而不进入高阻状态。由此要想 串行输入数据和输出数据必须满足两个条件：第一时钟SCLK的有效跳变 ；第二片选CS为低电平。这里，为了使时钟的内部馈通最小，当片选CS 为高电平时，输入时钟SCLK应当为低电平。 从图中可以看出,最大串行时钟速率为: f( sclk ) max =1/ tw( CH ) + tw( CS )14MHz 图8- 6 TLC5615 的时序图 2.两种工作方式 从内部功能分析，16 位移位寄存器分为高4位虚拟位、低2位 填充位以及10位有效位。在

16、单片TLC5615工作时, 只需要向 16位移位寄存器按先后输入10位有效位和低2位填充位, 2位 填充位数据任意,这是第一种方式,即12位数据序列。第二种 方式为级联方式, 即16位数据序列, 可以将本片的DOUT接到 下一片的DIN , 需要向16位移位寄存器按先后输入高4位虚拟 位、10位有效位和低2位填充位, 由于增加了高4位虚拟位, 所 以需要16个时钟脉冲。 无论工作在哪一种方式,输出电压为： VOUT = VREFIN N / 1024 其中, VREFIN是参考电压, N为输入的二进制数。 3.TLC5615 与AT89C52 单片机接口 硬件连接： AT89C52单片机的最大

17、优点是内部具有电擦除的8kB EPROM , 易于通过ALL 03等编程与擦除,而且具有低功耗等 特点。利用AT89C52 单片机的通用I/ O口( P1 口)TLC5615 构成的DAC电路如图8-7所示。分别用P1. 0 、P1. 2模拟时钟 SCLK和片选CS , 待转换的二进制数从P1. 1输出到TLC5615 的数据输入端DIN 。 图8- 7 硬件连接图 【例8-2】利用开发板，模数转换芯片采用TLC5615，编写 程序，用数码管显示A/D转换电压值，可通过对数据输入端赋 不同值改变模拟量的不同输入方法。原理图如图8-8所示。 图8- 8 例8-2原理图 完整源程序如下： /* 实

18、验名称：模数转换 程序说明：把J4,J29,J30用短路帽短接，J1要短接左端，用数码管显示AD转换电压值， 拧动电位器R17可以得到不同的电压值 可通过对数据输入端赋不同值改变模拟量的不同输入方法 */ #include #include unsigned char led=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8, 0 x80,0 x90,0 x88,0 x83, 0 xa7,0 xa1,0 x82,0 x8e;/数码管的字符数组 sbit P2_0=P20;/数码管的位选 sbit P2_1=P21;/数码管的位选 sbit P2_2

19、=P22;/数码管的位选 sbit P2_3=P23;/数码管的位选 sbit P0_7=P07;/小数点显示位 sbit cs=P13; /片选 sbit dout=P14; /数据输出端 sbit adin=P15; /数据输入端 sbit clock=P16; /时钟端 sbit eoc=P17; /检测端 sfr16 DPTR=0 x82; /定义16位特殊功能寄存器 便于调用数据来数码管显 示 unsigned char i; /定义变量 unsigned int a,b,r,s,n,m; /*/ /* 延时子程序 */ /*/ void delay(unsigned int z)

20、/1ms的延时程序 unsigned int x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=114;y0;y-); /*/ /* 延时子程序 */ /*/ void delay_2()/较短的延时程序 unsigned int y=300,x; while(y) for(x=2;x0;x-); y-; void _nop_(); /*/ /* 模数转换子程序 */ /*/ zcx() /有返回值子程序 cs=1; /初始化 clock=0; dout=1; adin=0; /模拟量输入端选择的第1位 cs=0; while(!eoc); /检测是否完成 _nop_(); _nop_();

21、 a=0; for(i=0;i10;) /开始读数据 i+; if(dout=0) /判断数据输出为0时存入寄存器a 并左移1位 if(i!=10) a=a1; if(dout=1) /判断数据输出为1时 取出该位数据存入寄存器a 并左移1位 a=a|0 x0001;/取出最低位的1 if(i!=10) a=a1; clock=1; _nop_(); clock=0; /数据读取完成，a中为读取的有效10位数字，且 在低位 b=a; b=b6; /读取的数右移6位，为取其高8位作准备 DPTR=b; if(i=1) adin=0; /模拟量输入端选择的第2位 if(i=2) adin=0; /

22、模拟量输入端选择的第3位 if(i=3) adin=1; /模拟量输入端选择的第4位 return(b); /*/ /* 显示子程序 */ /*/ void display() cs=1; _nop_(); delay(12); P2_1=0; /以下为数码管显示程序 r=DPH*50; r=r/255; r=r/10; P0=ledr; P0_7=0; delay_2(); P0=0 xff; P2_1=1; P2_0=0; s=DPH*50; s=s/255; s=s%10; P0=leds; delay_2(); P0=0 xff; P2_0=1; /*/ /* 主函数 */ /*/ v

23、oid main() zcx(); /调用模数转换子程序 display(); /调用显示子程序 8.2.3 并行数模转换DAC0832模拟 DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模 转换器。由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片 机接口。如图8-9所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关 、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器 输出的模拟量V0为： 图8- 9 型电阻网络D/A转换器 DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。属于该系列的芯片 还有DAC0830、DAC0831，它们可以相互代换。DAC0832主要特

24、性： 分辨率位； 电流建立时间S； 数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式； 输出电流线性度可在满量程下调节； 逻辑电平输入与TTL电平兼容； 单一电源供电（5V15V）； 低功耗，20m。 DAC0832引脚如图8-10所示，各引脚功能： DI0DI7，数据输入线，TLL电平； ILE，数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； CS，片选信号输入线，低电平有效； WR1，输入寄存器的写选通信号； XFER，数据传送控制信号输入线，低电平有效； WR2，DAC寄存器写选通输入线； Iout1，电流输出线，当输入全为1时Iout1最大； Iout2，电流输出线，其值与Iout1之和为一常数； R

25、fb，反馈信号输入线，芯片内部有反馈电阻； Vcc，电源输入线（+5V+15V）； Vref，基准电压输入线（-10V+10V）； AGND，模拟地，模拟信号和基准电源的参考地。 1.DAC0832时序 D0-D7数据加入后，在ILE=1，CS=0，WR1由低电平向高电平 转换时，数据被锁存在8位输入寄存器中。XFER和WR2同时为 0时，数据被加到变换寄存器上，开始产生模拟输出。 若XFER和WR2均接地，第二级锁存器总是导通的，而ILE接高 电平时，只要D0-D7写入一个数据，同时给CS和WR2送一个选 通脉冲，即可完成一次新的变换。 如果系统中接有多片DAC0832，且要求各片的输出模拟

26、量，在 一次新的变换中同时发生变化，即各片的输出量在同一时刻发 生变化，则可以分别利用CS、WR1和ILE信号将各路要变换的 数据送入各自的第一级输入寄存器中，然后在所有芯片的WR2 和XFER端同时加一个负脉冲，这样在WR2的上升沿，数据将 由各输入寄存器锁存到DAC寄存器中，从而实现多片的同时变 换输出。DAC0832时序如图8-11所示。 图8- 11 DAC0832时序图 2.DAC0832与80C52单片机的接口 常用DAC0832与单片机有三种基本的接口方法：即直通方式、单级缓冲器 连接方式和双级缓冲器连接方式。 (1)直通方式 当DAC0832芯片的片选信号、写信号、及传送控制信

27、号的引脚全部接地， 允许输入锁存信号ILE引脚接5V时，DAC0832芯片就处于直通工作方式， 数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。连接图如8-12所 示。 图8- 12 直通方式 (2)单缓冲工作方式 单缓冲工作方式适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求同步的系统 。 与单片机连接图如8-13所示。 (3)双缓冲工作方式 多路D/A转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器同步方式 。与单片机连接图 如8-14所示。 图8- 14 双缓冲工作方式 【例8-3】电路如图8-15所示，单片机采用AT89C52，编写 程序，模拟并行数模转换，实现输出的模拟量

28、不同可使小灯亮 度不同，电压表数值不断变化。 图8- 15 数模转换模拟电路图 完整源程序如下： /* 实验名称：仿真并行口 数模转换 实验现象：输出的模拟量不同可使小灯亮度不同 电压表数值不断变化 */ #include sbit wr=P36; /写入端位定义 sbit csda=P32; /片选端位定义 unsigned char code tab=0 xff,0 xf8,0 xf0,0 xe8,0 xe0,0 xd8,0 xd0,0 xc8,0 xc0,0 xb8; /定义输入 数字量数组 unsigned int aa,i; /变量定义 /* 赋初值子程序 */ void init(

29、) TMOD=0 x01; /设置定时器0模式 TH0=(65536-50000)/256; /赋初值 TL0=(65536-50000)%256; EA=1; /开总中断 ET0=1; /开定时器0中断 TR0=1; /开启定时器0 /* 主程序 */ void main() init(); /调用赋初值子程序 while(1) csda=0; /片选选定 wr=0; /写入条件 P0=tabi; /转换后的模拟量给P0口 /* 定时器0子程序 */ void timer0() interrupt 1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256;

30、 aa+; if(aa=20) /定时器计时1s aa=0; i=i+1; if(i=10) /扫描10次 i=0; /清零循环 8.2.4 ADC0804转换芯片 ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。分辨率8位 ，转换时间100s，输入电压范围为05V，增加某些外部电路后，输入模拟 电压可为 5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路 的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。 ADC0804芯片外引脚图如8-16所示。引脚名称及意义如下： AGND：模拟信号地。 DGND：数字信号地。 CLKIN：外电路提供时钟脉冲输入端 CL

31、KR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自 身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1RC。 CS：片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效，表明A/D转换器 被选中，可启动工作。WR：写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控 制芯片的启动输入端，低电平有效，当CS、WR同时为低电平时，启动转换 。 RD：读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时，可读 取转换输出数据。 INTR：转换结束输出信号，低电平有效。输出低电平表示本次转换 已完成。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。 ADC0804时序 当CS与WR同为低电平时，A/D转换被启动而在WR上升沿后100s模数 完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时INTR自动变为低电平，表示 本次转换已结束。如CS、RD同时来低电平，则数据