第11章 51单片机与DA、AD 转换器的接口

1、第第1111章章 5151单片机与单片机与D/AD/A、 A/D A/D 转换器的接口转换器的接口12 第第11章章 目录目录11.0 51单片机片外并行扩展单片机片外并行扩展（接口）结构（接口）结构11.1 AT89S51单片机与单片机与DAC的接口的接口 11.1.1 D/A转换器简介 11.1.2 AT89S51单片机与8位D/A转换器0832的接口设计11.2 AT89S51单片机与单片机与ADC的接口的接口 11.2.1 A/D转换器简介 11.2.2 AT89S51与逐次比较型8位A/D转换器ADC0809的接口 3 51单片机片外并行单片机片外并行扩展（接口）结构扩展（接口）结构

2、AT89S51单片机采用总线结构，扩展片外 ROM RAM I/O设备. 3图图11-1 AT89S51单片机的片外并行系统扩展结构单片机的片外并行系统扩展结构4并行系统扩展并行系统扩展主要包括存储器扩展存储器扩展和I/O接口部件扩展接口部件扩展。（1）程序存储器扩展、数据存储器扩展独立编址：）程序存储器扩展、数据存储器扩展独立编址：AT89S51单片机采用程序存储器空间和数据存储器空间分开的哈佛结构。扩展后，系统形成了两个并行的外部存储两个并行的外部存储器空间器空间。（2）I/O接口部件扩展与数据存储器扩展统一编址。接口部件扩展与数据存储器扩展统一编址。45系统扩展以AT89S51为核心，通

3、过总线把单片机与各扩展部件连接起来。进行系统扩展首先要构造首先要构造系统总线系统总线。（1）地址总线）地址总线（Address Bus，AB）：用于传送单片机发出发出的地址信号的地址信号，以便进行存储单元和I/O接口芯片中的寄存器单元的选择。（2）数据总线）数据总线（Data Bus，DB）：用于单片机与外部存储器之间或与I/O接口之间传送数据，数据总线是双向的双向的。（3）控制总线）控制总线（Control Bus，CB）：控制总线是单片机发出的各种控制信号线。61P0口作为低口作为低8位地址位地址/数据总线数据总线AT89S51受引脚数目限制，P0口口既用作低8位地址总线，又用作数据总线（

4、分时复用），因此需增加一个增加一个8位地址锁存器位地址锁存器。AT89S51访问外部扩展的存储器单元或I/O接口寄存器时：先发出低先发出低8位地址位地址送地址锁存器锁存，锁存器输出作为系统的低8位地址（A7 A0）。随后，P0口又作为数据总线口又作为数据总线口（D7 D0），如图图11-2所示所示。 2P2口的口线作为高位地址线口的口线作为高位地址线P2口用作系统的高高8位地址线位地址线，再加上地址锁存器提供的低8位地址，便形成了系统完整的16位地址总线。7单片机系统的片外扩展寻址范围达64KB。7 图图11-2 AT89C51单片机扩展的片外三总线单片机扩展的片外三总线83控制信号线控制信号

5、线除地址线和数据线外，还要有系统的控制总线。这些信号有的就是单片机引脚的第一功能信号，有的则是P3口第二功能信号。包括：（1） 作为外扩程序存储器外扩程序存储器的读选通读选通控制信号。（2） 和和 为外扩数据存储器外扩数据存储器和I/O的读、写选通控制信号。（3）ALE作为P0口发出的低8位地址锁存控制信号。（4） 为片内、片外程序存储器的选择控制信号。AT89S51的4个并行I/O口，如果用于片外系统并行扩展的需要，真正作为数字真正作为数字I/O用，就剩下用，就剩下P1和和P3的部分口线的部分口线了。8PSENRDWREA9A/D转换器（转换器（ADC） D/A转换器（转换器（DAC）用途）

6、用途A/D转换器（转换器（ADC）-将模拟量转换成数字量的器件将模拟量转换成数字量的器件用在单片机测控系统的前向通道中：被测量被测量的温度、压力、流量、速度等非电物理量非电物理量，须经传感器先转换成模拟电信号，再经A/D转换器转换器转换成数字量后，才能在单片机中用软件进行处理。D/A转换器（转换器（DAC）-将将数字量转换为模拟信号的器件转换为模拟信号的器件用在单片机测控系统的后向通道中。部分的单片机芯片内集成了D/A转换器；独立的独立的DAC芯片芯片设计者只需要合理的选用合适的芯片只需要合理的选用合适的芯片，了解它们的功能、引脚外特性以及与单片机的接口设计方法即可。10AT89S51单片机与

7、单片机与DAC的接口的接口选用D/A转换器时，注意D/A转换器选择转换器选择的几个问题:（1）D/A转换器的输出形式转换器的输出形式电压输出电压输出输入的是数字量，而输出为电压。电流输出电流输出对电流输出的D/A转换器，如需要模拟电压输出，可在其输出端加一个由运算放大器构成的I-V转换转换电路，将电流输出转换为电压输出。11（2）D/A转换器与单片机的接口形式转换器与单片机的接口形式早期采用8位数字量并行传输的并行接口目前，除并行接口外，带有串行口的串行口的D/A转换器品种也转换器品种也不断增多不断增多。通用的UART串行口、串行口、I2C串行口串行口和SPI串行口串行口等。122DAC主要技

8、术指标主要技术指标（1）分辨率）分辨率单片机输入给输入给D/A转换器的转换器的单位数字量单位数字量的变化的变化,所引起的模拟量所引起的模拟量输出的变化输出的变化.定义为定义为输出满刻度值输出满刻度值与2n之比（n为D/A转换器的二进制位数）。习惯上用输入数字量的二进制位数表示习惯上用输入数字量的二进制位数表示。位数越多，分辨率越高，即D/A转换器对输入量变化的敏感程度越高。13例例 8位的D/A转换器，若满量程输出为10V，求分辨率。根据定义，分辨率为：分辨率为：10V/2n=10V/256=39.1mV即输入的二进制数最低位的变化（常用符号1LSB表示），可引起输出的模拟电压变化39.1mV

9、，该值占满量程的0.391%。同理：10位D/A转换1 LSB = 9.77mV = 0.1%满量程12位D/A转换1 LSB = 2.44mV = 0.024%满量程16位D/A转换1 LSB = 0.076mV = 0.00076%满量程14（2）建立时间）建立时间描述D/A转换器转换快慢转换快慢的参数，用于表明转换速度表明转换速度。其值为从其值为从输入数字量到输出达到终值误差输入数字量到输出达到终值误差 (1/2)LSB时时所所需的时间需的时间。电流输出电流输出的转换时间较短；较短；电压输出电压输出的转换器，由于要加上完成I-V转换的运算放大器的延迟时间，转换时间要长一些转换时间要长一些

10、。快速D/A转换器的转换时间可控制在1s以下。15（3）转换精度）转换精度理想情况下，转换精度与分辨率基本一致，位数越多精度越高。实际，由于电源电压、基准电压、电阻、制造工艺等各种因素存在着误差。因此，转换精度与分辨率并不完全转换精度与分辨率并不完全一致一致。位数相同，分辨率则相同位数相同，分辨率则相同，但相同位数的不同转换器但相同位数的不同转换器转换转换精度精度会有所不同会有所不同。例如，例如，某种型号的8位DAC精度为0.19%，而另一种型号的8位DAC精度为0.05%。1651单片机单片机与与8位位D/A转换器转换器0832的接口设计的接口设计1DAC0832芯片介绍芯片介绍（1）DAC

11、0832的特性的特性美国国家半导体公司的DAC0832芯片，是具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与51单片机连接。17主要特性如下主要特性如下。 分辨率为分辨率为8位。位。 电流输出，建立时间为电流输出，建立时间为1 s。 可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入。可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入。 单一电源供电（单一电源供电（+5V+15V）。）。 低功耗，低功耗，20mW。（2）DAC0832的引脚及逻辑结构的引脚及逻辑结构引脚引脚如图图11-1所示，DAC0832的逻辑结构逻辑结构如图图11-2所示。1819图图11-1 DAC0832的引脚图的引脚图20图图11-2 DA

12、C0832的逻辑结构的逻辑结构21“8位输入寄存器位输入寄存器”用于存放单片机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由 加以控制；“8位位DAC寄存器寄存器”用于存放待转换的数字量，由 控制； LE12LE引脚功能：引脚功能：DI0DI7：8位数字信号输入端，位数字信号输入端，与单片机的数据总线与单片机的数据总线P0口相连口相连，用于接，用于接收单片机送来的待转换为模拟量的数字量。收单片机送来的待转换为模拟量的数字量。 ：片选端，当为低电平时，本芯片被选中。片选端，当为低电平时，本芯片被选中。ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效。数据锁存允许控制端，高电平有效。 22CS ：数据传送控制

13、，低电平有效。数据传送控制，低电平有效。 ：DAC寄存器写选通控制端，低电平有效。 =0， =0时，输入寄存器中待转换的数据传入8位DAC寄存器中。23XFER2WRXFER2WR：第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。WR1待转换的数据信号送到第一级待转换的数据信号送到第一级8位输入寄存器。位输入寄存器。0,1,10CSILEWRIOUT1：D/A转换器电流输出1端.输入数字量全为“1”时，IOUT1最大，输入数字量全为“0”时，IOUT1最小。IOUT2：D/A转换器电流输出2端，IOUT2 + IOUT1 = 常数。Rfb：外部反馈信号输入端，内

14、部已有反馈电阻Rfb，根据需要也可外接反馈电阻。VCC：电源输入端，在+5V+15V范围内。DGND：数字信号地。AGND：模拟信号地，最好与基准电压共地。24251单片机与单片机与DAC0832的接口电路设计的接口电路设计接口电路有单缓冲方式单缓冲方式或双缓冲方式双缓冲方式。（1）单缓冲方式）单缓冲方式DAC0832内部的两个数据缓冲器：两个数据缓冲器：一个一个处于处于直通直通方式方式，另一个另一个处于受控导通的锁存方式；锁存方式；两个两个输入寄存器同时受控导通的锁存方式锁存方式。单缓冲方式应用场合：只有一路模拟量输出，虽是多路模拟量输出但并不要求多路输出同步的情况下2526图图11-3 单

15、缓冲方式下单片机与单缓冲方式下单片机与DAC0832的接口电路的接口电路由P2.7提供，单片机执行如下两条指令就可使DAC0832接收AT89S51送来的数字量。MOVDPTR，#0XXX XXXX XXXX XXXXB；MOV A, #FEHMOVXDPTR，A；单片机的 和P2.7输出端有效27CSWR1【例例11-1】DAC0832用作波形发生器波形发生器。试根据图11-3，分别写出产生锯齿波锯齿波、三角波三角波和矩形波矩形波的程序。在图11-3中，运算放大器A输出端Vout，产生的模拟输出电压是单极性的。 锯齿波的产生锯齿波的产生 ORG2000HSTART： MOVDPTR，#7FF

16、FH；MOVA，#00H；数字量ALOOP：MOVX DPTR，A ；数字量D/A转换器 INCA ；数字量逐次加1SJMP LOOP28当输入数字量从输入数字量从0开始，逐次加开始，逐次加1进行进行D/A转换转换，模拟量与其成正比输出。当A = FFH时，再加1则溢出清0，模拟输出又为0，然后又重新重复上述过程，如此循环，输出的波形就是锯齿波，如图图11-4所示所示。每一上升斜边要分成256个小台阶个小台阶，每个小台阶暂留时间小台阶暂留时间为执行后三条指令所需要的时间后三条指令所需要的时间。因此 “INC A”指令后插入NOP指令或延时程序，则可改变锯齿波频率。2930图图11-4 DAC0

17、832产生的锯齿波输出产生的锯齿波输出 三角波的产生。三角波的产生。 ORG2000HSTART： MOVDPTR，#7FFFHMOVA，#00HUP： MOVX DPTR，A；产生三角波的上升边INCAJNZUPDOWN：DECA ；A=0时减1为FFH， 产生三角波的下降边MOVX DPTR，AJNZDOWN SJMPUP31 图图11-5 DAC0832产生的三角波输出产生的三角波输出32 矩形波的产生矩形波的产生 ORG2000HSTART： MOVDPTR，#7FFFHLOOP： MOVA，#data1 ；#data1为上限电平对应的数字量MOVX DPTR，A；置矩形波上限电平LC

18、ALL DELAY1；调用高电平延时程序MOV A，#data2 ；#data2为下限电平对应的数字量MOVX DPTR，A；置矩形波下限电平LCALL DELAY2；调用低电平延时程序SJMP LOOP；重复进行下一个周期33 图图11-6 DAC0832产生的矩形波输出产生的矩形波输出输出的矩形波如矩形波如图图11-6所示所示。 DELAY1、DELAY2为两个延时程序，分别决定输出的矩形波高、低电平时的持续宽度。矩形波频率也可用延时方法改变。343535图图11-4 单缓冲方式下单片机与单缓冲方式下单片机与DAC0832的接口电路的接口电路（2）双缓冲方式）双缓冲方式多路的多路的D/A转

19、换转换要求同步输出同步输出，必须采用双缓冲同步方式必须采用双缓冲同步方式。数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步分两步完成的：单片机必须通过 来分别锁存待转换的多路数字量，通过 来同时启动同时启动多路D/A转换。AT89S51单片机和DAC0832在双缓冲方式双缓冲方式下的连接如图图11-7所示。36LE1LE237对X-Y绘图仪的控制：X-Y绘图仪由X、Y两个方向的步进电机驱动，其中一个电机控制绘笔沿X方向运动；另一个电机控制绘笔沿Y方向运动。DAC输出的模拟电压模拟电压Vx和和Vy来控制来控制X-Y绘图仪绘图仪，把Vx和Vy分别加到X-Y绘图仪的X通道通道和Y通道通道。要求两路模拟信号要

20、同步输出同步输出，使绘制的曲线光滑。如果不同步输出如果不同步输出，例如先输出X通道通道的模拟电压，再输出Y通道通道的模拟电压，则绘图笔先向X方向移动，再向Y方向移动，此时绘制的曲线就是阶梯状的。曲线就是阶梯状的。373839 ORG2000HMOV DPTR, #1XXX XXXX XXXX XXX0B；MOV A, #DATAX；MOVX DPTR, AMOV DPTR, #1XXX XXXX XXXX XXX1B；MOV A, #DATAY；MOVX DPTR, AMOV DPTR, #0XXX XXXX XXXX XXXXBMOVX DPTR, A3940 图图11-8 单片机和两片单片

21、机和两片DAC0832的双缓冲方式接口电路的双缓冲方式接口电路由图11-7可见：可见：1#DAC0832因 和译码器FDH相连，占有FDH和FFH两个两个I/O端口地址：端口地址：FDH为1# DAC0832的数字量输入控制端口地址； FFH为启动1# DAC0832 D/A转换的端口地址2#DAC0832的两个端口地址为FEH和FFH。其中，FEH为为2#DAC0832的数字量输入控制端口地址，FFH为启动2#DAC0832 D/A转换的端口地址。CS【例例11-2】设AT89S51内部RAM中有两个长度为20的数据块，其起始地址起始地址为分别为addr1和addr2，根据图11-7，编写能

22、把addr1和addrr2中数据从1#和2#DAC0832同步输出的程序。程序中addr1和addr2中的数据，即为绘图仪所绘制曲线的x、y坐标点。由图11-7可知可知，DAC0832各端口地址各端口地址为为：FDH：1#DAC0832数字量输入控制端口FEH：2#DAC0832数字量输入控制端口FFH：1#和2#DAC0832启动D/A转换端口4211.2 51单片机与单片机与ADC的接口的接口11.2.1 A/D转换器简介转换器简介A/D转换器把模拟量模拟量转换转换成数字量成数字量，以便于单片机进行数据处理。431A/D转换器概述转换器概述目前单片的ADC芯片较多，对设计者来说，只需合理的

23、选择芯片即可。现在部分的单片机片内集成了部分的单片机片内集成了A/D转换转换器器，在片内A/D转换器不能满足需要时，还是需外扩。尽管A/D转换器的种类很多种类很多，但目前广泛应用在单片机应用系统中的主要有逐次比较型转换器逐次比较型转换器和双积分型转换双积分型转换器器， -式转换器式转换器44（1）逐次比较型）逐次比较型A/D转换器转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的最常用的A/D转换器转换器。（2）双积分型）双积分型A/D转换器转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，与逐次比较型A/D转换器相比，转换速度较慢。（3） - 式式ADC具有积分式与逐次比较型ADC的双重优点。它对

24、工业现场的串模干扰具有较强的抑制能力，不亚于双积分ADC，它比双积分ADC有较高的转换速度，与逐次比较型ADC相比，有较高的信噪比，分辨率高，线性度好，不需要采样保持电路。45A/D转换器按照输出数字量的格式分为并行和串行。按照输出数字量的格式分为并行和串行。（1）并行输出）并行输出A/D转换器：按照输出数字量的有效位数分为：按照输出数字量的有效位数分为：4位、位、8位、位、10位、位、12位、位、14位、位、16位并行二进制码输出位并行二进制码输出以及BCD码输出码输出的 3位半、4位半、5位半等多种。（2）串行输出A/D转换器带有带有同步同步SPI串行接口串行接口的的A/D转换器转换器。串

25、行输出的A/D转换器具有占用端口线少、使用方便、接口占用端口线少、使用方便、接口简单简单等优点。较为典型的串行较为典型的串行A/D转换器：转换器：美国美国TI公司公司的TLC549（8位）、TLC1549（10位）以及TLC1543（10位）和TLC2543（12位）。46A/D转换器按照转换速度可大致分为：转换器按照转换速度可大致分为：超高速超高速（转换时间1ns）高速高速（转换时间1s）中速中速（转换时间1ms）低速低速（转换时间1s）等几种不同转换速度的芯片。为适应系统集成的需要，有些转换器还将为适应系统集成的需要，有些转换器还将多路转换开关、多路转换开关、时钟电路、基准电压源、时钟电路

26、、基准电压源、二十进制译码器进制译码器和和转换电路转换电路集集成在一个芯片内成在一个芯片内，为用户提供方便。472A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1）分辨率）分辨率表明A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力，衡量A/D转换器能够分辨出的输入模拟量最小变化程度的技能够分辨出的输入模拟量最小变化程度的技术指标术指标。分辨率取决于A/D转换器的转换器的位数位数，习惯上用输出的二进制位数或BCD码位数表示。48例例1 A/D转换器AD1674的满量程输入电压为5V，可输出12位二进制数，即用212个数进行量化，求其分辨率。分辨率为分辨率为12位位A/D转换器能分辨出输入电压的最小差异为分

27、辨出输入电压的最小差异为1.22mV的变化：5V/212=1.22mV例例2 双积分型输出BCD 码的A/D转换器MC14433，其满量程输入电压为2V，其输出最大的十进制数为1999，分辨率为三位半（三位半（BCD 码），码），如果换算成二进制位数表示，其分辨率约为分辨率约为11位位，因为1999最接近于211=2048。4950（2）转换精度）转换精度定义为A/D转换器的实际输出与理想输出的偏差。可用绝对误差或相对误差表示。绝对误差：输出误差最大值，一般以最低有效位的倍数给出。相对误差：绝对误差相对于满量程输出的百分比。12LSB例 绝对误差表明A/D转换器实际输出数字量和理论上输出数字量

28、之间的误差小于最低有效位的半个字51（3）转换时间）转换时间/转换速率转换速率A/D完成一次转换所需要的时间所需要的时间。从发出启动转换信号直至获得稳定的数字量代码所需的时间。转换时间的倒数为转换速率。5251单片机单片机与逐次比较型与逐次比较型8位位A/D转换器转换器ADC0809的接口的接口531ADC0809结构及转换原理结构及转换原理结构如图图11-19所示所示。采用逐次比较法完成A/D转换，单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8选1模拟开关，由C、B、A的编码的编码来决定所选的通道所选的通道。完成一次转换需100 s左右左右（转换时间与CLK脚的时钟频率有关），具有输出TTL三态

29、锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。535454图图11-19 ADC0809结构框图结构框图552ADC0809引脚及功能引脚及功能逐次比较型8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器，其引脚如图图11-18所示所示。56图图11-18 ADC0809的引脚图的引脚图 共共28引脚，双列直插式封装引脚，双列直插式封装。引脚功能如下：n IN0IN7：8路模拟信号输入端。n D0D7：转换完毕的8位数字量输出端。n A、B、C与与ALE：控制8路模拟输入通道的切换。A、B、C三位编码对应三位编码对应8个通道地址端口个通道地址端口。C、B、A = 000111分别对应IN0IN7通道的地址。

30、各路模拟输入之间切换由软件改变C、B、A引脚的编码来实现。5758OE：为输出允许端，START：为启动信号输入端，CLK：为时钟信号输入端。VR（+）、）、VR（）：）：正、负正、负基准电压输入端。VCC: 电源电压，电源电压，+5+15V59引脚时序3AT89S51单片机与单片机与ADC0809的接口的接口如何控制如何控制ADC开始转换开始转换?如何得知转换结束如何得知转换结束?如何读入转换结果如何读入转换结果?60控制ADC0809过程如下：（1）用指令选择）用指令选择ADC0809的一个模拟输入通道的一个模拟输入通道， MOVX DPTR，A；单片机的 信号有效信号有效，从而产生一个启

31、动脉冲启动脉冲给ADC0809的START脚，开始对选对选中通道转换中通道转换。（2）当转换结束后转换结束后，ADC0809发出转换结束转换结束EOC（高电（高电平）信号平）信号，该信号可供单片机查询，也可反相后作为向单片机发出的中断请求信号；61WR62（3）单片机读取ADC的转换结果查询方式：查询方式：单片机把启动信号送到ADC之后，对ADC0809的EOC脚不断进行检测，以查询ADC变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。中断控制方式：中断控制方式： ADC0809转换结束，向单片机发出中断请求信号，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换完毕的数据。63（

32、3）单片机读取ADC的转换结果读入转换完毕的数据:MOVX A，DPTR；单片机发出读控制 信号，通过逻辑电路控制OE端为高电平，把转换完毕的数字量转换完毕的数字量读入到单片机的累加器读入到单片机的累加器A中。中。RD（1）查询方式）查询方式ADC0809与AT89S51的查询式接口查询式接口如图图11-20所示所示。6465图图11-20 ADC0809与与AT89S51查询式接口查询式接口基准电压：基准电压：提供给A/D转换器在转换时所需要的基准电压，保证转换精度的基本条件。基准电压要单独用高精度稳压电源供给基准电压要单独用高精度稳压电源供给，其电压的变化要电压的变化要小于小于1LSB。否

33、则当被变换的输入电压不变，而基准电压的变化大于1LSB，也会引起A/D转换器输出的数字量变化。66CLK：由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号ALE经经D触发器二分频后获得触发器二分频后获得，ALE引脚的频率是AT89S51单片机时钟频率的1/6（但要注意，每当访问外部数据存储器时，将少一个ALE脉冲）。如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE引脚的输出频率为1MHz，再二分频后为二分频后为500kHz，符合ADC0809对时钟频率的要求。也可采用独立的时钟源输出独立的时钟源输出，直接加到ADC的CLK脚。6768数据输出引脚数据输出引脚D0D7：由于由于ADC0809具有输出三态锁存器，其具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚位数据输出引脚D0D7可直接与单片机的可直接与单片机的P0口相连。口相连。地址