测控接口技术

1、 单片机系统中主要的应用领域是在实时测控、智能化仪表以及自动单片机系统中主要的应用领域是在实时测控、智能化仪表以及自动控制等方面，而在这些应用系统除数字量之外还会遇到另一种物理量，控制等方面，而在这些应用系统除数字量之外还会遇到另一种物理量，即模拟量。例如：温度、速度、电压、电流、压力等，它们都是连续变即模拟量。例如：温度、速度、电压、电流、压力等，它们都是连续变化的物理量。由于单片机只能处理数字量，因此在单片机系统中检测的化的物理量。由于单片机只能处理数字量，因此在单片机系统中检测的信号为模拟量的就需要将模拟量转换为数字量输入，这样单片机才能对信号为模拟量的就需要将模拟量转换为数字量输入，这

2、样单片机才能对其进行处理。然后再将处理结果的数字量转换为模拟量输出，实现对被其进行处理。然后再将处理结果的数字量转换为模拟量输出，实现对被控对象（过程或仪器仪表机电设备、装置）的控制。因此就出现了单片控对象（过程或仪器仪表机电设备、装置）的控制。因此就出现了单片机的数机的数/模（模（D/A）和模）和模/数（数（A/D）转换的接口问题。）转换的接口问题。 第4章 测控接口技术第4章 测控接口技术A/D转换接口与应用转换接口与应用1. D/A 转换接口与应用转换接口与应用A/D转换接口与应用转换接口与应用 A/D转换器概述转换器概述 A/D转换器的选择转换器的选择 常用常用A/D转换器接口芯片转换

3、器接口芯片ADC0809 实践与思考实践与思考实现模拟量变换为数字量的器件称为模数转换器（ADC）简称A/D转换器。 A/D转换器在单片机控制系统中主要用于数据采集，向单片机提供被控对象的各种实时参数 。A/D转换器概述转换器概述 A/D转换器分类转换器分类 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 A/D转换器分类转换器分类双积分式A/D转换器的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜；但转换速度较慢，因此这种转换器主要用于速度要求不高的场合。逐次逼近式A/D转换器，转换速度较快、精度较高，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。压频变换式（V

4、/F）A/D转换器的电路简单，对外围器件要求不高，适应环境能力强，转换速度可与双积分式A/D 相比，且价格低。双积分式双积分式A/D转换器转换器 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 压频变换式压频变换式A/D转换器转换器 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 双积分式双积分式A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 逐次逼近式逐次逼近式A/D 转换器的工作原理转换器的工作原理 压频（压频（V/F）变换式）变换式A/D转换器原理转换器原理 工作原理框图如下：工作原理框图如下：开始开始积积分分输输出出固定积分时间固定积分时间T1tT2斜率固定斜率固定BABU UININ控制逻辑控制逻辑A计数器

5、计数器标准标准电压电压时钟时钟开关开关模拟输模拟输积分器积分器比较器比较器入电压入电压双积分式双积分式 A/D 转换器原理转换器原理双积分式双积分式 A/D 转换器原理转换器原理在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压VIN 在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。由图所示的积分器波形可以看出：反向积分的斜率是固定的， VIN越大，积分器的输出电压就越大，反向积分时间就越

6、长。计数器在反向积分时间内的计数值就是输入电压VIN在时间T 内的平均值对应的数字量。由于这种A/D要经历正、反两次积分，故转换速度较慢。常用的双积分A/D转换集成电路有MC14433、ICL7135等。逐位逼近式逐位逼近式A/D转换原理转换原理工作原理框图如下：工作原理框图如下：逐位逼近式逐位逼近式A/D转换原理转换原理控制逻辑先置1结果寄存器最高位Dn1，然后经D/A转换得到一个占整个量程1/2的模拟电压VS，比较器将VS和模拟输入量VX比较，若VXVS则保留Dn1（为1），否则Dn-1清零位。然后控制逻辑置1结果寄存器次高位Dn2，连同Dn1一起送D/A转换，得到的VS再和VX比较，以决

7、定Dn2位保留为1还是清零，依次类推。最后D0连同前面的Dn1，Dn2，D1一起送D/A 转换，转换得到的结果VS和VX比较，决定D0保留为1还是清零。至此，结果寄存器的状态便是与输入的模拟量VX对应的数字量。常用逐次逼近式A/D器件有ADC0809、ADC0816、ADC1210、AD574等。压频（压频（V/F）变换式）变换式A/D转换器原理转换器原理 工作原理框图如下：工作原理框图如下：同时启动计数器与定时器，计数器将V/F输出的频率信号作为计数脉冲，定时器用基准频率作为定时脉冲，当定时结束时，定时器输出信号使计数器停止计数，这样计数器的计数值与频率之间的关系为f =D/T 式中：D是计

8、数值，T是计数时间，只要知道计数值D及计数时间T就能算出频率f，并根据频率计算出模拟电压。A/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：即输出的数字量变化一个LSB（数字量的最低有效位）值的输入模拟量的变化值。（2）量程误差：即输出全为1 时输入的电压与理想输入量之差。（3）转换速率：完成一次A/D 采样的时间。（4）转换精度：实际A/D 结果与理想值之差。（5）与CPU 之间的接口方式：有并行接口方式和串行接口方式。 A/D转换器的选择转换器的选择 1. A/D转换器转换位数的确定转换器转换位数的确定A/D转换器转换位数的确定与整个测量系统所要测量控制的范围和精度有关，但又不

9、能唯一确定系统的精度。 2. A/D转换器转换速率的确定转换器转换速率的确定 通常积分型、电荷平衡型和跟踪比较型A/D转换器转换速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，只能构成低速A/D转换器，一般用于对缓慢变化参量的检测和控制。逐次逼近式A/D转换器的转换时间可以从几s到100s左右，属于中速A/D转换器，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数字转换系统等。双极型或CMOS工艺制造的全并行、串并行型和电压转移函数型的A/D转换器属于高速A/D转换器，转换时间仅为20100ns之间，适用于雷达、数字通信、实时光谱分析等系统。 A/D转换器的选择转换器的选择 3. 采样保持器的确定采样保持器的

10、确定原则上直流和变化非常缓慢的信号可以不采样保持器，其他情况都要采样保持器。分辨率、转换时间、信号带宽可作为是否要采用保持器的参考。4. 基准电压基准电压提供给A/D转换器在转换时所需的参考电压，是保证转换精度的基本条件。 5. A/D转换器量程引脚转换器量程引脚 A/D转换器的模拟量输入有时需要的是双极性的，有时是单极性的。输入信号最小值有从零开始的，也有从非零开始的。有的A/D转换器提供了不同量程的引脚，只有正确使用，才能保证转换精度。常用常用A/D转换器接口芯片转换器接口芯片ADC0809 ADC0809是典型的是典型的8位位8通道逐次逼近式通道逐次逼近式A/D转换器，转换器，CMOS工

11、艺。可实现工艺。可实现8路模拟信号的分时采集，片内有路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为存用译码电路，其转换时间为100 s左右。左右。 ADC0809的内部逻辑结构的内部逻辑结构 信号引脚信号引脚 MCS-51单片机与单片机与ADC0809接口接口 应用程序应用程序ADC0809的内部逻辑结构的内部逻辑结构 信号引脚信号引脚 各引脚功能如下：各引脚功能如下： C CB BA A选中通道选中通道0 00 00 0IN0IN00 00 01 1IN1IN10 01 10 0IN2IN20 01 11 1I

12、N3IN31 10 00 0IN4IN41 10 01 1IN5IN51 11 10 0IN6IN61 11 11 1IN7IN7IN0IN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。A、B、C：3位地址线即模拟量通道选择线。ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择见上表所示。信号引脚信号引脚ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。上升沿时锁存3位通道选择信号。START：启动A/D转换信号，输入，高电平有效。上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。EOC：转换结束信号，输出，高电平有效。OE：输出允许信号，输入，高电平有效。该信号用来打开三态输出缓冲器，

13、将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。D0D7：8位数字量输出。D0为最低位，D7为最高位。由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。CLOCK：外部时钟脉冲输入端。当脉冲频率为640kHz时，A/D转换时间为100s。VR+，VR-：基准电压源正、负端。取决于被转换的模拟电压范围，通常VR+ = 5V DC，VR- = 0V DC。Vcc：工作电源， 5VDC。GND：电源地。MCS-51单片机与单片机与ADC0809接口接口电路连接主要涉及两个问题：1. 8路模拟信号通道选择；2. A/D转换完成后转换数据的传送。8路模拟信号通道选择路模拟信号通道选择 A、B、C分别接地址锁存器

14、提供的低三位地址，只要把3位地址写入ADC 0809的地址锁存器中，就实现了模拟信号通道选择。对系统来说，地址锁存器是一个输出口，为了把3位地址写入，还要提供端口地址。图中使用的是线选法，口地址由P2.0确定，ADC0809的通道地址确定如下： 若无关位都取0，则8路通道IN0IN7的地址分别为0000H0007H。启动图中的ADC0809进行转换只需要下面的指令（以通道0为例）： MOV DPTR，#0000H ；选中通道0MOVX DPTR，A ；信号有效，启动转换转换数据的传送转换数据的传送 1. 定时传送方式。对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知且固定的。例如ADC

15、0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用这个延时子程序，延迟时间一到，转换已经完成了，接着就可进行数据传送。2. 查询方式。A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，软件测试EOC的状态，即可确知转换是否完成，然后进行数据传送。3. 中断方式。把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。可采用下述可采用下述3种方式种方式 ：图中，EOC信号经过反相器后送到单片机的，因此可以采用查询该引脚或中断的方式进行转换后数据的传送。 MOV

16、 DPTR，#0000H ；选中通道0MOVX A， DPTR， ；信号有效，输出转换后的数据到A累加器 应用程序应用程序 1. 程序功能 根据图中的电路图，设计一个8路模拟量输入的巡回检测系统，采样数据依次存放在片内RAM 78H7FH单元中。2.程序清单 实践与思考实践与思考采用软件延时等待方式采集图中的模拟信号，并将转换结果存入8051片内RAM的40H单元中，设定单片机的晶振频率为6MHz。 D/A 转换接口与应用转换接口与应用 D/A 转换器分类转换器分类 D/A 转换器的基本原理转换器的基本原理 D/A 转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 D/A 转换器的选择转换器的选择 常

17、用常用D/A转换器接口芯片转换器接口芯片DAC0832 实践与思考实践与思考实现数字量变换为模拟量的器件称为数模转换器（实现数字量变换为模拟量的器件称为数模转换器（DAC），简称），简称D/A转换器。转换器。 D/A转换器用于模拟控制，通过机械或电气手段对被控对象进行调整和控制。转换器用于模拟控制，通过机械或电气手段对被控对象进行调整和控制。 D/A 转换器分类转换器分类 按照工作原理，按照工作原理，D/A转换器可分成两大类：转换器可分成两大类：1.直接D/A转换器直接将输入的数字量转换为输出的模拟量；通常由一组权电阻网络或是梯形电阻网络与一组控制开关组成。 2.间接D/A转换器将输入的数字量

18、转换为某种中间量，然后再把这种中间量转换为输出的模拟量。很少使用。按输入端的结构可以分为两种：按输入端的结构可以分为两种：1.输入端带有数据锁存器，这种D/A转换器的数据线可以直接和单片机的数据总线相接；2.端不带数据锁存器，这时需要另配数据寄存器。 D/A 转换器的基本原理转换器的基本原理 现以现以 4 位位 D/A 转换器为例说明其工作原理，如图所示。转换器为例说明其工作原理，如图所示。+A-数数字字量量输输入入TUOV基基准准电电压压关关开开换换切切位位RR2R2R2R2R2RFERVbfR1SB2SB3SB0SB1DR-2R电阻网络 图图 3-2 D/A 转换器原理框图R2D3D0D运

19、运算算放放大大器器3I1I0I2I10101010IOUTIRfbD/A 转换器的基本原理转换器的基本原理假设假设D3、D2、D1、D0全为全为1，则，则BS3、BS2、BS1、BS0全部与全部与“1”端端相连。根据电流定律，有：相连。根据电流定律，有：RVII4REF232222RVII4REF121222RVII4REF010222RVRVI4REF3REF3222由于开关由于开关 BS3 BS0 的状态是受要转换的二进制数的状态是受要转换的二进制数 D3、D2、D1、D0 控制的，并不一定全是控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通式：。因此，可以得到通式：00112233OUTID

20、IDIDIDIRVDDDDI4REF00112233OUT2)2222(D/A 转换器的基本原理转换器的基本原理考虑到放大器反相端为虚地，故：考虑到放大器反相端为虚地，故：OUTRfbII选取选取 Rfb = R ，可以得到：，可以得到：4REF00112233RFOUT2)2222(VDDDDRIVf对于对于 n 位位 D/A 转换器，它的输出电压转换器，它的输出电压VOUT与输入二进制数与输入二进制数B( Dn-1 D0) 的关系式可写成：的关系式可写成：nnnnnVDDDDV2)2222(REF00112211OUT nVB2REF 结论：结论：D/A 转换过程主要由解码网络实现，而且是

21、并行工作的。这种转换方转换过程主要由解码网络实现，而且是并行工作的。这种转换方式的速度快，一般为微秒级，有的可达几十纳秒。输出电压除了与输入的二式的速度快，一般为微秒级，有的可达几十纳秒。输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻 Rfb以及基准电压以及基准电压VREF有关。有关。D/A 转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用D/A芯片型号芯片型号的依据。下面介绍几个与接口有关的技术性能指标。的依据。下面介绍几个与接口有关的技术性能指标。

22、 分辨率分辨率 建立时间建立时间 接口形式接口形式分辨率分辨率 分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n，则D/A转换器的分辨率为2n。这就意味着数/模转换器能对满刻度的2n输入量做出反应。例如8位数的分辨率为1/256，10位数的分辨率为1/1024等。因此数字量位数越多，分辨率也就越高，亦即转换器对输入量变化的敏感程度也就越高。使用时，应根据分辨率的需要来选定转换器的位数。DAC常可分为8位、10位、12位三种。建立时间建立时间 建立时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出达到终值误差（1/2）LSB（最低有效位）

23、时所需的时间。通常以建立时间来表示转换速度。转换器的输出形式为电流时建立时间较短；而输出形式为电压时，由于建立时间还要加上运算放大器的延迟时间，因此建立时间要长一点。但总的来说，D/A转换速度远高于A/D转换速度，例如快速的D/A转换器的建立时间可达1s。接口形式接口形式 D/A转换器与单片机接口方便与否，主要决定于转换器本身是否带数据锁存器。总的来说有两类D/A转换器，一类是不带锁存器的，另一类是带锁存器的。对于不带锁存器的D/A转换器，为了保存来自单片机的转换数据，接口时要另加锁存器，因此这类转换器必须在口线上；而带锁存器的D/A转换器，可以把它看做是一个输出口，因此可直接在数据总线上，而

24、不需另加锁存器。 D/A 转换器的选择转换器的选择 选择选择D/A转换芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上转换芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足必须满足D/A转换的技术要求；在结构和应用特性上应满足接口方便、外转换的技术要求；在结构和应用特性上应满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。围电路简单、价格低廉等要求。1. D/A转换芯片主要性能指标的选择转换芯片主要性能指标的选择在D/A接口及设计的实际应用中，用户在选择时主要考虑的是用位数（8位、12位）表示的转换精度和转换时间。D/A 转换器的选择转换器的选择2. D/A转换芯片的主要结构特性和应用

25、特性的选择转换芯片的主要结构特性和应用特性的选择（1）数字输入特性。数字输入特性包括接收数据的码制、数据格式和逻辑电平。（2）数字输出特性。对于输出特性具有电流源性质的D/A转换器，只要输出端的电压小于输出电压允许范围，输出电流和输入数字之间保持正确的转换关系，而与输出端的电压大小无关。对于输出特性为非电流源特性的D/A转换器，无输出电压允许范围指标，电流输出端应保持公共端电位或虚地，否则将破坏其转换关系。（3）锁存特性及转换控制。如果D/A转换器没有输入锁存器，与CPU数据总线连接时必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的I/O口输出数字量给D/A转换器。（4）参考电压源。对接口电路的

26、工作性能、电路的结构有很大的影响。使用内部带有低漂移精密参考电压源的D/A转换器不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。常用常用D/A转换器接口芯片转换器接口芯片DAC0832 DAC0832是一个是一个8位位D/A转换器，单电源供电，从转换器，单电源供电，从+5+15V均可正常工作。基均可正常工作。基准电压的范围为准电压的范围为10V，电流建立时间为，电流建立时间为1 s，CMOS工艺，低功耗工艺，低功耗20mW。1.引脚与结构引脚与结构 DAC0832 内部结构框图 DAC0832引脚图 常用常用D/A转换器接口芯片转换器接口芯片DAC0832 1.引脚与结构引脚与结构 （1）D

27、I7DI0：转换数据输入。（2） ：片选信号（输入），低电平有效。（3）ILE：数据锁存允许信号（输入），高电平有效。（4） ：第1写信号（输入），低电平有效。（5） ：第2写信号（输入），低电平有效。（6） ：数据传送控制信号（输入），低电平有效。上述两个信号控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；当 和 时，为DAC寄存器直通方式；当 和 时，为DAC寄存器锁存方式。CSXFER1WR2WR02 WR12 WR0XFER0XFER常用常用D/A转换器接口芯片转换器接口芯片DAC0832（7）Iout1：电流输出1。（8）Iout2：电流输出2。（9）Rfb：反馈电阻端。（10）Vr

28、ef：基准电压，其电压可正可负,范围10+10V。（11）DGND：数字地。（12）AGND：模拟地。1.引脚与结构引脚与结构 DAC0832的工作方式的工作方式 单缓冲方式的接口与应用单缓冲方式的接口与应用 双缓冲方式的接口与应用双缓冲方式的接口与应用 单缓冲方式的接口与应用单缓冲方式的接口与应用 （1）单缓冲方式连接）单缓冲方式连接 所谓单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。DAC 0832 单缓冲方式接口图为两个输入寄存器同时受控的连接方法，两个寄存器的地址相同。 单缓冲方式的接口与应用单缓冲方

29、式的接口与应用DAC 0832 单缓冲方式接口图中一个寄存器处于直通方式。另一个寄存器处于受控锁存方式。 应用程序应用程序 D/A转换产生的锯齿波 1、 程序功能。对上图所示电路进行编程，产生锯齿波。图中的DAC0832工作于单缓冲方式，其中输入寄存器受控，而DAC寄存器直通。2、程序清单。假定输入寄存器地址为7FFFH，产生锯齿波的源程序清单如下：ORG 0200HDASAW: MOV DPTR，#7FFFH ;输入寄存器地址,假定P2.7接 MOV A，#00H ;转换初值 WW: MOVX DPTR，A ;D/A转换 INC A NOP ;延时 NOP NOP AJMP WW执行上述程序，在运算放大器的输出端就能得到如右图所示的波形图。 双缓冲方式的接口与应用双缓冲方式的接口与应用 所谓双缓冲方式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。双缓冲DAC0832的连接如图所示。为了实现寄存器的可控，应当给寄存器分配一个地址，以便能按地址进行操作。假定输入寄存器地址为FEH，DAC寄存器地址为F