第十一章 模拟量输入输出通道-卓越

1、第十一章 模拟量输入/输出通道11.1 MCS-51与DAC的接口 11.2 MCS-51与ADC的接口 内容提要 非电物理量（温度、压力、流量、速度等），须经 传感器转换成模拟电信号（电压或电流），必须转 换成数字量，才能在单片机中处理。 A/D转换器（ADC）：模拟量数字量的器件； D/A转换器（DAC）：数字量模拟量的器件。 数字量，也常常需要转换为模拟信号。第十一章 模拟量输入/输出通道1. D/A转换器概述11.1 MCS-51与DAC的接口 1) 概述 输入：数字量 输出：模拟量。 转换过程：送到DAC的各位二进制数按其权的大小 转换为相应的模拟分量，再把各模拟分 量叠加，其和就是

2、D/A转换的结果。 使用D/A转换器时，要注意区分:* D/A转换器的输出形式; * 内部是否带有锁存器。(1) 输出形式 电压输出形式 电流输出形式11.1 MCS-51与DAC的接口 (2) D/A转换器内部是否带有锁存器* 内部无锁存器的D/A转换器需增加锁存器，然后与单片机的I/O口相连* 内部带有锁存器的D/A转换器 内部不但有锁存器，还包括地址译码电路，有的还有双重或多重的数据缓冲电路，可与MCS-51的I/O口直接相接。2) 主要技术指标(1) 分辨率输入给DAC的单位数字量变化引起的模拟量输出的变化，通常定义为输出满刻度值与2n之比。 例如：若满量程为10V，根据定义则分辨率为

3、10V/2n。 设8位D/A转换，即n=8，分辨率为10V/2n =39.1mV，该值占满量程的0.391%，用 1LSB(最低有效位)表示。 根据对DAC分辨率的需要，来选定DAC的位数。 11.1 MCS-51与DAC的接口 二进制位数越多，分辨率越高。(2) 建立时间描述DAC转换快慢的参数,表明转换速度。定义：为从输入数字量到输出达到终值误差 (1/2)LSB (最低有效位)时所需的时间。(3）精度理想情况，精度与分辨率基本一致，位数越多精度越高。但由于电源电压、参考电压、电阻等各种因素存在着误差，精度与分辨率并不完全一致。 位数相同，分辨率则相同 但相同位数的不同转换器精度会有所不同

4、。11.1 MCS-51与DAC的接口 电流输出时间较短，电压输出的，加上I-V转换的时 间，因此建立时间要长一些。快速DAC可达1s以下。2. MCS-51与8位DAC0832的接口1) DAC0832芯片介绍(1) DAC0832的特性具有两个输入数据寄存器的8位DAC，能直接与MCS-51单片机相连。主要特性如下： * 分辨率为8位； * 电流输出，稳定时间为1s； * 可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入； * 单一电源供电（+5+15V）；11.1 MCS-51与DAC的接口 （2）DAC0832的引脚及逻辑结构11.1 MCS-51与DAC的接口 引脚引脚功能：DI0DI7：8位

5、数字信号输入端/CS： 片选端。ILE： 数据锁存允许控制端，高电平有效。/WR1：输入寄存器写选通控制端。/XFER：数据传送控制。/WR2：DAC寄存器写选通控制端。IOUT1：电流输出1端，输入数字量全“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，可在+5V+15V范围内。DGND：数字信号地。AGND：模拟信号地。逻辑结构缓冲和锁存输入数字量存放待转换的数字量由T型电阻网络和电子开关组成，T型电

6、阻网络输出和数字量成正比的模拟电流。LE1或LE2=1，当前寄存器的输出跟随输入LE1或LE2=0，锁存数据三种工作形式：直通、单缓冲、双缓冲2) DAC的应用接口与DAC的具体应用有关。(1) 单极性电压输出输出电压Vout与输入数字量B的关系: Vout = （B/256）*VRFE 式中，B=b727+ b626+ b121+ b020；B为0时，Vout也为0，输入数字量为255时，Vout为最大值，单极性。 11.1 MCS-51与DAC的接口 Vout =（B128）*（VREF/128）在选用+VREF时，若输入数字量b71，则Vout为正； 若输入数字量b70，则Vout为负。

7、 在选用-VREF时，Vout与+VREF时极性相反。(2) 双极性电压输出 11.1 MCS-51与DAC的接口 (3) DAC用作程控放大器11.1 MCS-51与DAC的接口 Vout = -Vin*(256/B）256/B看作放大倍数。但输入数字量B不得为“0”。 3) MCS-51与DAC0832的接口电路(1) 单缓冲方式两个数据缓冲器一个处于直通式，另一个处于受控锁存式在不要求多路输出同步的情况下，可采用单缓冲方式。11.1 MCS-51与DAC的接口 直通方式MOVR0，#0FEH MOVX R0，A 例 DAC0832用作波形发生器。分别写出产生锯齿波、三角波和矩形波的程序。

8、11.1 MCS-51与DAC的接口 锯齿波的产生 ORG 2000HSTART:MOV R0，#0FEH；DAC地址FEH R0MOV A，#00H ；数字量ALOOP: MOVX R0，A ；数字量D/A转换器INC A ；数字量逐次加1SJMP LOOP1/282/283/28254/28255/280 产生的锯齿波的过程每一上升斜边分256个小台阶，每个小台阶暂留时间为执行后三条指令所需要的时间11.1 MCS-51与DAC的接口 三角波的产生ORG 2000HSTART: MOV R0，#0FEHMOV A，#00HUP: MOVXR0，A ；三角波上升边INC AJNZ UPDOW

9、N: DEC A ；A=0时再减1又为FFHMOVX R0，AJNZ DOWN ；三角波下降边SJMP UP11.1 MCS-51与DAC的接口 矩形波的产生 ORG 2000HSTART: MOV R0，#0FEHLOOP: MOV A，#data1MOVX R0，A；置矩形波上限电平LCALL DELAY1MOV A，#data2MOVX R0，A；置矩形波下限电平LCALL DELAY2SJMP LOOP11.1 MCS-51与DAC的接口 (2) 双缓冲方式多路同步输出，必须采用双缓冲同步方式。DAC输出的VX和VY信号要同步，控制X-Y绘图仪绘制的曲线光滑，否则绘制的曲线是阶梯状。F

10、DH和FEH分别为1#和2#DAC0832的数字量输入控制端口地址FFH为启动D/A转换的端口地址例 内部RAM中两个长度为20的数据块，起始地址为分别为 addr1和addr2，编写能把addr1和addrr2中数据从1#和 2#DAC0832同步输出的程序。addr1和addr2中的数据，为绘制曲线的X、Y坐标点。 DAC0832各端口地址： 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转换端口工作寄存器0区的R1指向addr1；1区的R1指向addr2；0区的R2存放数据块长度；0区和1区的R0指

11、向DAC端口地址。11.1 MCS-51与DAC的接口 ORG 2000Haddr1 DATA 20H ； 定义存储单元addr2 DATA 40H ； 定义存储单元DTOUT: MOV R1，#addr1 ； 0区R1指向addr1MOV R2，#20 ； 数据块长度送0区R2SETB RS0 ； 切换到工作寄存器1区MOV R1，#addr2 ； 1区R1指向addr2CLR RS0 ； 返回0区NEXT: MOV R0，#0FDH ； 0区R0指向1#DAC0832数 ；字量控制端口MOV A，R1 ； addr1中数据送AMOVX R0，A ； addr1中数据送1#DAC083211

12、.1 MCS-51与DAC的接口 MOV R0，#0FEH ；1区R0指向2#DAC0832数字量 ；控制端口MOV A，R1 ；addr2中数据送AMOVX R0，A ；addr2中数据送2#DAC0832INC R1 ；修改addr2指针1区R1INC R0 ；1区R0指向DAC的启动D/A转换端口MOVX R0，A ；启动DAC进行转换CLR RS0 ；返回0区DJNZ R2，NEXT ；若未完，则跳NEXTLJMP DTOUT ；若送完，则循环ENDINC R1 ； 修改addr1指针0区R1SETB RS0 ； 转1区。11.1 MCS-51与DAC的接口 3. D/A转换器TLC5

13、615与单片机的接口电路设计 TLC5615是三线串行总线接口10位CMOS电压输出DAC，具有高阻抗基准电压输入端，数模转换后的模拟量输出电压可达到基准电压的两倍。TLC5615采用单5.0V电源供电，最大功耗为1.75mW，提供片内上电复位功能，TLC5615 与外部处理器的连接采用简单的3线串行总线接口，既可以与SPI总线接口相连，也可以与Microwire总线接口相连 11.1 MCS-51与DAC的接口 1引脚描述 DIN: 同步串行数据输入；SCLK: 同步串行时钟；CS: 片选信号输入端；DOUT: 同步串行数据输出；AGND: 模拟地；REFIN: 基准电压输入端；OUT: D

14、AC电压输入端；VCC: +5V电源电压输入端。max:210=102411.1 MCS-51与DAC的接口 上电时，内部电路把DAC寄存器复位为0。其输出具有与外部基准输入相同的极性，输出电压表达式为：1引脚描述 11.1 MCS-51与DAC的接口 在通过同步串行数据接口向TLC5615写入数据时，由于数模转换器的数据寄存器为12位，所以必须在10位数据的LSB位之后再写入2个值为0的数据位。TLC5615的同步串行接口的最大数据传输速率为14MHz，通常，数字更新速率受片选周期的限制。对于满度输出的阶跃跳变，10位DAC建立时间为12.5us，这使得数字更新速率被限制为80KHz。2转换

15、时序 11.1 MCS-51与DAC的接口 当TLC5615的片选信号CS为低电平时，外部处理器在SCLK同步时钟作用下，按照最高有效位在前，最低有效位在后的顺序，将16位的数据在SCLK的上升沿处依次写入TLC5615的16位移位寄存器，此时，外部处理器释放TLC5615（将引脚置为高）。当CS为高电平时，输入数据不能由时钟同步送入输入寄存器。所有的CS跳变应发生在SCLK输入为低电平时。2转换时序 11.1 MCS-51与DAC的接口 在TLC5615的应用中，如果时序关系合适，可以通过一个链路中把一个器件的DOUT端连接到下一个器件的DIN端来实现数模转换的菊花链接，如果在应用过程中不使

16、用菊花链功能，那么可以使用MSB在前的12位输入数据序列，此时数据序列的输入格式为 :2转换时序 11.1 MCS-51与DAC的接口 如果使用菊花链功能，那么应该传送16位的输入数据序列，16位输入数据中的高4位是无效的虚拟位，而最低位LSB后的两位同样为0。 来自DOUT的数据需要输入时钟16个下降沿，因此需要额外的时钟宽度。当菊花链接多个TLC5615器件时，数据传送除需要这16个输入时钟周期外，还必须加上一个额外的输入时钟下降沿使数据在DOUT端输出，所以，数据需要4个虚拟的高位。为了提供与12位数据转换器传送的软硬件兼容性，在最低有效D0后的两个额外的数据0位是必须的。3TLC561

17、5与单片机的的典型应用DOUT与SPI总线接口的MISO之间的连接可以省去，但通过MISO的输入，外部处理器可以检验所向TLC5615写入数据的正确性。 图8.41 TLC5615采用SPI总线接口和外部连接器相连示意图11.1 MCS-51与DAC的接口 3TLC5615与单片机的的典型应用DOUT与SI之间的连接也不是必须的。在TLC5615应用电路的设计过程中，应该使用隔离的模拟地和数字地来提供系统的整体性能，隔离的模拟地和数字地最后应在一点相连（建议通过一个电磁珠进行单点相连）。图8.42 采用Microwire总线接口和外部连接器相连示意图 11.1 MCS-51与DAC的接口 OR

18、G0500HDINBIT P1.4SCLKBIT P1.7CS BIT P1.5DOUTBIT P1.6DATAH EQU 30HDATAL EQU 31HTLC5615: CLR CSACALL A_DELAY2MOVR6, #08HC_DA_LOOH: LCALL A_DELAY2MOVA，DATAHRLCAMOVDIN, CSETBSCLKMOVDATAH, A3TLC5615与单片机的的典型应用LCALL A_DELAY2CLRSCLKDJNZR6, DA_LOOHMOVR6, #08HC_DA_LOOL: MOVA，DATALRLCAMOVDIN, CSETBSCLKMOVDATAL

19、, ALCALL A_DELAY2CLRSCLKDJNZR6, C_DA_LOOLSETBCSRET 11.1 MCS-51与DAC的接口 1. A/D转换器概述1) A/D转换器的分类11.2 MCS-51与ADC的接口 传感器单片机A/D转换 目前使用较广泛的有：逐次比较式转换器、双积分式转换器、 -式转换器和V/F转换器。 逐次比较型：精度、速度和价格都适中，是最常用 的A/D转换器件。 双积分型：精度高、抗干扰性好、价格低廉，但转换 速度慢，得到广泛应用。 -型：具有积分式与逐次比较式ADC的双重优点。 对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，但比双积分ADC的转

20、换速度快，与逐次比较式 ADC相比，有较高的信噪比，分辨率高，线性度好不需采 样保持电路。因此，-型得到重视。 V/F转换型：适于转换速度要求不太高，远距离信号传输。11.2 MCS-51与ADC的接口 2) A/D转换器的主要技术指标转换时间和转换速率完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。(2) 分辨率用输出二进制位数或BCD码位数表示。例如AD574，二进制12位，即用212个数进行量化，分辨为1LSB，百分数表示1/212=0.24。量化过程引起的误差为量化误差，是由于有限位数字对模拟 量进行量化而引起的误差。量化误差理论上规定为1个单位分 辨率，提高分辨率可减少量化误差。

21、一般把8位以下的A/D转换器归为低分辨率A/D转换器， 912位的为中分辨率，13位以上的为高分辨率。3) A/D转换器的选择 按输出代码的有效位数分：8位、10位、12位等。 按转换速度分为超高速（1ns）、高速（1s） 中速（1ms）、低速（1s）等。11.2 MCS-51与ADC的接口 为适应系统集成需要，将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二/十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内，为用户提供方便。(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。(1) A/D转换器位数的确定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，

22、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。 8位以下： 低分辨率 912位： 中分辨率 13位以上：高分辨率。11.2 MCS-51与ADC的接口 (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s 100s左右。高速：转换时间仅20100ns。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。11.2 MCS-51与ADC的接口 (2) A/D转换器转换速率的确定(3) 是否加采样保

23、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。 根据分辨率、转换时间、信号带宽关系，可得到如下数 据作为是否要加采样保持器的参考：(4) 工作电压和基准电压 选择单一+5V工作电压的芯片，与单片机系统共用 一个电源。如果是8位ADC， 转换时间100ms，无采样保持器，信号的允许频率是0.12Hz；如果是12位ADC，该频率为0.0077Hz。如果转换时间是100s，ADC是8位时，该频率为12Hz，12位时是0.77Hz。 基准电压源是提供给A/D转换器在转换时所需要的 参考电压，在要求较高精度时，基准电压要单独用高 精度稳压电源供给。2. MCS-51与ADC 0

24、809（逐次比较型）的接口1) ADC0809引脚及功能逐次比较式8路模拟输入、8位输出的A/D转换器。11.2 MCS-51与ADC的接口 主要引脚功能：(1)IN0IN7：8路模拟信号输入端。(2) D0D7：8位数字量输出端。(3) C 、B 、A：控制8路模拟通道的切换 C、B、A=000111分别对应IN0IN7通道。(9) VR(+)和VR(-)：参考电压输入端。11.2 MCS-51与ADC的接口 (4) ALE：上升沿有效，锁存地址并选中相应通道。(5) START：启动信号输入端，信号有效，开始转换。 A/D转换期间为低电平。(6) EOC：输出高电平，表示转换结束。(7)

25、OE：输出允许端，信号有效允许输出转换结果。(8) CLK：时钟信号输入端，可由单片机ALE信号分频得到2) ADC0809结构及转换原理完成1次转换需100s左右，可对0-5V信号进行转换11.2 MCS-51与ADC的接口 3) MCS-51与ADC0809的接口MOVX DPTR，AMOVX A，DPTR11.2 MCS-51与ADC的接口 查询中断11.2 MCS-51与ADC的接口 500kHz(1) 软件延时方式1MHz单片机时钟频率采用6MHzMAIN: MOV R1，#dataMOV DPTR，#7FF8HMOV R7，#08HLOOP: MOVX DPTR，AMOV R6，#

26、0AHDELAY: NOPNOPNOPDJNZR6，DELAYMOVX A，DPTR11.2 MCS-51与ADC的接口 MOVR1，AINCDPTRINCR1DJNZR7，LOOP(2) 中断方式将EOC脚经一非门连接到8031的/INT1。INIT1: SETB IT1 ；选择外中断为跳沿触发方式SETB EASETB EX1MOV DPTR，#7FF8HMOV A，#00H MOVX DPTR，A中断服务程序:PINT1: MOV DPTR，#7FF8HMOVX A，DPTRMOV 30H，AMOV A，#00H；启动0809对IN0的转换MOVX DPTR，ARETI(3) 查询方式启

27、动转换后，检查EOC电平，若为0说明仍在转换中，若为高电平说明转换结束。将单片机的P1.0接0809的EOC引脚MOVX A，DPTRMOV R0，AINC R0INC DPTRDJNZ R1,PINTIRETMOV DPTR，#7FF8HMOV A，#00HMOVX DPTR，A JNB P1.0，$ MOV R1,#8 MOV R0,#30H PINT1:空调的温度控制案例空调根据环境温度控制压缩机工作,利用温度传感器将空气温度转化为电信号,但需经A/D转换成数字信号,才能送单片机中空调的温度控制案例系统设计中温度传感器选用热敏电阻传感器，当温度在中间某一范围时，温度特性曲线为线性关系。热

28、敏电阻传感器在5100度内，温度与电压呈良好的线性关系表达式：AD0809的基准电压为5V，所以P0口数据值对应的电压为：计算时取其整数部分：空调的温度控制案例 ORG000BH AJMPTIME(T0) ORG2000HTIME: PUSHACC 设置定时常数 SETBP3.1；读取数据 MOVA,P0 数学运算 ACALLCOMPRESSOR SETBP3.0；启动下一次摸/数转换 POP ACC RETI3. 12位串口转换器MAX187与MCS-51单片机的接口 MAX187是具有串行外围接口的12位A/D转换器，串行口只需3根数据线，SCLK、/CS和DOUT，与MCU的接口十分方便

29、 1主要性能分辨率为12位，单5V电源供电每次转换时间仅为8.5s串行速率可达75kbps11.2 MCS-51与ADC的接口 VDD +: 5V电源AIN : 模拟量输入，输入范围范围0VREF/SHDN: 操作模式选择位。若为低电平，表示芯片处于休眠模式；若为高电平，表示芯片处于正常模式。高电平时允许使用内部参考电压源；悬空时禁止内部参考电压源，允许使用外部参考电压源。 2引脚功能11.2 MCS-51与ADC的接口 Uref : 参考电压端，当允许使用内部参考电压源时，输出为4.096V的电压；当使用外部参考电压源时，可输入2.5VVDD范围的精密电压作参考电压。若采用内部参考电压源，此引脚对地接一个4.7F的退耦电容；若采用外部参考电压源，还需增加0.1F的