单片机第8章-AD与DA转换接口技术2

第8章AD/DA转换接口技术

8.1

转换器的主要术指标8.2DA转换器接口技术8.3

模数转换接口技术

8.3ADC接口技术模数转换器ADC的功能是将输入模拟量转换成与其成正比的数字量，它是单片机应用系统的一种重要组成器件。按照工作原理，有比较式ADC、积分式ADC以及电荷平衡（电压-频率转换）式ADC。不同的芯片具有不同的连接方式，其中重要的是输入、输出以及控制信号的连接方式。1.从输入端看：（1）单端输入（2）差动输入（3）单极性输入（4）双极性输入2.从输出来看：（1）数据寄存器具有可控的三态门（2）不具备可控三态门，输出寄存器直接与芯片管脚相连，此时芯片的输出线必须通过输入缓冲器连至CPU数据总线。8.3.1阶梯波比较式ADC工作原理：转换开始时，计数器复0，DAC的输出为Vd=0。若输入电压Vi为正，则比较器输出Vc为正，与门打开，计数器对时钟脉冲进行计数，DAC输出即随计数脉冲的增加而增加，如图所示，当Vd>Vi时，比较器输出变负，与门关闭，停止计数。计数器的计数值正比于输入电压，完成了从输入模拟量——电压到计数器的计数值——数字量的转换。逐次逼近式AD转换器的工作原理从最高位开始通过试探值逐次进行测试，直到试探值经D/A转换器输出VN与VIN相等或达到允许误差范围为止。则该试探值就为A/D转换所需的数字量。阶梯波比较式ADC工作原理：转换开始时，计数器复0，DAC的输出为Vd=0。若输入电压Vi为正，则比较器输出Vc为正，与门打开，计数器对时钟脉冲进行计数，DAC输出即随计数脉冲的增加而增加，如图所示，当Vd>Vi时，比较器输出变负，与门关闭，停止计数。计数器的计数值正比于输入电压，完成了从输入模拟量——电压到计数器的计数值——数字量的转换。

ADC0809内部逻辑结构

ADC0809引脚图

典型A/D转换器芯片ADC0809ADC0809内部多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。通道选择表

ADC0809的工作时序图

8051单片机与ADC0809的接口采用线选法规定其端口地址用单片机的P2.7引脚作为片选信号,因此端口地址为7FFFH。片选信号和信号一起经或非门产生ADC0809的启动信号START和地址锁存信号ALE；片选信号和信号一起经或非门产生ADC0809输出允许信号OE，OE=1时选通三态门使输出锁存器中的转换结果送入数据总线。ADC0809的EOC信号经反相后接到8051的引脚用于产生转换完成的中断请求信号。ADC0809芯片的3位模拟量输入通道地址码输入端A、B、C分别接到8031的P0.0、P0.1和P0.2，故只要向端口地址7FFFH分别写入数据00H～07H，即可启动模拟量输入通道0～7进行A/D转换。转换数据的传送

A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128µs，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转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式

A/D转换芯片由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，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。（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。

不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以RD信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为：

MOVDPTR,#7FFFHMOVXA,@DPTR

该指令在送出有效口地址的同时，发出有效信号RD，使0809的输出允许信号OE有效，从而打开三态门输出，使转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。

A/D转换应用举例采用中断工作方式对8路模拟输入信号依次进行AD转换

需要说明的是，ADC0809的三个地址端A、B、C既可如前所述与数据线相连，也可与地址线相连，例如与A0～A2相连。这时启动A/D转换的指令与上述类似，只不过A的内容为任意数。例如当A、B、C分别与A0、A1、A2相连时，启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.7清零并将最低三位与所选择的通道对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN7通道时，可采用如下两条指令启动A/D转换：

MOVDPTR,#7FFFH；送入0809的口地址

MOVX@DPTR,A；启动A/D转换（IN7）

注意：此处A中内容与A/D转换无关，可为任意值。

采用查询方式对8路模拟信号一次进行转换8.3.2积分型A/D转换器工作原理

双积分型A/D转换器工作原理双积分型A/D转换是一种间接A/D转换技术。首先将模拟电压转换成积分时间，然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉冲数，最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成二进制或BCD码输出。双积分A/D转换电路原理及工作波型图1.准备期：开关S1、S2、S3断开，S4接通，积分电容C被短路，输出为0。2.采样期：开关S2、S3、S4断开，S1闭合，积分器对输入模拟电压+Vi进行积分，积分时间固定为T1，在采样期结束的t2时刻，积分器输出电压为：

式中为被测模拟电压在T1时间内的平均值。3.比较期：从t2时刻开始，开关S1、S2、S4断开，S3闭合，将与被测模拟电压极性相反的标准电压-Er接到积分器的输入端(若被测模拟电压为-Vi，则S1、S3、S4断开，S2闭合，将+Er接到积分器的输入端)，使积分器进行反向积分。当积分器的输出回到0时，比较器的输出发生跳变。设在t3时刻积分器回0，此时有：

式中T2=t3-t2为比较周期。在T2周期内对一个周期为τ的时钟脉冲进行计数，得：

由于T1、Er、τ都是恒定值，从而计数值N就正比于被测模拟电压值，实现了A/D转换。双积分A/D转换器芯片ICL7135ICL7135是一种常用的4位半BCD码双积分型单片集成ADC芯片,其分辩率相当于14位二进制数，它的转换精度高,转换误差为±1LSB，并且能在单极性参考电压下对双极性输入模拟电压进行A/D转换，模拟输入电压范围为0～±1.9999V。芯片采用了自动校零技术,可保证零点在常温下的长期稳定性，模拟输入可以是差动信号,输入阻抗极高。ICL7135的输出时序图B8、B4、B2、B1：BCD码数据输出，B8为最高位，B1为最低位。D5、D4、D3、D2、D1：BCD码数据的位驱动信号输出端，分别选通万、千、百、十、个位。ICL7135与单片机8031的接口电路

ICL7135转换结果输出是动态的，因此必须通过并行接口才能与单片机连接。图中74LS157为4位2选1的数据多路开关，74LS157的端输入为低电平时，1A、2A、3A输入信息在1Y、2Y、3Y输出；端为高电平时，1B、2B、3B输入信息在1Y、2Y、3Y输出。因此，当7135的高位选通信号D5输出为高电平时，万位数据B1和极性、过量程、欠量程标志输入到8051单片机的P0.0～P0.3，当D5为低电平时，7135的B8、B4、B2、B1输出低位转换结果的BCD码，此时BCD码数据线B8、B4、B2、B1输入到8051单片机的P0.0～P0.3。

ICL7135的时钟频率为125kHz，每秒进行3次A/D转换。ICL7135的数据输出选通脉冲线接到8051外部中断INT0端，当ICL7135完成一次A/D转换以后，产生5个数据选通脉冲，分别将各位的BCD码结果和标志D1～D5打入8051的P0口。由于ICL7135的A/D转换是自动进行的,完成一次A/D转换后,选通脉冲的产生和8051中断的开放是不同步的。为了保证读出数据的完整性,单片机8051只对最高位(万位)的中断请求作出响应，低位数据的输入则采用查询的方法，A/D转换结果送入单片机8051片内RAM的20H,21H和22H单元。三积分式ADC的工作原理为了提高双分积式ADC的分辨率，出现了多积分式ADC。下面简单介绍三重积分式ADC的工作原理。它的特点是比较期由两段斜坡组成，当积分器输出电压接近0点时，突然换接数值较小的基准电压，从而降低了积分器输出电压的斜率，延长积分器回0的时间，使比较周期延长以获得更多的计数值，从而提高了分辨率。而积分器在输出电压较高时，接入数值较大的基准电压，积分速度快，因而转换速度也快。系统中有两个比较器，比较器1的比较电平为0电平，比较器2的比较电平为V′，同时有两个基准电压Er和Er/2m。工作过程如下：采样期：Sx接通，Spb、Sps断开，积分器对被测电压Vi积分，积分周期恒定为T1；比较期I：Spb接通，Sx、Sps断开，积分器对极性与Vi相反的基准电压Er进行积分，由于Er数值较大，故积分速度较快，积分周期为T21；比较期Ⅱ：当积分器输出达到比较器2的比较电平V′时，通过控制电路使开关Sps接通，Spb、Sx断开，积分器对Er/2m积分。由于基准电压减小，因而积分速度按比例降低。当积分器输出电压达到零伏时，比较器1动作，通过控制电路使所有开关断开，积分器停止积分，一次A/D转换结束。因为比较期Ⅱ的基准电压减小了2m倍，因此如果在两个比较期内计数脉冲频率保持不变，则在比较期Ⅰ内的计数值应乘以2m后才能与比较期Ⅱ内的计数值相加。为此可采用如图所示的计数器结构。在比较期Ⅰ内，与门1打开，计数器从2m位开始计数：在比较期Ⅱ内，与门2开，计数器从20位开始计数。若在比较期Ⅰ内计得N1个钟脉冲，比较期Ⅱ内计得N2个时钟脉冲，则在整个比较期内计数器的计数值为

N=2m×N1+N2串行ADC与8051单片机的接口

串行接口的ADC芯片TLC549与8051单片机的接口简单，功耗低。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围。TLC549引脚排列如下：

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