第09章模拟量输入与输出

第09章单片机应用系统中的模拟量输入与输出9.1A/D转换 9.1.1并行A/D转换 9.1.2串行A/D转换 9.2D/A转换 9.3直流电机控制 9.4全自动洗衣机水量控制Proteus仿真具有模/数转换器和数/模转换器的单片机应用系统。

概述被测控的对象单片机应用系统传感器采样保持A/D开关控制部件模拟执行部件D/A非电信号模拟电信号模拟信号：在时间上和数值上连续的信号。数字信号：在时间上和数值上不连续的（即离散的）信号。uu模拟信号波形数字信号波形ttA/D转换器的基本原理1、模拟信号和数字信号A/D变换模数转换则是将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。实现这种转换功能的电路称为模数转换器（ADC）。2、模数转换概述典型数字控制系统框图A/D转换器的基本原理

模拟电子开关S在采样脉冲CLKS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。3、A/D转换器的基本原理显然，模数转换一般要分采样、保持、量化和编码四个步骤进行。A/D转换器的基本原理s(t)t

采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程，就是把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。1)采样、保持utts(t)ttstws(t)t采样电路示意图采样信号采样

脉冲输入模拟信号采样保持信号

采样脉冲的频率fs(1/Ts)越高，采样越密，采样值就越多，其取样信号vs的包络线就越接近于输入模拟信号的波形。

采样定理：为了能不失真地恢复原模拟信号，采样频率应不小于输人模拟信号频谱中最高频率的两倍，即fs≥2fimax。A/D转换器的基本原理2）采样-保持电路：

由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压值在一段时间内不变，直到下一次采样开始。这就要在采样后加上保持电路，实际采样-保持是做成一个电路。

量化、编码电路也要由取样脉冲S(t)控制，使它分别在

t1-t5时刻开始对Vo转换，也就是在保持时间内(Ts-tw)内完成量化和编码。A/D转换器的基本原理

经过采样和保持而抽取的电压值仍然属模拟量的范畴，由于任何一个数字量的大小只能是某个最小数量单位(1LSB)的整数倍，因此用数字量表示取样电压值时，先要把其采样电压化为最小单位的整数倍。3）量化和编码量化：

所取得的最小单位，用△表示，△＝1LSB。量化单位

把量化后的电压值再转化成对应的代码，如二进制、十进制码等的过程。编码：量化编码A/D转换器的基本原理电路组成二、逐次逼近型模数转换器DAC：数模转换器，作用是按照不同的输入数码产生一组相应的比较电压UR:

电压比较器：将输入的电压信号UI与UR进行比较，当UI≥UR时，输出C0＝1(C0’=0)；当UI<UR时，输出C0＝0(C0’=1)；C0和C0’

分别连接各个边沿JK触发器的J、K端。4位脉冲发生器：用它来产生4各的负向节拍脉冲CLK0-CLK3’；用这4个节拍脉冲来控制其他电路完成逐次比较。该发生器通常由4位环形计数器构成。JK触发器：作用是在4个的负向节拍脉冲CP0-CP3’=0的推动下，记忆每次比较的结果，并向DAC提供输入数码。3D存储器：作用是在节拍脉冲的触发下，记忆最后的比较结果，并行输出二进制代码。d2d0d1A/D转换器的基本原理工作原理DAC输出的比较电压d2d0d1A/D转换器的基本原理逐次逼近型ADCA/D转换器的基本原理

相对精度是指A/D转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。如相对精度不大于(1/2)LSB，就说明实际输出数字量与理论输出数字量的最大误差不超过(1/2)LSB。三、A/D转换器的主要技术指标1、分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×(2－8-1)＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－12≈1.22mV。2、相对精度A/D转换器的基本原理

转换速度是指A/D转换器完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。3、转换速度A/D转换器的基本原理A/D转换器的主要类型（1）双积分型A/D转换器特点：电路简单、抗干扰能力强、精度高、速度慢。（2）逐次逼近型A/D转换器特点：转换速度快、分辨率高、抗干扰能力差。A/D转换器的基本原理CLOCK:10～1280KHz9.1A/D转换原理与接口1．ADC0809芯片简介28只引脚ADC0809——逐次比较型模数转换芯片分辨率为８位转换时间１00μS

工作量程为0～＋5V功耗为15mＷ工作电压为+5V具有锁存控制的8路模拟开关输出与TTL电平兼容8路模拟输入信号——用三根地址线A,B,C选通IN0～IN7；引脚——START启动AD转换，CLK转换节拍，VR参考电压，EOC结束标志，OE输出使能，ALE地址锁存使能ADC0809结构:模拟开关/地址译码器/ADC/输出锁存器第8章单片机接口技术工作时序控制逻辑ALE产生正脉冲，锁存ADDA、ADDB、ADDC通道选通端数据，通过内部地址译码，选通对应通道START端口输入正脉冲信号，信号的上升沿清除内部寄存器数据，下降沿启动AD转换；AD转换启动后，EOC从高电平变成低电平，在AD转换过程中，EOC保持低电平，转换结束，EOC从低变成高电平。

向OE引脚输入正脉冲，打开三态输出锁存器，内部数据输出到D0—D7数据总线；第8章单片机接口技术实例5：用查询法实现0通道信号采集，结果以16进制显示A、B、C三个地址线均接地选通0通道ST（ALE）、EOC、OE分别接IO端口CLOCK接虚拟信号发生器（5KHz）第8章单片机接口技术2、ADC0832

ADC0832是8引脚双列直插式双通道A/D转换器。5V电源供电，输入电压在0~5V之间，工作频率为250KHZ，转换时间为32μS，一般功耗仅为15mW图8-3ADC0832引脚ADC0832引脚功能如下：片选使能，低电平芯片使能。

CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

GND芯片参考0电位（地）。

DI数据信号输入，选择通道控制。

DO数据信号输出，转换数据输出。

CLK芯片时钟输入。

Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。DI端使用DI端选择的输入通道。在第1个时钟脉冲的下降沿之前DI端必须是高电平，表示启动信号。在第2、3个脉冲的下降沿之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。当DI依次输入为1、0时，只对CH0进行单通道转换。当DI依次输入为1、1时，只对CH1进行单通道转换。当DI依次输入为0、0时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当DI依次输入为0、1时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。作为单通道模拟信号输入时，ADC0832的输入电压Vi的范围是0~5V。当输入电压Vi=0时，转换后的值VAL=0x00；而当Vi=5V时，转换后的值VAL=0Xff,即十进制数的255。所以转换后的输出值（数字量D）为:

×V

式中，D为转换后的数字量；V为输入的模拟电压。9.1.2ADC0809与单片机的接口8路模拟量输入的巡回检测系统，使用中断方式采样数据，把采样转换所得的数字量按序存于片内RAM的30H~37H单元中。采样完一遍后停止采集。

汇编参考程序：ORG0000H;上电后程序从00000H开始LJMPSTART;转移到主程序ORG000BH;定时器T0的中断入口地址LJMPINTT0;转到中断子程序ORG0100H;主程序从0100H开始START:MOVR0,#30H;设立数据存储区指针

MOVR2,#08H;设置8路采样计数值

SETBIT0;设置外部中断0为边沿触发方式

SETBEA;CPU开放中断

SETBEX0;允许外部中断0中断

MOVDPTR,#0FEF8H;送入口地址并指向IN0LOOP:MOVX@DPTR,A;启动A/D转换，A的值无意义HERE:SJMPHERE;等待中断中断服务程序：

INTT0:MOVXA,@DPTR;读取转换后的数字量

MOV@R0,A;存入片内RAM单元

INCDPTR;指向下一模拟通道

INCR0;指向下一个数据存储单元

DJNZR2,INT;8路未转换完，则继续

CLREA;已转换完，则关中断

CLREX0;禁止外部中断0中断

RETI;中断返回INT:MOVX@DPTR,A;再次启动A/D转换

RETI;中断返回END用查询方式实现转换，参考程序如下：

ORG0000H;主程序入口地址

LJMPMAIN;跳转主程序

ORG1000HMAIN:MOVR0,#30HMOVR2,#08HMOVDPTR,#0FEF8HMOVA,#00HL0:MOVX@DPTR,AL1:JBP3.3,L1;查询/INT1是否为0MOVXA,@DPTR;/INT1为0，则转换结束,读出数据

MOV@R0,AINCR0INCDPTR

DJNZR2,L0SJMP$9.1.3ADC0832与单片机的接口ADC0832的读时序

地址时钟时序第1个CLK下降沿，DI=1，开始第2、3个CLK下降沿，DI输入通道选择编号第4--11个CLK下降沿，DO输出转换数据[例2]设图8-6接口电路用于一个模拟量输入的检测系统。Ui为待转换的模拟输入电压，要求对Ui连续采样10次，每次采样值经串行A/D转换电路（ADC0832）转换成数字量，并按顺序依次存于片内RAM的30H~39H单元中。采样完10次后停止。汇编语言数据采集串行A/D转换参考程序：ORG0000HAJMPMAINORG0100HMAIN：MOVR7,#0AHMOVR1,#30HL1:LCALLA_D;调用将模拟信号转换成数字信号子程序A_D

MOV@R1,AINCR1DJNZR7,L1SJMP$ENDA_D:MOVR7,#8;设循环次数SETBP3.4;置CS=1，一个转换周期开始

CLRP1.0;为第一个脉冲作准备

CLRP3.4;CS置0，片选有效

SETBP1.1;P1.1置1，规定的起始信号

SETBP1.0;第一个脉冲

CLRP1.0;第一个脉冲的下降沿，此前P1.1必须是高电平

SETBP1.1;P1.1置1，通道选择信号

SETBP1.0;第二个脉冲，第2、3个脉冲下降之前，DI必须分别输入两位数据用于选择通道，这里选通道CH0CLRP1.0;第二个脉冲下降沿

CLRP1.1;DI置0，选择通道0SETBP1.0;第三个脉冲

CLRP1.0;第三个脉冲下降沿SETBP1.1;第三个脉冲下降沿之后，输入端DIO失去作用，应置1RR:SETBP1.0;第四个脉冲

CLRP1.0;第四个脉冲下降沿MOVC,P1.1;将DI输入数据送位累加器C,高位在前RLCA；累加器A带进位左移一位，循环8次，将转换好的数据存在A中。DJNZR7,RRSETBP3.4;片选无效

RET;子程序返回1、DAC0832的引脚及功能DI0～DI7：8位数据输入端。ILE：输入数据允许锁存，高电平有效。/CS：片选端，低电平有效。/WR1：输入寄存器写选通，低电平有效。/WR2：DAC寄存器写选通，低电平有效。/XFER：数据传送信号，低电平有效。IOUT1、IOUT2：电流输出端。RFB：反馈电流输入端。UREF：基准电压输入端。Vcc：正电源端。AGND：模拟地。DGND：数字地9.2D/A转换器接口2．DAC0832逻辑结构注：/LE：1输出跟随输入，0数据锁存3、DAC0832工作方式用软件指令控制这5个控制端：ILE、/CS、/WR1、/WR2、/XFER，可实现三种工作方式：直通工作方式：5个控制端均有效，直接D/A转换；单缓冲工作方式：5个控制端一次选通，即两个输入寄存器中任意一个处于直通方式，另一个工作于受控方式。双缓冲工作方式：5个控制端分二次选通。即两个锁存器都处于受控状态。4、DAC0832单缓冲方式用DAC产生锯齿波

参考电压+5V,第一级运放输出-5V-0V，第二级输出0V-5V假定输入寄存器地址为7FFFH，产生锯齿波的源程序清单如下：

ORG0200HDASAW:MOVDPTR,#7FFFH;输入寄存器地址，假定P2.7接

MOVA,#00H;转换初值WW:MOVX@DPTR,A;D/A转换

INCA;A中的植加1NOP;延时

NOPNOPAJMPWW;循环矩形波参考程序：BEGIN:MOVDPTR,#7FFFHLP:MOVA,#DATAH;矩形波上限

MOVX@DPTR,ALCALLDELAYH;高电平延时时间MOVA,#DATAL;矩形波下限

MOVX@DPTR,ALCALLDELAYL;低电平延时时间

SJMPLP产生阶梯波的程序如下，阶梯波如图9-28所示。START:MOVA,#00HMOVDPTR,#7FFFH;0832的地址送DPTRMOVR1,#0AH;台阶数为10LP:MOVX@DPTR,A;送数据至0832CALLDELAY;1ms延时

DJNZR1,NEXT;不到10台阶转移

SJMPSTART;产生下一个周期NEXT:ADDA,#10;台阶增幅

SJMPLP;产生下一台阶DELAY:MOV20H,#249;1ms延时程序AGAIN:NOPNOPDJNZ20H,AGAIN

DAC0832双缓冲方式产生阶梯波5．DAC0832双缓冲方式

如果将DAC0832⑴和⑵的输出端接运放后，分别接图形显示器X轴和Y轴偏转放大器输入端，实现同步输出，则可更新图形显示器的光点位置。设已知X轴信号和Y轴信号已分别存于30H、31H中。参考程序如下：DOUT:MOVDPTR,#0DFFFH;置DAC0832(1)输入寄存器地址

MOVA,30H;取X轴信号

MOVX@DPTR,A;X轴信号→0832(1)输入寄存器

MOVDPTR,#0BFFFH;置DAC0832(2)输入寄存器地址

MOVA,31H;取Y轴信号

MOVX@DPTR,A;Y轴信号→0832(2)输入寄存器

MOVDPTR,#7FFFH;置0832(1)、(2)DAC寄存器地址

MOVX@DPTR,A;同步D/A,输出X、Y轴信号

RET9.3直流电机控制直流电动机控制汇编语言参考程序如下（设经A/D转换后的数据存放在tmp单元中）TMPEQU30H;伪指令定义用TMP代表30HPWMBITP3.7;伪指令定义用PWM代表P3.7DBITP3.2;伪指令定义用D代表P3.2ORG0000H;上电后程序从00000H开始，在0000H单元存放转移指令LJMPMAIN;转移到主程序ORG0100H;主程序从0100H开始MAIN:SETBD;方向控制端为输入端

JBD,POS；判开关状态，开关位为1，则正转

AJMPNEG；开关位为0，则反转POS:SETBPWM；正转，PWM=1MOVA,TMP；时间常数为TMPLCALLDELAY；调用延时子程序

CLRPWM；PWM=0MOVA,#255；时间常数为255-TMPSUBBA,TMPLCALLDELAY；调用延时子程序

SJMPMAIN；无条件转MAIN，循环NEG:CLRPWM；反转，PWM=0MOVA,TMP；时间常数为TMPLCALLDELAY；调用延时子程序

SETBPWM；PWM=1MOVA,#255；时间常数为255-TMPSUBBA,TMPLCALLDELAY；调用延时子程序

SJMPMAIN；无条件转MAIN，循环；延时子程序(根据A/D转换的结果，确定延时的时间)DELAY:MOVR6,#5;设循环次数D1:DJNZR6,D1;循环等待

DJNZACC,D1;循环等待

RET;子程序返回

END9.5全自动洗衣机水量控制原理及PROTUES仿真

图9-16电路只模拟进水控制的一小段。当按键S按下，启动洗衣机工作，开始进水，D2亮。调节电位器的中间抽头，可改变模/数转换器ADC0832输入电压的大小，以此来表示进水量的多少。变化的电压经ADC0832转换成相应的二进制数送给单片机，单片机对数据进行比较后，判断是否要停止进水。如转换的数据（或变化的电压）超过了预设进水量的标准，则在单片机控制下停止进水（D2灯灭），并启动电机工作（D1灯亮），电机的速度调整，参考上一节内容，其它工序此处不再讨论。读者自己思考。

图8-15洗衣机简易进水控制模拟仿真电路汇编语言参考程序：ORG0000H;在0000H存放转移指令AJMPMAIN ;转移到主程序ORG0100H ;主程序从0100H开始MAIN：CLRP1.6;先关进水信号，D2灯灭

CLRP1.7;关电机启动信号，D1灯灭

MOVA,#00H;累加器A清0，准备移位接收数据L1:JBP2.7,L1;判按键S是否按下，没按下循环等待

LCALLdelay10ms;若按键S按下，调延时子程序去抖动

JBP2.7,L1;再判按键S是否按下，没按下循环等待，按下顺序执行

SETBP1.6;表示开始进水，D2灯亮L2:LCALLA_D;调用将模拟信号转换成数字信号子程序A_DCJNER0,#128,L3;判转换的数据是否到了预设值L3:JCL2;没到，继续进水

CLRP1.6;到了，停止进水SETBP1.7;启动电机开始工作

SJMPL2；A/D转换子程序功能：将模拟信号转换成数字信号A_D:MOVR7,#8;设循环次数SEBTP3.4;置CS=1，一个转换周期开始

CLRP1.