第六章 数模与模数转换接口

第六章数/模和模/数转换接口数/模和模/数转换电路的概念在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中，被控制或被测量对象的有关变量，往‍往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量。这些模拟量必须转换‍成数字量后才能输入到计算机进行处理。计算机处理的结果，也常常需要转换为模拟信‍号，驱动相应的执行机构，实现对被控对象的控制。若输入是非电的模拟信号，还需通过‍传感器转换成电信号。实现模拟量变换成数字量的设备称为模数转换器(A／D)，数字量转‍换成模拟量的设备称为数模转换器(D／A)。具有模拟量输入和模拟量输出的MCS-51应‍用系统结构

模数＼数模转换技术是数字测量和数字控制领域中的一个专门分支。在微电子技术已‍取得巨大成果的今天，对那些具有明确应用目标的单片微机产品的设计人员来说，只需‍要合理地选用商品化的大规模A／D、D／A电路器件，了解它们的功能和接口方法即可。14.2.1DAC0832的引脚功能DAC0832是一典型的8位并行D/A转换器。为20引脚的双列直插式封装

DAC0832内部主要由两个8位的寄存器和一个8位的D／A转换器及一些控制逻辑组成。其内部结构及引脚排列如下图所示。DI0~DI7：8位数据输入引脚。逻辑电平与TIL兼容。ILE：输入数据锁存允许端，高电平有效。/CS：芯片片选输人端，低电平有效。/WR1：输入寄存器的写信号，低电平有效。当/CS

、ILE及信号/WR1同时有效时，DI0~DI7的数据被锁存到输入寄存器。/XFER：数据传送控制器信号，低电平有效。/WR2：DAC寄存器的写信号，低电平有效。当/WR2和/XFER信号同时有效时，将输入寄存器中的内容锁存到DAC寄存器中。VREF：基准参考电压源输入端。电压范围：－10~+10VIOUT1：输出电流1。其值随转换的输入数据线性变化，输入数据为0FFH时，IOUT1输出最大，输入数据为00H时，IOUT1输出最小。IOUT2：输出电流2。RFB：芯片内部反馈电阻输入引脚，为使用外部运算放大器时提供反馈电阻。VCC：芯片工作电源电压。范围：+5~+15V。AGND：模拟地。模拟信号和基准电源的参考地。DGND：数字地。工作电源和数字逻辑地。14.2.2DAC0832的工作方式1．直通工作方式当0832所有的控制信号(/CS、/WR1、/WR2、ILE、/XFER)都为有效时，两个寄存器处于直通状态，此时数据线的数字信号经两个寄存器直接进入D／A转换器进行转换并输出。此工作方式适用于连续反馈控制中。2．单缓冲工作方式单缓冲工作方式是使两个寄存器始终有一个(多为DAC寄存器)处于直通状态，另一个处于受控状态。如使/WR2=0和/XFER=0，或将/WR1与/WR2相连及/XFER与/CS相连，则DAC寄存器处于直通状态，输入寄存器处于受控状态。应用系统中如只有一路D／A转换，或有多路转换但不要求同步输出时，可采用单缓冲工作方式。3．双缓冲工作方式双缓冲工作方式是使输入寄存器和DAC寄存器都处于受控状态。这主要用于多路D／A转换系统以实现多路模拟信号的同步输出。例如有三个八位二进制数，分别先后进入三个DAC0832芯片的输入寄存器，这时若将三个DAC0832的DAC寄存器的锁存信号同时变为低电平（三个DAC0832的引脚/WR2、/XFER分别接在一起，即可达到此目的），则分别先后锁存在三个DAC0832芯片的输入寄存器中的数据同时打入其DAC寄存器，并随之进行数模转换，同时输出相应的模拟量。若三个DAC0832芯片的DAC寄存器处于直通状态，就无法控制三路模拟信号的同步输出。14.3DAC0832与单片机的接口及应用图中为采用单缓冲工作方式的一路D／A输出与8051单片机的连接图。图中采用将芯片两级寄存器的控制信号并接的方式，即将DAC0832的/WR1和/WR2并接后与805l的/WR信号线相连，/CS和/XFER并接后与P2.7相连，并将ILE接高电平。在这种工作方式下，输入数据在控制信号的作用下，送入DAC寄存器，再经D／A转换输出一个与输入数据对应的模拟量。D／A转换器的基准电压VREF由稳压管上的电压分压后提供。图中运算放大器的作用将D／A转换器输出电流转换成电压输出。D/A转换程序设计图中的接法是采用线选法把DAC0832当作8031扩展的一个并行I／O口，当P2.7=0时，则信号/CS和/XFER有效，当P3.6=0时，则信号/WR1和/WR2有效，将一个8位数据送入DAC0832完成转换的指令如下：#include<reg51.h>//包含头文件reg51.hsbitDA_CS=P2^7;//定义DA的CS端口sbitDA_WR=P3^6;//定义DA的WR端口voiddelayms(unsignedint);//声明delayms函数voidmain(){DA_CS=0;//DAC0832的/CS和/XFER引脚有效DA_WR=0;//DAC0832的/WR1和/WR2引脚有效while(1){//把数字量55H送到P0转换为模拟量P0=0x7F;delayms(50);//延时50ms}}//延时函数voiddelayms(unsignedintxms){unsignedinti,j;for(i=xms;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--); }#include<reg51.h>//包含头文件reg51.hsbitDA_CS=P2^7;//定义DA的CS端口sbitDA_WR=P3^6;//定义DA的WR端口voiddelayms(unsignedint);//声明delayms函数voidmain(){ DA_CS=0;//DAC0832的/CS和/XFER引脚有效 DA_WR=0;//DAC0832的/WR1和/WR2引脚有效 while(1) { //把数字量55H送到P0转换为模拟量 P0=P1; delayms(50);//延时50ms }}//延时函数voiddelayms(unsignedintxms){ unsignedinti,j; for(i=xms;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--); }14.4A/D转换器的介绍用于模／数(A/D)转换的集成芯片种类很多，按其转换原理可分为计数比较型、逐次逼‍近型、双积分型等等。不同A／D转换器芯片在速度、精度和价格上均有差别，其分辨率‍(输出转换结果的二进制数或BCD码位数)也有8位、10位、12位及16位等多种，这也是‍应用选型时应主要考虑的因素。‍由于逐次逼近法A／D转换器在精度、速度和价格上都适中，8位的分辨率也可满足一般‍的应用要求，是最常见的A／D转换器件。下面我们主要介绍逐次逼近型A／D转换器的工作‍原理及典型芯片ADC0809与单片机的接口方法。A/D转换器的工作原理逐次逼近法A／D转换器也称逐次比较法A/D。对于一个输出为N位的逐次逼近法A/D转‍换器，其内部原理框图如图所‍示。主要以一D／A(数／模)转换为基‍础，加上比较器、N位逐次逼近寄存‍器、置数控制逻辑电路以及时钟等组‍成。它通过对最高位(DN－1)至最低‍位(D0)的逐次检测比较来逼近被转‍换的输入电压，转换原理为：

在启动信号控制下开始转换，置数控制逻辑电路首先置N位寄存器最‍高位(DN－1)为1，其余位清0，随后N位寄存器的内容经D／A转换后得到整个量程一半的‍模拟电压VN，通过电压比较器与输入电压VX比较。若VX≥VN时，则保留DN－1=1；若‍VX<VN时，则DN－1位清0。然后，控制逻辑使N位寄存器的下一位(DN－2)置l，与上次的结‍果一起经D／A转换再后与VX比较，重复上述过程，直至判断出位D0取1还是0，然后‍DONE发出信号表示转换结束。经过上述N次比较后，N位寄存器中的数据就是与输入模拟量对应的数字量，经输出缓‍冲器输出即完成了转换。

整个转换过程就是这样通过逐次比较逼近的方式实现的，转换速度‍由时钟频率决定，一般在几微秒到上百微秒之间。

14.5ADC0809芯片结构及引脚

ADC0809是一典型的逐次逼近型8路模拟量输入、8位数字量输出的A/D转换芯片，采‍用CMOS工艺制造，28引脚双列直插式封装。图为ADC0809的内部结构逻辑‍图，和ADC0809的‍引脚图。

ADC0809芯片引脚功能为了实现8路模拟量的A/D转换，芯片内部集成有一个多路模拟开关，由地址译码器译码后可选通一路模拟量输入，8路模拟量共用一个A／D转换器进行转换。转换结果送入输出锁存器锁存和输出。当外加时钟频率为640kHz时，转换时间为64us。芯片引脚功能说明如下：IN0~IN7—8路输入通道的模拟量输入端D0~D7—8位数字量输出端START：启动信号。加上正脉冲后，开始启动A／D转换。此信号要求保持200ns以上。ADDA、ADDB、ADDC：地址线。用于选择所需的模拟输入通道。其地址状态与模拟输入通道的对关系如表所示。EOC：转换结束输出信号。转换开始后，EOC信号变低；转换结束时，EOC返回高电平。查询这个引脚的信号状态可知A／D转换器是否转换结束。也可以直接用作转换结束的中断请求信号，CPU通过中断服务子程序读取转换后的数字量。OE：输出允许控制端。CLK：时钟信号。频率范围：10kHz~1.2MHz，通常采用500kHz。VCC：芯片电源电压。由于是CMOS芯片，故允许的电源范围较宽(+5V~+15V)。GND为地端。VREF(+)和VREF(－)：A／D转换器的正负基准参考电压输入端。一般可将VREF(+)与VCC连接在一起，VREF(－)与GND连接在一起。ALE：地址锁存信号。信号的上跳沿把三位地址信号送入地址锁存器，并经译码器的地址输出，以选择相应的模拟输入通道。#include<reg51.h>//包含头文件reg51.hsbitCLOCK=P2^4;//定义ADC0809的CLOCK引脚sbitEOC=P2^5;//定义ADC0809的EOC引脚sbitSTART=P2^6;//定义ADC0809的START引脚sbitOE=P2^7;//定义ADC0809的OE引脚sbithigh_bit=P3^0;//定义数码管的高位位选通sbitlow_bit=P3^1;//定义数码管的低位位选通unsignedcharADC_val;//定义AD转换结果暂存unsignedchartable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};//0~F的段码表voiddisplay(unsignedchar);//显示函数声明voiddelayms(unsignedint);//延时函数声明//主程序voidmain(){ TMOD=0x02;//设置定时器0为工作方式2 TH0=245;//定时器0，10us中断一次 TL0=0; EA=1,ET0=1;//开放中断 TR0=1;//启动定时 while(1) { START=0;START=1;START=0;//启动A/D转换 while(EOC);//等待EOC变低while(!EOC);//等待EOC变低，转换结束 OE=1;ADC_val=P0;OE=0;//读转换结果 display(ADC_val);//显示16进制转换结果 }}//定时器0中断服务程序voidtime0_int()interrupt1{ CLOCK=~CLOCK;//取反，产生方波}//显示函数voiddisplay(unsignedcharADC_display){ unsignedchardisplay_high,display_low; //把两位十六进制的模数转换结果拆分出低位 display_low=ADC_display&0x0f;//把低位数的段码通过P1口送到低位数码管 P1=table[display_low]; low_bit=1;//选通