模拟量输入与输出

关于模拟量输入与输出第一页，共三十七页，编辑于2023年，星期二单片机应用系统中的模拟量输入与输出AD转换1DA转换2直流电机控制3AD转换1第二页，共三十七页，编辑于2023年，星期二

需要把外界连续变化的物理量（如温度、压力、流量、速度），通过传感器变成电信号，再将其变成数字量送入单片机内进行加工处理。也需要将单片机输出的数字量转为连续变化的模拟量，用以控制调节一些执行机构，实现对被控对象的控制。这种将模拟量转换为数字量的过程叫做模拟/数字（A/D）转换，将数字量转换为模拟量的过程叫做数字/模拟（D/A）转换。实现这种转换的器件，叫做模/数（A/D）转换器或数/模（D/A）转换器。图8-1是典型的具有模/数转换器和数/模转换器的单片机应用系统。

概述第三页，共三十七页，编辑于2023年，星期二被测控的对象单片微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图8－1单片机应用系统第四页，共三十七页，编辑于2023年，星期二一、A/D转换原理与接口1A/D转换器常用芯片简介

A/D转换器是将模拟信号转换为数字信号的器件，种类繁多，性能各异。与单片机的接口形式也不尽相同，但大致分为并行接口和串行接口两种。1）ADC0809

ADC0809具有8路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，输出8位二进制数字量。与单片机之间是并行通信。其内部逻辑结构和引脚如图8-2所示。第五页，共三十七页，编辑于2023年，星期二

ADC0809的引脚功能⑴IN0～IN7：8路模拟信号输入端。⑵C、B、A：8路模拟信号转换选择端。低8位地址中A0～A2连接。由A0～A2地址000～111选择IN0～IN7八路A/D通道。⑶CLK：外部时钟输入端。时钟频率高，A/D转换速度快。允许范围为10～1280KHz。通常由80C51ALE端直接或分频后与0809CLK端相连接。⑷D0～D7：数字量输出端。⑸OE：A/D转换结果输出允许控制端。OE=1，允许将A/D转换结果从D0～D7端输出。通常由80C51的端与0809片选端（例如P2.0）通过或非门与0809OE端相连接。⑹ALE：地址锁存允许信号输入端。

0809ALE信号有效时将当前转换的通道地址锁存。⑺START：启动A/D转换信号输入端。当START端输入一个正脉冲时，立即启动0809进行A/D转换。START端与ALE端连在一起，由80C51WR与0809片选端（例如P2.0）通过或非门相连。⑻EOC：A/D转换结束信号输出端，高电平有效。⑼UREF（+）、UREF（-）：正负基准电压输入端。⑽Vcc：正电源电压（+5V）。GND：接地端。第六页，共三十七页，编辑于2023年，星期二表9-8ADC0809通道地址选择表CBA选通的通道000 IN0001IN1010 IN2011 IN3100 IN4101 IN5110 IN6111 IN7第七页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2）ADC0809与单片机的接口

图8-5是ADC0809与80C51单片机的接口连接图。ADC0809的转换时钟由单片机的ALE提供。ADC0809的典型转换频率为640KHz，ALE信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取12MHZ，则ALE的频率为2MHZ，所以ADC0809的时钟端CLK与单片机的ALE端相接时，要考虑分频。8051单片机通过地址线P2.0和读写控制线、来控制模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。图8-5ADC0809与80C51接口模拟输入通道地址的译码输入A、B、C由P0.0~P0.2提供，因ADC0809具有通道地址锁存功能，P0.0~P0.2不需锁存。根据P2.0和P0.0~P0.2的连接方法，8个模拟输入通道IN0~IN7的地址依次为FEF8H~FEFFH。第八页，共三十七页，编辑于2023年，星期二ADC0809A/D转换应用举例

[例1]设图8-5接口电路用于一个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顺序依次存于片内RAM的30H~37H单元中。采样完一遍后停止。其数据采集的初始化程序和中断服务程序如下：第九页，共三十七页，编辑于2023年，星期二C语言参考程序：#include<reg51.h>//包含特殊功能寄存器库#include<absacc.h>//包含定义绝对地址访问库#defineucharunsignedchar//定义uchar为无符号字符数据类型#defineIN0XBYTE[0x0000]//定义IN0为通道0的地址staticuchardatax[8];//定义8个单元的数组，存放结果ucharxdata*ad_adr;//定义指向通道的指针uchari=0;//定义变量i,初值为0voidmain(void)//主函数，完成初始化{IT1=1;//外中断INT1为边沿触发EX1=1;//开INT1中断EA=1;//开CPU中断ad_adr=&IN0;//指针指向通道0*ad_adr=i;//启动通道0转换for(;;){;}//等待中断}第十页，共三十七页，编辑于2023年，星期二voidint_adc(void)interrupt0//中断函数{x[i]=*ad_adr;//接收当前通道转换结果i++;//指向下一个单元ad_adr++;//指向下一个通道if(i<8)//判循环8次否{*ad_adr=i;//8个通道未转换完，启动下一个通道返回}else{EA=0;//8个通道转换完，关中断返回EX0=0;}}第十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2、ADC0832图8-3ADC0832引脚

ADC0832是一种具有串行接口的8位分辨率、双通道A/D转换芯片。具有体积小、兼容性强、性价比高等优点，应用非常广泛。图8-3ADC0832引脚

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。引脚排列如图8-3所示。它能分别对两路模拟信号实现模/数转换，可以在单端输入方式和差分输入方式下工作。第十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期二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）。正常情况下ADC0832与单片机的接口应有4条线，分别是、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效，并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根线上使用。当ADC0832不工作时，其输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

第十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期二

此时芯片开始转换工作，同时由单片机向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用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。第十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2)ADC0832与单片机的接口图8-6是ADC0832与AT89C51单片机的接口连接图。正常情况下ADC0832与单片机的接口应有4条线，分别是、CLK、DO、DI。但由于DO端（数据信号输入，选择通道控制）与DI端（数据信号输出，转换数据输出）在通信时并未同时有效，并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根线上使用。ADC0832有2个模拟输入通道，CH0为模拟输入通道0，CH1为模拟输入通道1，由DI端选择输入通道。当要进行A/D转换时，片选信号必须置为低电平，并且保持低电平直到转换完全结束。同时由单片机向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲。图8-6ADC0832与单片机接口

第十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期二[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。第十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期二C语言数据采集串行A/D转换参考程序：#include<reg51.h>//包含单片机特殊功能寄存器的头文件#defineucharunsignedchar//定义uchar为无符号字符数据类型staticuchardatax[10];//定义10个单元的数组，存放结果sbitCS=P3^4;//将CS位定义为P3.4引脚sbitCLK=P1^0;//将CLK位定义为P1.0引脚sbitDIO=P1^1;//将DIO位定义为P1.1引脚unsignedcharA_D()//A_D转换函数。功能：将模拟信号转换成数字信号{unsignedchari,dat;//设i和det为无符号字符变量

CS=1;//一个转换周期开始

CLK=0;//为第一个脉冲作准备

CS=0;//CS置0，片选有效

DIO=1;//DIO置1，规定的起始信号

CLK=1;//第一个脉冲

CLK=0;//第一个脉冲的下降沿，此前DIO必须是高电平

DIO=1;//DIO置1，通道选择信号

第十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期二CLK=1;//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CH0CLK=0;//第二个脉冲下降沿

DIO=0;//DI置0，选择通道0CLK=1;//第三个脉冲

CLK=0;//第三个脉冲下降沿

DIO=1;//第三个脉冲下降沿之后，输入端DIO失去作用，应置1CLK=1;//第四个脉冲

for(i=0;i<8;i++)//高位在前

{CLK=1;//第四个脉冲

CLK=0;//第四个脉冲下降沿

dat<<=1;//将下面储存的低位数据向右移dat|=(unsignedchar)DIO;//将输出数据DIO通过或运算储存在dat最低位

}CS=1;//片选无效

returndat;//将读出的数据返回

}第十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期二ADC0832时序图第十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期二main(void)//主函数{unsignedcharj,g=0;//设j,g为无符号字符变量,j用于及循环次数,g用于数组。unsignedintAD_val;//储存A/D转换后的值for(j=0,j<10,j++)//

{AD_val=A_D();//

x[g]=AD_val //

g++;}}第二十页，共三十七页，编辑于2023年，星期二8.2D/A转换器接口1、DAC转换芯片介绍

D/A转换器是将数字量转换为对应的模拟量的器件，也有很多种类。以DAC0832为例介绍D/A转换器的结构和使用方法。

DAC0832的引脚及功能

DAC0832是一个8位D/A转换器。单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作。基准电压的范围为±10V；电流建立时间为1μs；CMOS工艺，低功耗20mW。DAC0832为20引脚，双列直插式封装，其引脚排列如图8-7所示。第二十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期二DI0～DI7：8位数据输入端。ILE：输入数据允许锁存信号，高电平有效。：片选端，低电平有效。：输入寄存器写选通信号，低电平有效。：DAC寄存器写选通信号，低电平有效。：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。图8-7DAC0832引脚第二十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2、DAC0832工作方式用软件指令控制这5个控制端：ILE、、、、，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：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：两个锁存器都处于受控状态。第二十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期二1）DAC0832单缓冲方式

在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模拟量但并不要求同步输出时，可采用单缓冲方式。单缓冲方式的两种连接方法如图8-9和图8-10所示。

第二十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期二图8-9DAC0832单缓冲方式图8-10用DAC产生锯齿波第二十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期二图8-9中，两级寄存器作一级寄存器使用。图8-10中,=0和=0，因此DAC寄存器处于接通方式。而输入寄存器处于受控锁存方式，接8051的，ILE接高电平，此外还应把接高位地址或译码输出，以便为输入寄存器确定地址。

单缓冲方式应用十分广泛，如需要有一个线性增长的电压来控制移动记录笔或移动电子束等。此时可通过在DAC0832的输出端接运算放大器，由运算放大器产生锯齿波来实现，电路连接如图8-10所示。图中若DAC0832的输出端只接一级反向输入的运算放大器，则输出的锯齿波为负向增长得倒锯齿波，图8-10中接2级运算放大器是为了输出正向的锯齿波。第二十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期二

对锯齿波的产生作如下几点说明：程序每循环一次，A加1，因此实际上锯齿波的上升沿是由256个小阶梯构成的，但由于阶梯很小，所以从宏观上看就是线性增长的锯齿波。

可通过循环程序段的机器周期数计算出锯齿波的周期，并可根据需要，通过延时的办法来改变波形周期。当延迟时间较短时，可用NOP指令来实现；当需要延迟的时间较长时，可以使用一个延时子程序。延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。通过A加1，可得到正向的锯齿波；如要得到负向的锯齿波，改为减1指令即可实现。程序中A的变化范围是0～255，因此得到的锯齿波是满幅度的。如要求得到非满幅度锯齿波，可通过计算求得数字量的初值和终值，然后在程序中通过置初值判终值的办法实现。第二十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期二锯齿波C语言参考程序：#include<reg51.h>//包含特殊功能寄存器库#include<absacc.h>//该文件用于定义存储器空间的绝对地址#defineucharunsignedchar//定义uchar为无符号字符数据类型#defineDAC0832XBYTE[0x7FFF]//定义DAC0832表示片外地址0x7FFFvoidmain()//主函数{uchari;//变量i为无符号字符数据类型while(1)//无限循环体{for(i=0;i<0xff;i++)//循环256次{DAC0832=i;}//将每次加1变化后的i值送D/A转换}}第二十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期二矩形波C语言参考程序如下：#include<reg51.h>//包含特殊功能寄存器库#include<absacc.h>//该文件用于定义存储器空间的绝对地址#defineucharunsignedchar//定义uchar为无符号字符数据类型#defineDAC0832XBYTE[0x7FFF]//定义DAC0832表示片外地址0x7FFFvoiddelay()//延时函数{uchari;//变量i为无符号字符数据类型for(i=0;i<0xff;i++){;}//循环延时}voidmain()//主函数{uchari;//变量i为无符号字符数据类型while(1)//无限循环体{DAC0832=0;//输出低电平delay();//延时DAC0832=0xff;//输出高电平delay();//延时}}用D/A转换还可以产生多种波形。产生矩形波的汇编语言参考程序如下：第二十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期二2．DAC0832双缓冲方式图8-12是一个两路同步输出的D/A转换器的接口电路及逻辑框图。P2.5和P2.6分别选择两路D/A转换器的输入寄存器，控制输入锁存；P2.7连到两路D/A转换器的端控制同步转换输出；端与所有的、端相连，在执行MOVX输出指令时，单片机自动输出控制信号。图8-12DAC0832双缓冲方式如果将DAC0832⑴和⑵的输出端接运放后，分别接图形显示器的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，从而实现绘图功能。第三十页，共三十七页，编辑于2023年，星期二同步输出C语言参考程序如下(设X轴信号和Y轴信号已分别存于变量i和j中)：#include<reg51.h>//包含特殊功能寄存器库#include<absacc.h>//该文件用于定义存储器空间的绝对地址#defineucharunsignedchar//定义uchar为无符号字符数据类型#defineDAC0832_1XBYTE[0xDFFF]//定义DAC0832_1输入寄存器地址#defineDAC0832_2XBYTE[0xBFFF]//定义DAC0832_2输入寄存器地址#defineDACXBYTE[0x7FFF]//定义0832(1)、(2)DAC寄存器地址voidmain()//主函数{uchari,j;DAC0832_1=i;//X轴信号送0832(1)输入寄存器

DAC0832_2=j;//Y轴信号送0832(2)输入寄存器DAC=j;//同步D/A,输出X、Y轴信号

}第三十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期二3、直流电机控制图8-14是一个单片机控制直流电动机的简单接口电路示意图。图中设单片机的P3.2口、P3.7口分别接到电动机控制电路的D端和PWM端，通过单片机控制电动机的正转、反转。P1口输入的是经A/D转换器0809转换的数字量TMP。首先，单片机的PWM端（P3.7）输出转动电平，延时一段时间，延时的常数定为TMP；接着再输出停转电平，延时的常数为255-TMP。这样，就可通过改变模拟输入电压的大小（即转换得到的数字量TMP的大小）来改变单片机PWM输出的占空比，从而达到调节电动机转速的目的。

第三十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期二图8-15为直流电动机控制程序流程图。

图8-14单片机控制直流电机接口电路示意图

图8-15直流电动机控制程序流程图

第三十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期二直流电动机控制C语言参考程序#include<reg51.h>//包含特殊功能寄存器库#defineucharunsignedchar//定义uchar为无符号字符数据类型sbitPWM=P3^7;