《单片机原理与应用》课件第9章

项目九A/D和D/A转换接口技术

9.1项目基本技能

9.2项目基本知识项目检测9.3互动环节9.4习题任务1A/D转换芯片TLC2543的应用

1.任务要求采用TI公司生产的A/D转换芯片TLC2543采集0～5V连续可变的模拟电压信号，转变为12位数字信号，送至51单片机进行处理，并在四位数码管上显示出对应的数字信号。0～5V的模拟电压信号可通过调节电位器获得。

2.硬件电路设计

1)电路图电路图如图9-1所示。9.1项目基本技能图9-1A/D转换芯片应用原理图

2)电路图说明从图9-1可以看出，0～5V模拟电压信号通过调节电位器获得，并送至A/D芯片TLC2543的0通道。数据输出端SDO、串行数据输入端SDI、片选端和输入输出时钟CLK分别与51单片机的P1.0～P1.3相连。四位数码管选用共阳数码管，位选端由单片机的P3.0～P3.3控制，段码端由单片机的P2.0～P2.7控制，采用动态扫描法显示，四个三极管8050用来驱动数码管。3．软件设计1)流程图程序参考流程如图9-2所示。图9-2A/D芯片应用程序流程图2)指令代码(1)编写汇编语言代码。用汇编语言编写的指令代码如下：

TLC2543编程注意事项：①硬件设计中，EOC引脚是否连接问题。EOC引脚由高变低是在第12个时钟的下降沿，它标志着TLC2543开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换完成后EOC变高，标志转换结束。从理论上讲，应该通过EOC判断是否可以进行新的周期，以便从TLC2543中取出已转换的A/D数据。但是，由于TLC2543一次A/D转换时间约为10μs，而一般情况下，一个工作周期后，单片机后续处理工作已经大于10μs。因此，除非特别需要，一般可以不接EOC。

②本程序中转换过程，在输入输出数据过程必须保持为低，即在输入12个时钟信号期间必须保持0。之后，端被置高，以便使由高到低的变化，而产生下一个周期。被置高时，与TLC2543相连的其他三线，呈高阻状态，可为其他线路使用。硬件设计时，可设计为共享线路，软件编程时，根据情况决定谁使用这些线路。

(2)编写C语言代码。用C语言编写的指令代码如下：

在上述数码管显示子程序中，A/D输出的12位数据欲在四位数码管上显示，其转换原理是：首先12位数据num除以1000，得到的商即是千位，余数除以100，得到的商即是百位，依次类推，最后四位数码管上显示的便是12位A/D转换的数据。

4．电路板制作

1)元器件清单

A/D转换芯片TLC2543应用电路元器件清单如表9-1所示。表9-1A/D转换芯片TLC2543应用电路元器件清单

2) A/D转换芯片TLC2543应用电路的面包板制作

A/D转换芯片TLC2543应用电路的面包板连接实物如图9-3所示。图9-3A/D转换芯片TLC2543应用电路

3)调试运行将目标代码文件A9-1.hex或C9-1.hex加载到STC89C51单片机中，调节电位器的滑动旋钮，发现在四位数码管上可正确显示A/D转换后的12位数据，其对应的模拟电压若为5V(最大值)，其数码管上显示111111111111(FFFH)，即十进制为4095；若模拟电压为0V(最小值)，其数码管上显示000000000000(000H)，即十进制为0000，；若模拟电压为2.5V(中间值)，其数码管上显示100000000000(800H)，即十进制为2048，读者还可自行测试其他的模拟电压对应的12位数据值。任务2D/A转换芯片的应用

1．任务要求采用TI公司生产的D/A转换芯片TLC5615及51单片机组成波形发生器，编制程序产生锯齿波信号，通过程序控制锯齿波信号的幅值及周期。

2.硬件电路设计

1)电路图电路图如图9-4所示。图9-4D/A转换芯片应用原理图

2)电路图说明从图9-4可以看出，TLC5615与单片机的连接只需3根线，TLC5615的串行时钟输入端SCLK，片选端和串行输入端DIN分别与单片机的P3.0～P3.2相连。参考电压端REFIN通过稳压管与电阻相连，实现各种不同的输入参考电压。输出端OUT与示波器相连，观察锯齿波波形幅值及周期。3．软件设计1)流程图程序参考流程如图9-5所示。图9-5D/A芯片应用程序流程图

2)指令代码

(1)编写汇编语言代码。用汇编语言编写的指令代码如下：

锯齿波波形产生原理：采用定点法产生波形，将所要输出的波形按一个周期分成32个点，因为D/A转换器TLC5615的输入格式是16位的，所以一个点占2个字节，即高8位和低8位各一个字节。通过计算，做成一个表存于单片机的存储器中，频率可以通过调用不同的延时程序来改变，延时时间一到，查表输出下一个点的数据，如此循环。

(2)编写C语言代码。用C语言编写的指令代码如下：

4．电路板制作

1)元器件清单

D/A转换芯片TLC5615应用电路元器件清单如表9-2所示。表9-2D/A转换芯片TLC5615应用电路元器件清单

2)D/A转换芯片TLC5615应用电路的面包板制作

D/A转换芯片TLC5615应用电路的面包板连接实物如图9-6所示。图9-6D/A转换芯片TLC5615应用电路板

3)调试运行将目标代码文件A9_2.hex或C9_2.hex加载到STC89C51单片机中，可观察示波器上显示锯齿波的波形，其波形如图9-7所示，波形的周期及幅值可由程序控制。图9-7锯齿波波形图知识点1A/D转换器接口技术

在实际生活中，单片机经常要对来自现场的各种模拟量信号进行采集和处理，这些模拟量可以是随时间变化的电信号(如电压、电流等)，也可以是非电物理量(如温度、压力、重量等)，通常非电的物理量可通过相应的传感器转换为连续的电信号。由于单片机不能直接对这种模拟信号进行输入和处理，所以必须将其转化为数字信号，我们常将这种转化称为模数转换(AnalogtoDigitalConverter)，简称ADC，或A/D。9.2项目基本知识

用于模数转换的集成芯片种类很多，按其转换原理可分为逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器、计数式A/D转换器和并行式A/D转换器，前两种A/D转换器目前使用最为广泛。不同的A/D转换芯片在转换速度、精度和价格上均有差别，其分辨率也有8位、10位、12位和16位等多种。由于51单片机往往要控制较多的I/O口，因此如使用并行ADC会限制系统I/O口功能的扩展，所以本节详细介绍TI公司生产的串行A/D转换芯片TLC2543。

A/D转换器的性能指标，包括有分辨率、转换精度、转换时间等。分辨率：分辨率是指A/D转换器在变化过程中所能分辨的最小量，这与A/D转换器的位数有关。因此，通常用A/D转换器的位数表示。例如，8位A/D转换器具有8位的分辨率，有时也采用LSB(最低位)的步长表示，即8位A/D转换器的分辨率为1/256。

转换精度：A/D转化器的转换精度表示在输入范围内实际输出与理论输出的差值，这个差值称为绝对精度，当它用LSB表示时，则称为相对精度。例如，ADC0801为8位A/D转换器，其相对精度为≤1/4LSB。转换时间：A/D转换器完成一次完整转换所需要的时间称为转换时间，通常用ms或μs表示。例如，TLC2543在工作范围内的转换时间为10μs。

1) TLC2543概述

TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O口资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。

TLC2543与外围电路的连线简单，三个控制输入端为片选端、输入/输出时钟I/OCLOCK以及串行数据输入端DATAINPUT。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个，采样保持是自动的，转换结束时，EOC输出变高。2) TLC2543的特点(1) 12位分辨率A/D转化器；(2)在工作温度范围内10μs转换时间；(3) 11个模拟输入通道；(4) 3路内置自测试方式；(5)固有的采样与保持；(6)线性误差 ±1LSBmax；(7)片内系统时钟；(8)有转换结束输出指示EOC；(9)具有单、双极性输出；(10)可编程的MSB或LSB前导；(11)可编程输出数据长度。

3) TLC2543的引脚排列及说明

TLC2543有两种封装形式如图9-8所示，各个引脚的含义如表9-3所示。图9-8TLC2543的两种封装表9-3TLC2543引脚说明

4) TLC2543内部控制寄存器

TLC2543内部控制寄存器有8位，其结构格式如表9-4所示。内部控制寄存器各个位的基本功能如下。

D7～D4：作为片内14个通道多路选择器的控制位，用于11路模拟量和3个校准电压的选择以及掉电模式的设定。

D3、D2：用于转换后数据串行输出位数的选择，共有三位数可供选择，8位(精度低，方便单字节串行数据传输)、12位(标准位数)和16位(低四位为零，便于16位串行数据传输)。

D1：为“0”时表示输出数据的最高位导前，为“1”时表示最低位导前。

D0：为“0”时表示输出数据时单极性(无符号二进制)，为“1”时表示双极性(有符号二进制)。表9-4内部控制寄存器格式注：X表示任意取值

内部控制寄存器的设置：设采集第6通道，输出数据位为12位，高位先送出，输出数据的格式为二进制，则控制字为多少？根据表9-4可得，控制字为01100000，用十六进制表示即为60H。

5) TLC2543工作时序以MSB为前导，用进行12个时钟传送的工作时序如图9-9所示，其工作过程如下：

图9-9用进行12个时钟传送的工作时序图

(1)上电时，EOC=1，=1；

(2)使下降，前次转换结果的MSB，即A11位数据输出到DATAOUT端；

(3)将输入控制字的MSB位即B7送至DATAINPUT端，使I/OCLOCK产生上升沿，将DATAINPUT端数据移入输入寄存器中；

(4)使I/OCLOCK产生下降沿，转换结果A10位输出到DATAOUT端；

(5)在第4个I/OCLOCK下降沿时，由前4个I/OCLOCK上升沿移入输入寄存器的四位通道地址被译码，相应模入通道被接通，其模入电压开始对内部开关电容充电；

(6)第8个I/OCLOCK上升沿时，将DATAINPUT输入控制字B0位移入输入寄存器后，DATAINPUT便无效；

(7)第11个I/OCLOCK下降沿，上次A/D结果的最低位A0输出到DATAOUT端供读数。至此，I/O数据已全部完成，但为实现12位同步，仍需第12个I/OCLOCK脉冲，在第12个I/OCLOCK下降沿时，模入通道断开，EOC下降，本周期设置的A/D转换开始，此时使上升；

(8)经过时间tCONV≤10μs，转换完毕，EOC上升；

(9)使下降，转换结果的MSB位即B11输出到DATAOUT端；

(10)将新周期的输入控制字的MSB位C7送至DATAINPUT端，在I/OCLOCK的上升沿将DATAINPUT端数据移入输入寄存器；

(11)使I/OCLOCK产生下降沿，将A/D结果的B10输出到DATAOUT端，依次类推；

(12)上电时，第一周期读取的DATAOUT端的数据无效，应舍去。

6) TLC2543与单片机接口利用51系列单片机的P1口与TLC2543构成的ADC电路如图9-10所示，分别用51系列单片机的P1.0～P1.3接TLC2543的数据输出端DATAOUT、数据输入端DATAINPUT、片选信号和输入输出时钟I/OCLOCK，模拟电压从(AIN0～AIN10)11个输入通道中某一通道输入，输出的数字信号从DATAOUT端输出，软件编程详细请参考任务1。图9-10TLC2543与51系列单片机接口电路知识点2D/A转换器接口技术

单片机用于控制时往往要将运算的控制量(数字信号)转换为模拟信号，送至执行机构或其他输出部件，这种转换称为数模转换(DigitaltoAnalogConverter)，简称DAC，或D/A。目前单片机应用系统中使用的D/A转换器主要为已集成化的D/A转换芯片，它可直接将输入的数字量转换为模拟量输出。选择D/A转换芯片时，通常要考虑转换器的数字输入方式、位数、数字的输出特性、锁存特性及参考电压等因素。

D/A转换器数据的输入方式通常有串行和并行两种，数据的位数有8位、10位、12位、16位等。显然位数越多分辨率越高，使用时可根据用户的需求选择合适的位数。

D/A转换器的输出方式有电流输出和电压输出两种，而电压输出又有单极性和双极性之分，如0～5V、0～10V、± 2.5V、± 5V、± 10V等，用户也可根据需求选择。对于电流输出的D/A转换器，可采用运算放大器组成的电流-电压转化电路从而获得电压输出。

参考电压源是否稳定将影响D/A转换的输出结果。为保证有较好的转换精度，应给D/A转换芯片提供精密参考电压源。下面具体介绍典型D/A转换芯片TLC5615。

1) TLC5615概述

TLC5615是一个串行10位DAC芯片，性能比早期电流型输出的DAC要好。它只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机或DSP)接口，适用于电池供电的测试仪表、移动电话，也适合于数字失调与增益调整以及工业控制场合。2) TLC5615的特点(1)单5V电源工作；(2) 3线串行接口；(3)高阻抗基准输入端；(4) DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压；(5)上电时内部自动复位；

(6)微功耗，最大功耗为1.75mW；

(7)转换速率快，更新率为1.21MHz；小型(D)封装TLC5615CD和塑料DIP(P)封装TLC5615CP的工作温度范围均为0℃～70℃。而小型(D)封装TLC5615ID和塑料DIP(P)封装TLC5615IP的工作温度在-40℃～85℃内。

3) TLC5615的引脚排列说明及内部框图

TLC5615的直插式8脚分布如图9-11所示，各引脚的功能如下：图9-11TLC5615引脚排列(1) DIN：串行二进制数输入端；(2) SCLK：串行时钟输入端；(3) ：芯片选择端，低电平有效；(4) DOUT：用于级联的串行数据输出；(5) AGND：模拟地；(6) REFIN：基准电压输入端；(7) OUT：DAC模拟电压输出端；(8) VDD：正电源电压端。

TLC5615的内部功能框图如图9-12所示，它主要由以下几部分组成：

(1) 10位DAC电路；

(2)一个16位移位寄存器，接受串行移入的二进制数，并且有一个级联的数据输出端DOUT；

(3)并行输入输出的10位DAC寄存器，为10位DAC电路提供待转换的二进制数据；

图9-12TLC5615内部功能框图

(4)电压跟随器为参考电压端REFIN提供很高的输入阻抗，大约10MΩ；

(5) X2电路提供最大值为2倍于REFIN的输出；

(6)上电复位电路和控制电路。

4) TLC5615工作原理

(1)TLC5615工作时序

TLC5615的工作时序如图9-13所示，从图可以看出，只有当为低电平时，串行输入数据才能被移入16位寄存器中。当为低电平时，在每一个SCLK时钟的上升沿将DIN的一位数据移入16位寄存器中。注意，二进制最高有效位被导前移入。接着，的上升沿将16位移位寄存器的10位有效数据锁存于10位DAC寄存器中，供DAC电路进行转换。当为高电平时，串行输入数据不能被移入16位移位寄存器。注意，SCLK的上升和下降都必须发生在为低电平期间。

从图9-13中还可以看出，最大串行时钟速率为：图9-13TLC5615的时序图

(2)两种工作方式从图9-12可以看出，16位移位寄存器分为高4位虚拟位、低2位填充位以及10位有效位。在单片TLC5615工作时，只需要向16位移位寄存器按先后输入10位有效位和低2位填充位，2位填充位数据任意，这是第一种方式，即12位数据序列。第二种方式为级联方式，即16位数据序列，可以将本片的DOUT接到下一片的DIN，需要向16位移位寄存器先后输入4位虚拟位、10位有效位和低2位填充位，由于增加了4位虚拟位，所以需要16个时钟脉冲。

无论工作在哪一种方式，输出电压的幅值为：其中，VREFIN为参考电压，N为输入的二进制数。

5) TLC5615与单片机的接口利用51单片机的P1口与TLC5615构成的DAC电路如图9-14所示，分别用P1.0和P1.2模拟时钟SCLK和片选信号，待转换的二进制数从P1.1输出到TLC5615的数据输入端，软件编程详细内容请参考任务2。图9-14TLC5615与51系列单片机接口电路

问1：任务1中，TLC2543的EOC引脚是否需要与51系列单片机的引脚连接？答：EOC引脚由高变低是在第12个时钟的下降沿，它标志着TLC2543开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换完成后EOC变高，标志转换结束。从理论上讲，应该通过EOC，判断是否可以进行新的周期以便从TLC2543中取出已转换的A/D数据。但是，正如前面所说，TLC2543的一次A/D转换时间约为10μs，而一般情况下，一个工作周期后，单片机的后续处理工作已大于10μs。因此，除非特别需要，一般可以不接EOC引脚。9.3互动环节

问2：任务1中，对于上电后第一个工作周期，从DATAOUT端取出的数据是否有效？答：在任务1中，一个输入/输出工作周期为12个时钟周期，随着12个时钟信号的进入，TLC2543的DATAOUT引脚送出的12位数，为上一个工作周期的A/D转换数据，而这一数据是何通道的采集量，取决于上一工作周期从DATAINPUT引脚送入TLC2543的控制字的前四位。那么对于系统上电后的第一个工作周期，从DATAOUT取出的数据是没有意义的，应该舍去。问3：任务2中TLC5615为串行的10位D/A转换芯片，在程序中，为什么要发送12位数据信息呢？程序段： for(y=0;y<12;y++)//高位到低位发送

{ DIN=x&0x8000; SCK=1; x<<=1; SCK=0;

}

答：TLC5615有两种工作方式，在任务2中，使用的是第一种工作方式，即16位移位寄存器中包括4位虚拟位、低2位填充位以及10位有效位。在任务2中，不需要使用4位虚拟位，所以10位有效位，再加2位的填充位，总共构成12位数据传送的数据的输入端DIN中。

问4：任务2中TLC5615的参考电压REFIN端为什么要接一个稳压管？答：因为参考电压是否稳定将直接影响D/A转换的输出结果，为了保证有较好的转换精度，在进行D/A转换时，在参考电压端应提供精密参考电压源，在任务2中，使用稳压管进行稳压，可以达到较为理想的结果。

知识回顾与项目小结

A/D和D/A转换器是单片机与外界联系的枢纽，由于单片机只能处理数字信号，因此当单片机系统中需要控制诸如温度、速度、压力、重量等模拟量时，就必须使用A/D和D/A转换器。在任务1中，详细介绍了A/D转换芯片TLC2543的转换原理，模拟电压(0～5V