《单片机原理、接口与C51应用程序设计》课件第10章

第10章单片机与A/D、D/A转换器的接口技术10.1A/D转换器及其接口电路

10.2单片机与D/A转换器的接口

10.1A/D转换器及其接口电路

10.1.1概述

1. A/D转换器的分类

按输出的数字量的位数，A/D转换器可分为8位A/D转换器、10位A/D转换器、12位A/D转换器、16位A/D转换器等；按输入的模拟量的路数，A/D转换器可分为单列A/D转换器、多路A/D转换器；按工作方式，可分为逐次逼近型A/D转换器、双积分型A/D转换器。逐次逼近型A/D转换器在精度、速度和价格上都适中，是最常用的A/D转换器。双积分型A/D转换器有精度高、抗干扰性能好、价格低廉等优点，但转换速度较慢。

2. A/D转换器的性能指标

1)分辨率(Resolution)或转换灵敏度

分辨率指A/D转换器能分辨的最小输入模拟量，即数字量变化1个量化单位时模拟信号的变化量，也称转换灵敏度，通常用A/D转换后的数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等，位数越高，分辨率越高，价格越贵。设一个A/D转换器模拟电压输入的满刻度值为Vmax，转换位数是n,即有2n个量化电平，则分辨率(Resolution)或转换灵敏度定义为：

2)转换时间和转换速率(ConversionRate)

转换时间指完成一次A/D转换需要的时间，从启动A/D转换开始到转换结束并得到数字量输出为止的时间，通常转换时间越短，转换速度越快。积分型A/D转换器的转换时间是毫秒级，属低速A/D转换器；逐次逼近型A/D是微秒级，属中速A/D转换器；全并行/串并行型A/D转换器可达到纳秒级。

采样时间是另外一个概念，是指两次转换的时间间隔。转换速率是指完成一次A/D转换所需时间的倒数。为了保证转换的正确完成，采样速率(SampleRate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率。转换速率的常用单位是kS/s和MS/s，表示每秒采样千/百万次(kiloMillionSamplespersecond)。

3)量化误差(QuantizingError)

由于A/D转换的工作原理决定了其不能做到完全线性，所以必然会因有限分辨率而引起误差。量化误差是指有限分辨率A/D转换器的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率A/D(理想A/D)转换器的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差，通常用1个或半个最小数字量所对应的模拟变化量来表示，表示为1LSB、1/2LSB。量化误差可以表征A/D转换器的精度。

4)线性度(Linearity)

线性度指A/D转换器的实际特性转移函数与理想直线的最大偏移，它是由A/D转换器本身的电路结构和制造工艺等原因造成的。

其它指标还包括绝对精度、相对精度、微分非线性、量程、单调性、无错码、总谐波失真和积分非线性等。表10.1给出了常见A/D转换器的性能指标。表10.1常用A/D转换器的性能指标

3. A/D转换器的选择

在系统设计中，A/D转换器的选择应注意以下几点：

1)位数的选择

A/D转换器的位数与一个应用系统前向通道中的被测量对象的精度有关。一般情况下，由于客观条件的影响，电路设计中的A/D转换器的分辨率要高于被测量对象的最低分辨率。例如，要测量一组电源电压，其输出范围是0V～10V,如要求精确到0.1V，即分辨率为0.1/10 = 0.01 = 1%，8位A/D转换器的分辨率为1/28 = 1/256 = 0.4%，则选择8位的A/D转换器便可满足要求。当然，A/D转换器的位数越多，分辨率越高，但成本也愈高。因此在实际电路的设计中选择A/D转换器也不能一味强调位数，应在满足系统性能指标的前提下，追求最高的性价比。

2)转换速率的选择

A/D转换器的转换速率与系统的设计指标息息相关，在一些高速数据采集系统(如虚拟数字示波器、雷达识别、视频图像实时分析等系统)中，往往要采用高速A/D转换器，如TI公司的ADS809，其采样转换速率可达80Mb/s；反之，对于一些参数变化缓慢的数据采集，如电源电压、温度和压力的数据采集，采用低速的A/D转换器即可，如广泛使用的ICL7135等。通常双积分型A/D转换器主要用作低速场合，但其分辨率、灵敏度和抗干扰能力较高，如常用的MC14433、ICL7109等；逐次逼近型A/D转换器一般用在中、高速的数据采集系统中，如AD574、AD7552等，但芯片的制作成本比较高。

3)输入信号的极性选择

A/D转换器可以根据系统前向通道输出信号的极性采用双极性或单极性芯片，以满足输入信号的多种需求。采用双极性芯片必然涉及一个项目成本的问题，它不但包括A/D转换芯片自身的成本，还包括提供给芯片的电源的成本(通常要增加一组负电源提供给芯片)。如果系统对被测信号精度的要求不高，则可以通过如图10.1所示的方式仅增加两个电阻，便可使只能允许正电压信号输入的A/D芯片采集负电压信号。图10.1单极性AD实现双极性信号的采集

4)抗干扰措施

一个单片机应用系统中，A/D转换器的模拟输入端比较容易受到外界干扰，这往往会导致A/D转化的结果与实际情况有一定的偏差。为防止这种干扰，应在电路设计上采取一些基本的抗干扰措施，包括PCB布线设计、电源滤波等。现在比较流行的一些模/数转换芯片TLC1543、TLC2543、TLC5510均有AGND、DGND两个接地端，分别对应模拟地和数字地。AGND、DGND在芯片的内部一般不连接，只有通过外部引线相接。在设计电路板时，AGND、DGND线应通过独立的电源线单独走线，可采用屏蔽良好的双绞线，最后统一接到电源地。AGND、DGND应当分别用0.1μF的电容去耦，电容应尽量靠近AGND和DGND引脚。同时，模拟输入信号端、数字信号输出端应严格与AGND走线隔离，不得交叉，以防止AGND上的杂波信号对输入、输出端形成干扰。有条件的话，在设计电路板时，AGND的走线最好放在模拟信号输入端，以形成屏蔽。

另外，可以根据现场的实际情况来选择A/D转换器的通道数和A/D转换器与微处理器的数据接口。接口有并行、串行之分。串行总线可采用SPI、I2C等协议，但串行接口的A/D转换器的转换速率一般都小于并行接口的A/D转换器。10.1.2并行A/D转换器及其软硬件设计

1. ADC0809的结构

ADC0809的结构框图如图10.2所示。片内有一带锁存功能的8通道多路开关，可以对8路0V～5V的输入模拟电压信号分时转换。三个地址信号ADDA、ADDB和ADDC决定是哪一路模拟信号被选中并送到内部A/D转换器中进行转换。片内还有地址锁存和译码器以及逐次逼近型寄存器等。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可以直接接到单片机数据总线上。图10.2ADC0809的内部结构框图

2.引脚及其功能

ADC0809采用28引脚的DIP封装，引脚图如图10.3所示。图10.3ADC0809引脚图

IN0～IN7：8个模拟通道输入端。

Vr(+)、Vr(-)：参考电压输入端。

ADDA、ADDB、ADDC：通道地址输入端，经译码后可选通IN0～IN7八通道中的一个通道进行转换，A为低位，C为高位。通道地址选择如表10.2所示。表10.2ADC0809通道选择表

3.工作时序

ADC0809的工作时序图如图10.4所示。图10.4ADC0809的工作时序图

4. ADC0809与MCS-51单片机的接口

ADC0809与51单片机的接口电路图如图10.5所示。图10.5ADC0809与51单片机的接口电路

5. ADC0809软件设计

ADC0809有8个模拟信号输入端，其地址位由ADDA～ADDC确定，因此程序设计中，在启动ADC0809后，应首先将被选择的通道写入，然后查询EOC的状态。当EOC为“0”电平时，读取相应的结果。

单片机可以采用定时、中断和查询3种方式来控制ADC0809进行A/D转换。图10.6是对ADC0809操作的流程图。根据流程图得到的ADC0809与51单片机的接口程序见例10.1和例10.2。图10.6ADC0809进行A/D转换的流程10.1.3SPI串行接口A/D转换器TLC1543

1. SPI总线简介

SPI(SerialPeripheralInterface，串行外设接口)总线是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换，外围设备包括FLASHRAM、A/D转换器、网络控制器、MCU等，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，可达到几Mb/s。SPI是一种全双工的同步串行接口，一个SPI总线可以连接多个主机和多个从机。在同一时刻只允许一个主机操作总线，并且同时只能和一个从机通信。硬件连接如图10.7所示。使用SPI通信需要4个引脚，其功能如表10.3所示。图10.7SPI总线器件间传送数据框图表10.3SPI引脚功能

1. TLC1543引脚及其功能

TLC1543是美国TI公司生产的CMOS工艺10位开关电容逐次逼近型11通道A/D转换器，采用SPI串行接口协议，与微处理器连接采用SPI串行总线方式，包括控制输入端片选()、输入/输出时钟(I/OCLOCK)、地址输入(ADDRESS)和一个数据输出端(DATAOUT)。系统时钟由芯片内部产生，内部转换器具有高速(转换时间为10μs)，高精度(分辨率为10位，最大不可调整误差为±1LSB)和低噪声的特点。TLC1543采用20脚DIP封装，引脚排列如图10.8所示。图10.8TLC1543引脚图

2. TLC1543的工作时序

TLC1543工作时序如图10.9所示。图10.9TLC1543工作时序

3. TLC1543与MCS-51单片机的接口

TLC1543与51单片机的接口电路如图10.10所示。图10.10TLC1543与51单片机的接口电路

4.软件设计

由于MCS-51系列单片机不带SPI串行总线接口，所以要使用软件来模拟SPI的操作，可定义三个普通I/O口来模拟SPI器件的SCK、MISO、MOSI。TLC1543在SCK的上升沿输入数据，在下降沿输出数据，所以将其串行时钟输出口的初始状态设置为1，而在允许接口后再置为0。这样单片机在输出1位SCK时钟的同时输出1位数据至单片机的模拟MISO线，此后再置SCK为1，使单片机从模拟的MOSI线输出1位数据至串行接口芯片，从而完成了模拟1位数据的输入/输出。如此循环8次即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。软件设计中，应注意区分表10.4给出的TLC1543的11个模拟输入通道和3个内部测试电压地址，通道地址必须为写入字节的高四位，而CPU读入的数据是上次A/D转换完成的数据。TLC1543SPI接口软件设计流程如图10.11所示。表10.4TLC1543地址表图10.11TLC1543SPI接口软件设计流程

2.硬件接口和PCB板设计

对于不具有SPI接口的MCS-51单片机，为了和TLC2543通信，需要用软件来模拟SPI。图10.14是TLC2543和MCS-51单片机的接口简图，TLC2543的I/O时钟、数据输入、片选由P1.3、P1.1、P1.0提供，TLC2543的转换结果通过P1.2脚接收，通道选择和方式数据通过P3口输入到微控制器。图10.14TLC2543和MCS-51单片机的接口电路

3.软件设计

TLC2543与单片机的接口的C语言程序如下(函数uintread2543(ucharport)中的port为需要转换的通道号，返回值为一个16位的整形数值)： 10.2单片机与D/A转换器的接口

10.2.1概述

1. D/A转换器的性能指标

在进行包含有D/A转换器的单片机系统设计之前，要根据D/A转换器的技术指标选择D/A芯片。下面介绍D/A转换的主要性能指标。

(1)分辨率：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，是数字量的最低有效位所对应的模拟量，取决于输入数字量的位数，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

(2)转换精度：指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。例如，满量程时理论输出电压值为10V，实际输出值在9.99V～10.01V之间，则其转换精度为±10mV。DAC的转换精度也可定义为分辨率的一半，即为±LSB/2。

(3)偏移量误差：指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。这种误差通常可以通过DAC的外接VREF和电位计加以调整。

(4)线性度：指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。线性度不应超出±LSB。

(5)建立时间：是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间。D/A转换中常用建立时间来描述其速度，而不是A/D转换中常用的转换速率。一般地，电流输出D/A转换器建立时间较短，电压输出D/A转换器建立时间则较长。

2. D/A转换器的分类

按输入数字量的位数，D/A转换器可分为8位、10位、12位和16位等形式；按接口方式，D/A转换器可分为并行方式和串行方式；按输出形式，D/A转换器可分为电流输出和电压输出两大类，而电压输出D/A转换器又分单极型和双极型。常见的D/A转换器有8位20引脚DIP封装的DAC0830系列，包括DAC0830、DAC0831、DAC0832等，10位16引脚DIP封装的DAC1020系列，包括DAC1020、DAC1021、DAC1022等，12位18引脚DIP封装的DAC1220系列，包括DAC1220、DAC1221、DAC122等，采用SPI总线协议的TLC561、TLC5602、TLC5612、TLC5615等。10.2.2DAC0832与单片机的接口

DAC0832是8位分辨率的电流型D/A转换集成芯片。该芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。其转换时间为1μs，数据输入端具有双缓冲功能，可单缓冲、双缓冲或直接数字输入，以便适于各种电路的需要，满量程误差为±1LSB，供电电源为+5V～+15V，功耗为20mW，其线性度只需在满量程下调整，逻辑电平输入与TTL兼容。

1.逻辑结构

DAC0832的内部结构框图如图10.15所示，主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器构成。图10.15DAC0832的内部结构框图

2.引脚功能

DAC0832采用20引