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8.3 A/D 转换器及接口技术

8.3 A/D 转换器及接口技术. 8.3.1 A/D 转换器概述 在大规模集成电路高速发展的今天，由于计算机控制技术在工程领域内的广泛应用， A/D 转换器在应用系统中占据着重要的地位。为了满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同，性能各异的 A/D 转换电路应运而生。尽管 A/D 转换器的种类繁多，但目前广泛使用的还是逐次比较式和双积分式。. 8.3.2 A/D 转换器的主要技术指标 A/D 转换器的主要技术指标如下： (1) 分辨率：指对输入模拟量变化的灵敏度。习惯上用输出二进制的位数或 BCD 码位数表示。

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8.3 A/D 转换器及接口技术

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  1. 8.3 A/D转换器及接口技术 • 8.3.1 A/D转换器概述 • 在大规模集成电路高速发展的今天，由于计算机控制技术在工程领域内的广泛应用，A/D转换器在应用系统中占据着重要的地位。为了满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同，性能各异的A/D转换电路应运而生。尽管A/D转换器的种类繁多，但目前广泛使用的还是逐次比较式和双积分式。

  2. 8.3.2 A/D转换器的主要技术指标 • A/D转换器的主要技术指标如下： • (1) 分辨率：指对输入模拟量变化的灵敏度。习惯上用输出二进制的位数或BCD码位数表示。 • (2) 转换精度：指与数字输出量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值。精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。 • (3) 转换速率：指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数，而完成一次A/D转换所需的时间(包括稳定时间)，为转换速率的倒数。

  3. 8.3.3 AT89C51单片机与ADC0809接口应用 • 1. ADC0809内部结构及特性 • ADC0809是8位逐次比较式A/D转换器，其内部包括8位A/D转换器，8路模拟开关、三态输出锁存器以及地址译码器等。它可分别对8路0～5 V模拟量输入信号进行转换。输出量有三态锁存缓冲，可直接连到单片机的数据总线上。图8-10是ADC0809的内部结构图。

  4. 图8-10 ADC0809内部结构图

  5. 2. ADC0809引脚功能 • 图8-11是ADC0809的引脚图，引脚功能如下： • (1)  IN0～IN7：8路模拟量输的入端。 • (2)  2-1～2-8：8位数字量输出端口，2-1为最高有效位，2-8为最低有效位。 • (3)  START：启动控制输入端，加正脉冲，立即启动A/D转换。

  6. 图8-11 ADC0809引脚图

  7. (4)  ALE：地址锁存控制端。 • (5)  EOC：转换结束信号输出端。 • (6)  OE：输出允许控制端。 • (7)  CLK：时钟信号输入端。 • (8)  REF(＋)、REF(－)：参考电压输入端，一般REF(＋)接VCC，REF(－)接GND。 • (9)  ADDA、ADDB、ADDC：8位模拟开关的3位地址选通输入端，用来选择对应的输入通道，其对应关系如表8-2所示。 • (10)  VCC和GND：电源端和接地端。

  8. ADDC ADDB ADDA 输入通道 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 • 表8-2 8路模拟开关功能表

  9. 3．AT89C51与ADC0809接口 • ADC0809与AT89C51的连接有三种方式：查询方式、中断方式和定时方式。应用时采用什么方式，应该根据具体情况来选择。 • 图8-12为单片机AT89C51与ADC0809的硬件电路图。该连接图既可作为中断方式，又可作为查询方式，通过软件编程，这两种方式都能够实现。

  10. 图8-12 AT89C51与ADC0809的接口图

  11. [例8.3] 用查询方式分别对8路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果转存到以30H为首址的数据存储区，程序如下： • MAIN： MOV R1，#30H ；置数据区首址 • MOV DPTR，#0FFF8H ；指向IN0 • MOV R7，#08H ；置通道数 • LOOP：MOVX @DPTR，Ａ ；启动A/D转换 • MOV R6，#05H ；软件延时 • DLAY： NOP • DJNZ R6，DLAY

  12. WAIT：JNB P3.2，WAIT • ；查询EOC是否为高，高则转换结束 • MOVX A，@DPTR；读取转换结果 • MOV @R1，A ；存取数据 • INC DPTR ；指向下一个通道 • INC R1 ；指向下一个存储单元 • DJNZ R7，LOOP ；巡回检测八个通道 • RET

  13. [例8.4] 利用中断方式分别对8路模拟信号轮流采集一次，转换结果依次存放在首址为30H的片内数据区，程序如下： • ORG 0000H • AJMP MAIN • ORG 0003H • AJMP PINT1 • MIAN：MOV R1，#30H ；置数据区首址 • MOV DPTR，#0FEF8H ；指向IN0 • MOV R7，#08H

  14. SETB IT0 • SETB EX0 ；开中断 • SETB EA • LOOP：MOVX @DPTR，A ；启动A/D转换 • PINT1：MOVX A，@DPTR ；读取数据 • MOV @R1，A ；存取数据

  15. INC R1 ；更新存储单元 • INC DPTR ；更新通道 • DJNZ R7，DONE • CLR EXO ；关中断 • CLR EA • RETI ；中断返回 • DONE： MOVX @DPTR，A • RETI

  16. 8.3.4 AT89C51与MC14433接口应用 • 1. MC14433的结构及特性 • MC14433是3 位双积分A/D转换器，它具有抗干扰性能好、转换精度高、自动校零、自动极性输出、自动量程控制信号输出、动态高位扫描BCD码输出、单基准电压、过量欠量程输出标志等特点，但其转换速度慢，在不要求高速转换的场合被广泛地应用。

  17. 2．MC14433引脚介绍 • MC14433的引脚如图8-13所示。各引脚功能如下： • (1)  VAG：被测电压VX和基准电压VR的接地端(模拟地)。 • (2)  VR：外接基准电压(＋2 V或＋200 mV)。 • (3)  VX：被测电压输入端。 • (4)  R1，R1/C1，C1：外接积分电阻和外接积分电容端。 • (5)  CO1，CO2：外接失调补偿电容，典型值为0.1 μF。

  18. (6)  DU：更新输出的A/D转换数据结果的输入端，当DU与EOC相连时，每次的A/D转换结果都被更新。 • (7)  CLK1，CLK0：时钟信号输入、输出端。 • (8)  VDD、VEE：分别为正电源端(接＋5 V)和模拟负电源端(接－5 V)。 • (9)  VSS：数字地或系统地。 • (10)  EOC：转换周期结束标志，每当一个A/D转换周期结束，输出一个宽度为时钟周期二分之一的正脉冲。

  19. (11)   (11) OR：过量程标志，平时为高电平，当|VX|>VR时，为低电平。 • (12)  DS1～DS4：多路选通脉冲输出端，DS1对应千位，DS4对应个位，每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相邻脉冲之间间隔2个时钟周期，其脉冲时序图见图8-14。

  20. 图8-14 MC14433选通脉冲时序图

  21. (13)  Q0～Q3：BCD码数据输出端，其中Q0为最低位，Q3为最高位。在DS2、DS3和DS4选通期间，分别输出三位完整的BCD码，即0～9这10个数码中的任何一个。但在DS1选通期间，Q0～Q3输出除了表示千位的0或1外，还表示了正负极性及欠过量程，其含义见表8-3。

  22. DS1 Q3 Q2 Q1 Q0 输出结果状态 1 1 × × 0 千位数为0 1 0 × × 0 千位数为1 1 × 1 × 0 输出结果为正值 1 × 0 × 0 输出结果为负值 1 0 × × 1 输入信号为过量程 1 1 × × 1 输入信号为欠量程 • 表8-3 DS1选通时Q0～Q3表示的输出结果

  23. 3．AT89C51与MC14433的接口 • 由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出BCD码。Q0～Q3和DS1～DS4都不是总线式的，因此，单片机只能通过并行口或扩展并行口与其相连。图8-15为AT89C51与MC14433的硬件接口图。

  24. 图8-15 AT89C51与MC14433接口图

  25. 图8-15中，MC14433用集成精密＋2.5 V电压基准源经电位器分压作为A/D转换的基准电压。EOC与DU相连，用来选择连续转换方式，每次转换结果都送至输出寄存器，并且由EOC作为查询或中断方式读取转换结果的输入信号。 • 用MC14433设计的A/D转换电路中，在程序设计时，因为要对符号位进行位处理，所以要将数据保存在能够进行位处理的单元。下面的程序是在中断程序中用查询方式读取MC14433的BCD码扫描输出值，并将读取的数据存在能进行位寻址的2EH、2FH单元，数据存放格式如图8-16所示。

  26. 图8-16 数据存放格式

  27. 程序如下： • MAIN：SETB IT1 ；INT1为边沿触发方式 • MOV IE，#10000100B • ；CPU开中断，允许INT1中断 • 中断服务程序： • PINT1： MOV A，P1 • JNB ACC.4，PINT1 ；等待DS1信号 • JB ACC.0，PER ；过欠量程转PER

  28. JB ACC.2，PL1 ；结果为正转PL1 • SETB 77H ；负数，符号位置1 • AJMP PL2 • PL1：CLR 77H ；正数，符号位清0 • PL2：JB ACC.3，PL3 ；ACC.3=0时，千位数为1 • SETB 74H ；千位数置1 • AJMP PL4

  29. PL3：CLR 74H ；千位数清零 • PL4：MOV A，P1 • JNB ACC.5，PL4 • ；等待百位BCD码的选通信号 • MOV R0，#2EH • XCHD A，@R0 ；百位数送入2EH低4位 • PL5：MOV A，P1 • JNB ACC.6，PL5 ；等待十位数选通信号DS3

  30. SWAP A ；高低4位交换 • INC R0 ；指向2FH单元 • MOV @R0，A ；十位数送入2FH • PL6：MOV A，P1 • JNB ACC.7，PL6 ；等待个位数选通信号DS4 • XCHD A，@R0 ；个位数送入2FH低4位 • RETI • PER：SETB 10H ；置过欠量程标志 • RETI

  31. 8.4 D/A转换器及接口技术 • 8.4.1 D/A转换器的主要技术指标 • 1. 分辨率 • 分辨率指最小输出电压(对应的输入数字量最低有效位为1)与最大输出电压(对应的数字输入量所有位全为1)之比。 • 例如，对于10位D/A转换器，其分辨率为

  32. 2. 转换精度 • D/A的转换精度主要取决于D/A转换器的二进制位数。例如，8位的D/A相对误差是1/256，16位的D/A相对误差为1/65 536。显然，二进制位数越多精度越高。 • 3. 建立时间 • D/A转换器是指从数字输入端发生变化开始，到输出模拟信号电压(或模拟信号电流)达到满刻度值(1/2)LSB时所需要的时间。

  33. 8.4.2 D/A转换器与单片机的接口 • 1. 不带数据锁存器的D/A转换器的接口方法 • 对于这类D/A转换器与单片机的接口连接，只需在D/A转换器输入端外加一个锁存器即可。MC1408是一个不带锁存器的8位D/A转换器，图8-17是MC1408与89C51的接口连线图。

  34. 从图8-17中可知，由于MC1408不带数据锁存器，所以用一片片外锁存器74LS273作为具有数据锁存的并行输出口，其输出端与MC1408的输入端相连，用2.5 V的AD580作为D/A的参考电压源。MC1408的输出外接一个运放，目的是由电流型转换为电压型的输出，用RBP选择输出电压的极性：若连上RBP，输出电压是双极性的；若断开RBP，则输出电压是单极性的。

  35. 图8-17 不带数据锁存器的D/A转换器与AT89C51的连接图

  36. 根据图8-17中的连接方法，选通74LS273的口地址为FEH，以下三条指令就能实现D/A转换。根据图8-17中的连接方法，选通74LS273的口地址为FEH，以下三条指令就能实现D/A转换。 • MOV A，#NN ；NN为待转换的数字量 • MOV R0，#0FEH ；送口地址 • MOVX @R0，A ；输出转换数据

  37. 执行MOVX指令，即产生信号，将锁存在74LS273中的数据输出到MC1408，立即进行D/A转换。执行MOVX指令，即产生信号，将锁存在74LS273中的数据输出到MC1408，立即进行D/A转换。 • 以下程序可以产生连续的锯齿波。 • MOV R0，#0FEH • MOV A，#00H ；置转换初值 • LOOP：MOVX @R0，A ；启动D/A转换 • INC A ；转换值加1 • AJMP LOOP

  38. 2. 带数据锁存器的D/A转换器的接口方法 • 1)  DAC0832特性与结构 • DAC0832具有两个输入数据寄存器的8位DAC，分辨率为8位，电流稳定时间1 μs，可采用单缓冲、双缓冲或直接数字输入工作方式，转换结果为电流型，它能直接与51系列单片机接口。DAC0809是单一电源供电(＋5 V～＋15 V)，低功耗。图8-18是DAC0832的内部逻辑结构图。

  39. 图8-18 DAC0832的内部结构图

  40. 2)  DAC0832引脚功能介绍 • 图8-19是DAC0832的引脚图。各引脚功能如下： • (1)  DI0～DI7：数据输入线。 • (2)  ILE：数据锁存允许端，高电平有效。 • (3) ：输入寄存器选择信号端，低电平有效。 • (4)  ：输入寄存器的写选通信号端，低电平有效。 • (5)   ：DAC寄存器的写选通信号端，低电平有效。 • (6)   ：数据转换控制信号线，低电平有效。

  41. 图8-19 DAC0832的引脚图

  42. (7)  VREF：基准电源输入端。 • (8)  Rfb：反馈信号输入端(反馈电阻在芯片内部)。 • (9)  IOUT1、IOUT2：电流输出端。 • (10)  VCC：电源输入端。 • (11)  AGND：模拟信号地。 • (12)  DGND：数字信号地。

  43. 3)  DAC0832与AT89C51的接口 • 从图8-19可知，只有当和ILE同时有效时，才能够通过 将数据写入输入寄存器。 • (1) 单缓冲工作方式：在应用系统中，当只有一路模拟量输出或虽有多路模拟量但不需要做同步输出时，就可以采用单缓冲工作方式。

  44. 图8-20 DAC0832单缓冲方式下的连接方法

  45. 在图8-20中，D/A转换器的基准电压VREF取自MC1403的分压输出，LM324的功能是把电流型输出转换成单极性的电压型输出，由于 、 并接到地址锁存器的A0，所以0832的口地址为FFFEH。 • 按照图8-23，产生梯形波的程序如下：

  46. START： MOV DPTR，#0FFFEH ；选中0832 • STEP： MOV R6，#20H ；置阶跃值 • MOV R4，#05H ；置阶跃次数 • MOV A，#00H ；送初值 • LOOP： MOVX @DPTR，A ；启动D/A转换 • ACALL DELAY ；调延时程序 • ADD A，R6 ；加阶跃值 • DJNZ R4，LOOP ；重复数到否 • AJMP STEP

  47. (2) 双缓冲工作方式：双缓冲工作方式用于需要同时输出几路模拟信号的场合。此种方式下，每一路模拟量都需要一片DAC0832，从而构成多个0832同步输出系统，图8-21是两路模拟信号同步输出的电路连接方法。

  48. 图8-21 两路模拟信号同步输出系统

  49. 下面是按照图8-21使两路模拟电压同时输出的程序清单：下面是按照图8-21使两路模拟电压同时输出的程序清单： • MOV DPTR，#0FFFEH • MOV A，#Xdata • MOVX @DPTR，A • ；Xdata写入第一片0832的输入寄存器 • MOV DPTR，#0FFFDH • MOV A，#Ydata

  50. MOVX @DPTR，A • ；Ydata写入第二片0832的输入寄存器 • MOV DPTR，#0FBH • MOV @DPTR，A • ；两片0832的输入寄存器的数据同时送到各自的DAC寄存器

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