第11章 MCS-51與D/A轉(zhuǎn)換器、 A/D轉(zhuǎn)換器的接口,一、作業(yè),二、MCS-51與DAC的接口,D/A轉(zhuǎn)換器的原理及主要技術(shù)指標(biāo),MCS-51與8位DAC0832的接口,MCS-51與12位DAC1208的接口,非電物理量（溫度、壓力、流量、速度等），須經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)（電壓或電流），必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能在單片機(jī)中處理。,A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）：模擬量數(shù)字量的器件， D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）：數(shù)字量模擬量的器件。,數(shù)字量，也常常需要轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。,11.1 MCS-51與DAC的接口,輸入：數(shù)字量，輸出：模擬量。 轉(zhuǎn)換過(guò)程：送到DAC的各位二進(jìn)制數(shù)按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬分量，再把各模擬分量疊加，其和就是D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果。,使用D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，要注意區(qū)分:,* D/A轉(zhuǎn)換器的輸出形式;,* 內(nèi)部是否帶有鎖存器。,11.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的原理及主要技術(shù)指標(biāo),型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 ：,虛地,1、D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理,輸出電壓 的大小與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系：,注：因使用反相比例放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，所以輸出模擬信號(hào)(VO)的極性與參考電壓(VREF)極性相反。,n位數(shù)字量B與模擬量的關(guān)系式：當(dāng),2.主要技術(shù)指標(biāo),(1)分辨率（Resolution）,輸入給DAC的單位數(shù)字量變化引起的模擬量輸出的 變化，通常定義為輸出滿刻度值與2n之比。顯然，二 進(jìn)制位數(shù)越多，分辨率越高。,例如，若滿量程為10V，根據(jù)定義則分辨率為 10V/2n。設(shè)8位D/A轉(zhuǎn)換，即n=8，分辨率為10V/2n =39.1mV，該值占滿量程的0.391%，用1LSB表示。,同理：10位 D/A：1 LSB=9.77mV=0.1% 滿量程 12位 D/A：1 LSB=2.44mV=0.024% 滿量程,根據(jù)對(duì)DAC分辨率的需要,來(lái)選定DAC的位數(shù)。,(2)建立時(shí)間（Establishing Time）,描述DAC轉(zhuǎn)換快慢的參數(shù),表明轉(zhuǎn)換速度。 定義：為從輸入數(shù)字量到輸出達(dá)到終值誤差(1/2)LSB (最低有效位)時(shí)所需的時(shí)間。電流輸出時(shí)間較短，電壓輸出的，加上I-V轉(zhuǎn)換的時(shí)間，因此建立時(shí)間要長(zhǎng)一些?？焖貲AC可達(dá)1s以下。,線性度（也稱非線性誤差）是實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想直線特性之間的最大偏差。常以相對(duì)于滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。如是指實(shí)際輸出值與理論值之差在滿刻度的以內(nèi)。,(3)線性度（Linearity）,絕對(duì)精度（簡(jiǎn)稱精度）是指在整個(gè)刻度范圍內(nèi)，任一輸入數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的模擬量實(shí)際輸出值與理論值之間的最大誤差。絕對(duì)精度是由DAC的增益誤差（當(dāng)輸入數(shù)碼為全1時(shí)，實(shí)際輸出值與理想輸出值之差）、零點(diǎn)誤差（數(shù)碼輸入為全時(shí)，DAC的非零輸出值）、非線性誤差和噪聲等引起的。絕對(duì)精度（即最大誤差）應(yīng)小于1個(gè)LSB。,相對(duì)精度與絕對(duì)精度表示同一含義，用最大誤差相對(duì)于滿刻度的百分比表示。,(4)絕對(duì)精度和相對(duì)精度（Conversion Accuracy）,應(yīng)當(dāng)注意，精度和分辨率具有一定的聯(lián)系，但概念不同。DAC的位數(shù)多時(shí)，分辨率會(huì)提高，對(duì)應(yīng)于影響精度的量化誤差會(huì)減小。但其它誤差（如溫度漂移、線性不良等）的影響仍會(huì)使DAC的精度變差。,DAC0832是使用非常普遍的位D/A轉(zhuǎn)換器，由于其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器，故可以直接與單片機(jī)接口。DAC0832以電流形式輸出，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換為電壓輸出時(shí)，可外接運(yùn)算放大器。屬于該系列的芯片還有DAC0830、DAC0831，它們可以相互代換。DAC0832主要特性：,分辨率位； 電流建立時(shí)間S； 數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式； 輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)節(jié)； 邏輯電平輸入與TTL電平兼容； 單一電源供電（5V15V）； 低功耗，20m。,11.1.2 MCS-51與8位DAC0832的接口,1. DAC0832芯片介紹,DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)：,（2）DAC0832的引腳及邏輯結(jié)構(gòu),引腳：,2.DAC的應(yīng)用,(1) 單極性電壓輸出,單極性模擬電壓輸出，可采用圖11-5或圖11-9所示接線。輸出電壓Vout與輸入數(shù)字量B的關(guān)系:,Vout = -（B/256）VRFE 式中，B=b727+ b626+ b121+ b020；,B為0時(shí)，Vout也為0，輸入數(shù)字量為255時(shí)，Vout為 最大值,單極性。,雙極性電壓輸出，采用圖11-3接線：,Vout =（B-128） （VREF/128）,由上式，在選用+VREF時(shí)，（1）若輸入數(shù)字量b71，則Vout為正；（2）若輸入數(shù)字量b70，則Vout為負(fù)。 在選用-VREF時(shí)，Vout與+VREF時(shí)極性相反。,（2）雙極性電壓輸出,-VREF0,（3）DAC用作程控放大器,DAC還可作程控放大器，見(jiàn)圖11-4。,DAC的輸出和輸入之間的關(guān)系:,Vout = -Vin*(256/B）,256/B看作放大倍數(shù)。但輸入數(shù)字量B不得為“0”。,3. MCS-51與DAC0832的接口電路,有3種工作方法：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。,地址FEH,MOV R0，#0FEH ；DAC地址FEHR0,MOVX R0，A ；WR*和譯碼器FEH輸出端有效,(2)單緩沖方式,例11-1 DAC0832用作波形發(fā)生器。分別寫出產(chǎn)生鋸 齒波、三角波和矩形波的程序。,(1) 鋸齒波的產(chǎn)生,ORG 2000H,START: MOV R0，#0FEH ；DAC地址FEH R0,MOV A， #00H ；數(shù)字量A,LOOP: MOVX R0，A ；數(shù)字量D/A轉(zhuǎn)換器,INC A ；數(shù)字量逐次加1,SJMP LOOP,每一上升斜邊分256個(gè)小臺(tái)階，每個(gè)小臺(tái)階暫留時(shí)間為執(zhí)行后三條指令所需要的時(shí)間。,(2) 三角波的產(chǎn)生,ORG 2000H,START: MOV R0，#0FEH,MOV A，#00H,UP: MOVX R0，A ；三角波上升邊,INC A,JNZ UP,DOWN: DEC A ；A=0時(shí)再減1又為FFH,MOVX R0，A,JNZ DOWN ；,三角波下降邊,SJMP UP,(3) 矩形波的產(chǎn)生,ORG 2000H,START: MOV R0，#0FEH,LOOP: MOV A，#data1,MOVX R0，A ；置矩形波上限電平,LCALL DELAY1 ；調(diào)用高電平延時(shí)程序,MOV A，#data2,MOVX R0，A ；置矩形波下限電平,LCALL DELAY2 ；調(diào)用低電平延時(shí)程序,SJMP LOOP ；重復(fù)進(jìn)行下一個(gè)周期,DELAY1、DELAY2為兩個(gè)延時(shí)程序，決定矩形波高、低電平時(shí)的持續(xù)時(shí)間。頻率也可采用延時(shí)長(zhǎng)短來(lái)改變。,單緩沖方式適用于只有一路模擬量輸出，或有幾路模擬量輸出但并不要求同步的系統(tǒng)。,電阻的作用？,練習(xí) D/A轉(zhuǎn)換程序，用DAC0832輸出0+5V鋸齒波，電路為單緩沖方式。設(shè)VREF=-5V，若DAC0832地址為7FFFH，脈沖周期要求為100ms。,DACS：MOV DPTR，# 7FFFH ；0832 I/O地址 MOV A，#00H ；開(kāi)始輸出0V DACL：MOVX DPTR，A ；D/A轉(zhuǎn)換 INC A ；升壓 ACALL DELAY ；延時(shí)100ms/256：決定鋸齒波的周期 AJMP DACL ；連續(xù)輸出 DELAY： ；延時(shí)子程序,（3）雙緩沖方式,圖11-9中DAC輸出的VX和VY信號(hào)要同步，控制X-Y繪圖儀繪制的曲線光滑，否則繪制的曲線是階梯狀。多路同步輸出，必須采用雙緩沖同步方式。,1#DAC0832因和譯碼器FDH相連，占有兩個(gè)端口地址FDH和FFH。2#DAC0832的兩個(gè)端口地址為FEH和FFH。其中，F(xiàn)DH和FEH分別為1#和2#DAC0832的數(shù)字量輸入控制端口地址，而FFH為啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換的端口地址。,讀P286,例11-2 內(nèi)部RAM中兩個(gè)長(zhǎng)度為20的數(shù)據(jù)塊，起始地址為分別為addr1和addr2，編寫能把a(bǔ)ddr1和addrr2中 數(shù)據(jù)從1#和2#DAC0832同步輸出的程序。addr1和addr2中的數(shù)據(jù)，為繪制曲線的X、Y坐標(biāo)點(diǎn)。,DAC0832各端口地址：,FDH: 1#DAC0832數(shù)字量輸入控制端口,FEH: 2#DAC0832數(shù)字量輸入控制端口,FFH: 1#和2#DAC0832啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換端口,工作寄存器0區(qū)的R1指向addr1；1區(qū)的R1指向addr2；0區(qū)的R2存放數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度；0區(qū)和1區(qū)的R0指向DAC端口地址。程序?yàn)椋?ORG 2000H,addr1 DATA 20H ； 定義存儲(chǔ)單元 addr2 DATA 40H ； 定義存儲(chǔ)單元,DTOUT: MOV R1，#addr1 ； 0區(qū)R1指向addr1 MOV R2，#20 ； 數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度送0區(qū)R2 SETB RS0 ； 切換到工作寄存器1區(qū) MOV R1，#addr2 ； 1區(qū)R1指向addr2 CLR RS0 ； 返回0區(qū),NEXT: MOV R0，#0FDH ； 0區(qū)R0指向1#DAC0832 ；數(shù)字量控制端口 MOV A，R1 ； addr1中數(shù)據(jù)送A MOVX RO，A ； addr1中數(shù)據(jù)送1#DAC0832,INC R1 ； 修改addr1指針0區(qū)R1,SETB RS0 ； 轉(zhuǎn)1區(qū)。 MOV R0，#0FEH ；1區(qū)R0指向2#DAC0832數(shù)字量 ；控制端口 MOV A，R1 ；addr2中數(shù)據(jù)送A MOVX R0，A ；addr2中數(shù)據(jù)送2#DAC0832,INC R1 ；修改addr2指針1區(qū)R1 INC R0 ；1區(qū)R0指向DAC的啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換端口,MOVX R0，A ；啟動(dòng)DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換,CLR RS0 ；返回0區(qū),DJNZ R2，NEXT ；若未完，則跳NEXT LJMP DTOUT ；若送完，則循環(huán),END,11.1.3 MCS-51與12位DAC1208的接口,8位DAC分辨率不夠，可采用12位DAC。常用的有AC1208系列與DAC1230系列。,1.DAC1208系列的結(jié)構(gòu)引腳及特性,雙緩沖結(jié)構(gòu)。不是用一個(gè)12位鎖存器，而是用一個(gè)8位鎖存器和一個(gè)4位鎖存器，以便和8位數(shù)據(jù)線相連。,主要特性：,（1）輸出電流穩(wěn)定時(shí)間：1s；,（2）基準(zhǔn)電壓：VREF= -10 +10V；,（3）單工作電源：+5 +15V；,（4）低功耗：20mW。,引腳功能：,CS*：片選信號(hào)。,WR1*：寫信號(hào)，低電平有效,BYTE1/BYTE2*：字節(jié)順序控制信號(hào)。1：開(kāi)啟8位和4位兩個(gè)鎖存器，將12位全部打入鎖存器。0：僅開(kāi)啟4位輸入鎖存器。,XFER*：傳送控制信號(hào)，與WR2*信號(hào)結(jié)合，將輸入鎖存器中的12位數(shù)據(jù)送至DAC寄存器。,WR2*：輔助寫。該信號(hào)與XFER*信號(hào)相結(jié)合，當(dāng)同 為低電平時(shí)，把鎖存器中數(shù)據(jù)打入DAC寄存器。當(dāng)為 高電平時(shí)，DAC寄存器中的數(shù)據(jù)被鎖存起來(lái)。,DI0-DI11:12位數(shù)據(jù)輸入。,IOUT1 ：D/A轉(zhuǎn)換電流輸出1。當(dāng)DAC寄存器全1時(shí)，輸 出電流最大，全0時(shí)輸出為0,IOUT2 ：D/A轉(zhuǎn)換電流輸出2。IOUT1+IOUT2=常數(shù),RFB： 反饋電阻輸入,VREF ：參考電壓輸入,IOUT1 ：D/A轉(zhuǎn)換電流輸出1。當(dāng)DAC寄存器全1時(shí)，輸 出電流最大，全0時(shí)輸出為0,IOUT2 ：D/A轉(zhuǎn)換電流輸出2。IOUT1+IOUT2=常數(shù),VCC ：電源電壓,DGND、AGND：數(shù)字地和模擬地,2. 接口電路設(shè)計(jì)及軟件編程,接口電路設(shè)計(jì),8031與DAC1208轉(zhuǎn)換器的接口如圖11-11。,高8位輸入寄存器端口地址：4001H;,低4位寄存器端口地址： 4000H;,DAC寄存器的端口地址： 6000H。,由于8031的P0.0分時(shí)復(fù)用，所以用P0.0與DAC1208的 BYTE1/BYTE2*相連時(shí)，要有鎖存器74LS377。,外接AD581做10V基準(zhǔn)電壓源。模擬電壓輸出接為雙 極性。,采用雙緩沖方式。先送高8位數(shù)據(jù)DI11 DI4,再送入低4位數(shù)據(jù)DI3DI0，而不能按相反的順序傳送。如先送低4位后送高8位，結(jié)果會(huì)不正確。,在12位數(shù)據(jù)分別正確地進(jìn)入兩個(gè)輸入寄存器后,再打開(kāi)DAC寄存器。,單緩沖方式不合適，在12位數(shù)據(jù)不是一次送入的情況下，邊傳送邊轉(zhuǎn)換，會(huì)使輸出產(chǎn)生錯(cuò)誤的瞬間毛刺。,圖中DAC1208的電流輸出端外接兩個(gè)運(yùn)放LF356，其中運(yùn)放1用作I/V轉(zhuǎn)換，運(yùn)放2實(shí)現(xiàn)雙極性電壓輸出（-10V+10V）。,電位器W1定零點(diǎn)，電位器W2定滿度。,（2）軟件編程,設(shè)12位數(shù)字量存放在內(nèi)部RAM的兩個(gè)單元，12位數(shù)的高8位在DIGIT單元，低4位在DIGIT+1單元的低4位。 按圖11-11電路，D/A轉(zhuǎn)換程序如下：,MOV DPTR，#4001H ; 8位輸入寄存器地址,MOV R1，#DIGIT ; 高8位數(shù)據(jù)地址,MOV A，R1 ; 取出高8位數(shù)據(jù),MOVX DPTR，A ; 高8位數(shù)據(jù)送DAC1208,DEC DPL ; 指向4位輸入寄存器地址,INC R1 ; 低4位數(shù)據(jù)地址,MOV A，R1 ; 取出低4位數(shù)據(jù),MOVX