1、第十章 I/O過程通道 （數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口）D/A1.單片機測控系統(tǒng)基本構(gòu)成2.D/A轉(zhuǎn)換的概念及主要技術(shù)指標3.基于R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)D/A工作原理4.8位DAC0832芯片原理及接口編程方法A/D5.A/D轉(zhuǎn)換的概念及主要技術(shù)指標6.8位ADC0809芯片原理及接口編程方法。第十章 I/O過程通道 （數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口）D單片機測控系統(tǒng)基本構(gòu)成 在微機過程控制和數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中，經(jīng)常要對過程參數(shù)進行測量和控制 。測量傳感器模擬信號輸出模擬信號控制執(zhí)行元件過程控制示意圖如溫度、力矩、壓力、位移等如電機調(diào)速、伺服機構(gòu)等物理過程微 機傳感器A/DD/A執(zhí)行機構(gòu)物理過程v / iDataDat

2、a模擬量數(shù)字量模擬量單片機測控系統(tǒng)基本構(gòu)成 在微機過程控制和數(shù)據(jù)采集等2. D/A轉(zhuǎn)換的概念和主要技術(shù)指標能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量（連續(xù)電流或電壓）的器件稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC-Digital to Analog Converter)。從信號的形式理解相當(dāng)于離散量到連續(xù)量的變換。DAC數(shù)字模擬電壓/電流000000000000000100000010111111110V5V數(shù)字量輸入模擬電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換的過程和本質(zhì)D/A芯片2. D/A轉(zhuǎn)換的概念和主要技術(shù)指標能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)主要技術(shù)指標1）分辨率：數(shù)字量對應(yīng)于模擬量的分辨能力，通常用輸入量二進制數(shù)的位數(shù)表示，

3、常見有8、10、12、14、16位等。2）轉(zhuǎn)換精度：描述實際模擬量輸出和理想輸出值之間的最大偏差，一般用 lsb表示。3）轉(zhuǎn)換時間：完成一次數(shù)字量到模擬量之間轉(zhuǎn)換需要的時間，多用ms或者us表示。*轉(zhuǎn)換速度：轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)，即每秒鐘能夠完成的數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換的次數(shù)，常見范圍為幾十K數(shù)百M次不等。D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)主要技術(shù)指標4）輸出模擬量形式及范圍：DAC芯片輸出形式有電壓型和電流型兩種，電壓型又可分為單極性輸出(uni-polar)和雙極性輸出（bi-polar）兩種。比如電壓型（02.5V,05V，5V，10V），電流型（010mA,020mA）其他有關(guān)參數(shù)與控制器總線接口形式（并行

4、總線接口（INTEL)串行總線接口（SPI/I2C等）輸出通道數(shù)（1、2、4、8等）4）輸出模擬量形式及范圍：DAC芯片輸出形式有電壓型和電流型DAC指標熟悉舉例1：某電壓輸出型DAC芯片，模擬電壓輸出范圍為05V,分辨率12位，無符號數(shù)字量輸入。則：1 lsb = 5V/212-1 = 5/4095 = 1.22mV則數(shù)字量輸入-模擬電壓輸出 對應(yīng)關(guān)系：0-0V 2047-2.497V1-1.22mV 4095-4.9959V1023-1.248VVout = Din*1lsb如果換成010mA電流型DAC，則1 lsb = 0.00244mA = 2.44uA，其他計算過程類似。DAC指標

5、熟悉舉例1：某電壓輸出型DAC芯片，模擬電壓輸出范舉例2：某雙極性DAC芯片，+/-5V輸出，10位分辨率，有符號輸入型。則1 lsb = 2FS/(1024-1) = 10/1023 = 9.77mV有符號型數(shù)字-模擬量對應(yīng)關(guān)系一般為0111111111- +4.9924V0000000001-0.00977V0000000000-0.000V1111111111- -0.00977V1000000000- -4.9924V也有很多雙極性電壓輸出型DAC采用的是無符號數(shù)字輸入型，其對應(yīng)關(guān)系為舉例2：某雙極性DAC芯片，+/-5V輸出，10位分辨率，有1111111111- 4.9924V10

6、00000000- 0.00V0111111111- -0.00977V0000000000- -5.00V掌握DAC數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換的對應(yīng)關(guān)系對應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計非常有益。1111111111- 4.9924V工作原理:IO+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRdi為1 Si與運放的反相輸入端連接 uo = -IO1 RFdi為0 Si與地連接IO1d0d1d2d3+-AuoRF3. 基于R-2R T形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)的DAC基本原理工作原理:IO+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+URIR0011 22

7、33 RRRRIR = UR /RI3 = IR 21 =21URRI2 = IR 41 =22URRI1 = IR 81 =23URRI0 = IR 161 =24URRIO1IO1=d3I3+ d2I2+ d1I1+ d0I0倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+U+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3IO1=d3I3+ d2I2+ d1I1+ d0I0I1I2I3I0= （d323+ d2 22 + d1 21 + d0 20）24URRUO1=-IO1RF= （d323+ d2 22 + d1 2

8、1 + d0 20）24UR RFR+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2RUO1=-IO1RF= （d323+ d2 22 + d1 21 + d0 20）24UR RFR若為n位二進制數(shù)，則UO1= （dn-12n-1+ dn-2 2n-2 + + d0 20）2nUR RFR若RF=R，則UO1= （dn-12n-1+ dn-2 2n-2 + + d0 20） 2nUR即輸出電壓的大小正比于輸入二進制數(shù)的大小，實現(xiàn)了數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換UO1=-IO1RF= （d3234. MCS-51單片機與8位D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù) 一、DAC0832的技術(shù)指標電流型輸出；分辨率8位

9、；電流穩(wěn)定時間1s；并行接口，可雙緩沖，單緩沖或直接數(shù)字輸入（無緩沖）；單一電源供電(+5V+15V)；二、DAC0832的結(jié)構(gòu)及原理4. MCS-51單片機與8位D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù) 一、D輸出為模擬電流，可轉(zhuǎn)換為電壓。LE1或LE2=1，當(dāng)前寄存器的輸出跟隨輸入LE1或LE2=0，鎖存數(shù)據(jù)輸出為模擬電流，可轉(zhuǎn)換為電壓。LE1或LE2=1，當(dāng)前寄存器引腳功能：三、DAC0832管腳功能 D0D7 數(shù)據(jù)線ILE輸入鎖存允許信號CS片選信號WR1、WR2：寫控制XFER：傳遞信號I01、I02：電流輸出端Rfb：內(nèi)部集成反饋電阻 VREF：參考電壓輸入 VCC：數(shù)字電路供電電壓 AGND：模擬地

10、；DGND：數(shù)字地。引腳功能：三、DAC0832管腳功能 D0D7 數(shù)據(jù)線I DAC0832與51單片機的接口方法1、單緩沖型接口方法 (a)右圖(a)的接口電路是把DAC寄存器接成常通狀態(tài)；即ILE接高電平，和 接地， 與P2.7口連接， 與單片機的 端連接。 DAC0832與51單片機的接口方法1、單緩沖型接口方法(b)(b)(c)(c)雙緩沖型接口電路主要應(yīng)用在多路D/A轉(zhuǎn)換器同步系統(tǒng)中。 2、 雙緩沖型接口方法 雙緩沖型接口電路主要應(yīng)用在多路D/A轉(zhuǎn)換器同步系統(tǒng)中。 2、五、D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式 1、單極性輸出輸出于數(shù)字量DATA相對應(yīng) 模擬量：MOVDPTR，#7FFFHMOVA，

11、#DATAMOVXDPTR,A五、D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式 1、單極性輸出輸出于數(shù)字量DAT(1) 反向鋸齒波程序清單MSW：MOV DPTR，#7FFFH ；指向D/A輸入寄存器 DA0： MOV R7，#80H ；置輸出初值 DA1： MOV A，R7 ；數(shù)字量送A MOVX DPTR，A ；送D/A轉(zhuǎn)換 DJNZ R7，DA1 ；修改數(shù)字量 AJMP DA0 ；重復(fù)下一個波形 利用DAC進行信號波形輸出應(yīng)用舉例-5V+5V0(1) 反向鋸齒波程序清單 利用DAC進行信號波形輸出應(yīng)(2) 正向鋸齒波程序清單 PSW： MOV DPTR，#0BFFFH ；指向D/A輸入寄存器 DAP0：MOV

12、 R7，#80H ；置輸出初值 DAP1：MOV A，R7 ；數(shù)字量送A MOVX DPTR，A ；送D/A轉(zhuǎn)換 INC R7 ；修改數(shù)字量 CJNE R7，#255，DAP1 ；數(shù)字量255，轉(zhuǎn)DAP1 AJMP DAP0 ；重復(fù)下一個波形-5V+5V0(2) 正向鋸齒波程序清單-5V+5V0(3) 三角波程序清單 SSW：MOV DPTR，#80BFFFH DAS0：MOV R7，#80H DAS1：MOV A，R7 MOVX DPTR，A INC R7 CJNE R7，#255，DAS1 DAS2: DEC R7 MOV A，R7 MOVX DPTR，A CJNE R7，#80H，DAS

13、2 AJMP DAS0+5V-5V0(d)(3) 三角波程序清單+5V-5V0(d)(4) 正弦波電壓輸出正弦波電壓輸出為雙極性電壓，最簡單的辦法是將一個周期內(nèi)電壓變化的幅值(-5V+5V)按8位D/A分辨率分為256個數(shù)值列成表格，然后依次將這些數(shù)字量送入D/A轉(zhuǎn)換輸出。只要循環(huán)不斷地送數(shù)，在輸出端就能獲得正弦波輸出。 SIN： MOV R7，#00H DAS0：MOV A，R7 ； MOV DPTR，#TABH；設(shè)指針 MOVC A，A+DPTR ；查表取數(shù)據(jù) MOV DPTR，#8000H ；尋址DAC0832 MOVX DPTR，A ；送D/A轉(zhuǎn)換 INC R7 ；修改偏移量 AJMP

14、 DAS0 ； TAB： DB 80H，83H，86H，89H，8DH，90H DB93H，96H，99H，9CH，9FH，0A2H DB 0A5H，0A8H，0ABH，0AEH DB 6FH，72H，76H，79H，7CH，80H(4) 正弦波電壓輸出正弦波電壓輸出為雙極性電壓，最簡5.A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換的概念和主要技術(shù)指標A/D轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為A/D轉(zhuǎn)換（模-數(shù)轉(zhuǎn)換，Analog to Digital Conversion)ADC模擬電壓/電流離散的數(shù)字值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換的過程原理5.A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換的概念和主要技術(shù)指標ADC模擬電一、A/D轉(zhuǎn)換的三個基本過程1

15、.采樣采樣過程實質(zhì)是用一個固定周期的單位脈沖序列去和被測量信號進行卷積，從而得到一個被測信號時間上離散化的序列，其采樣時刻的值等于被測信號幅值。一、A/D轉(zhuǎn)換的三個基本過程1.采樣采樣過程實質(zhì)是用一個固定取樣與保持過程往往是通過取樣保持電路同時完成的。取樣保持電路的原理圖及輸出波形如圖所示。 采樣保持電路（a）原理圖（b）波形圖取樣與保持過程往往是通過取樣保持電路同時完成的。取樣保持2.量化2.量化根據(jù)以上采樣理論，可以把A/D轉(zhuǎn)換過程理解為通過一個裝置把傳感器模擬信號轉(zhuǎn)換成一個對應(yīng)的數(shù)字信號。（數(shù)字信號是指時間上離散、幅值也離散的信號）A/D轉(zhuǎn)換器的幾項主要指標都與此相關(guān)。根據(jù)以上采樣理論，

16、可以把A/D轉(zhuǎn)換過程理解為通過一個裝置把傳A/D轉(zhuǎn)換器芯片的主要技術(shù)指標1.轉(zhuǎn)換速率：每秒鐘能夠進行的轉(zhuǎn)換次數(shù)單位：Sps,Ksps,Msps.最高Gsps2.分辨率（轉(zhuǎn)換精度）：即A/D輸出的二進制位數(shù)，常見有8、10、12、14、16、20、24位3.輸入電壓范圍（AI range):有單極性-Uni和雙極性Bip 兩種，如05V,010V,5V，10V4.輸出接口形式：并行總線接口，串行接口(SPI)5.輸入通道數(shù)：1、2、4、8等A/D轉(zhuǎn)換器芯片的主要技術(shù)指標1.轉(zhuǎn)換速率：每秒鐘能夠進行的按照轉(zhuǎn)換原理對A/D轉(zhuǎn)換器的分類（1）雙積分式A/D特點：對輸入模擬量進行時間積分平均，并且轉(zhuǎn)換成

17、對應(yīng)的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換速度較慢（20次/秒），數(shù)字波動小，具有低通濾波特性，抗干擾能力強，轉(zhuǎn)換精度可以做的較高，適用于數(shù)字式萬用表等應(yīng)用中。（2）逐次逼近比較式A/D （SAR型A/D）特點：速度快（可達Gsps，轉(zhuǎn)換精度可以做的較高(16、18位），本身抗干擾能力差，適用于高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。按照轉(zhuǎn)換原理對A/D轉(zhuǎn)換器的分類（1）雙積分式A/D特點：轉(zhuǎn)換精度可以做的非常高（可達24位分辨率），轉(zhuǎn)換速度介于雙積分式和SAR型二者之間，最新的芯片可以達到數(shù)十Ksps。適用于對速度要求不太高的精密測量場合。特點：轉(zhuǎn)換精度可以做的非常高（可達24位分辨率），轉(zhuǎn)換速度介A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)模對應(yīng)規(guī)律（以常見S

18、AR型介紹）1.單極性：以05V輸入范圍,12位為例分辨力：1Lsb = 5/4095= 1.22mV則0V-0000 0000 0000 1.22mV- 0000 0000 0001 2.497V- 0111 1111 1111 4.9959V- 1111 1111 1111公式：Dout = Vin/1Lsb （需進行四舍五入取整）A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)模對應(yīng)規(guī)律（以常見SAR型介紹）1.單極性：以2.雙極性輸入型A/D，多以二進制補碼形式輸出，以AD976為例，+-10V輸入，16位輸出即有符號數(shù)輸出型1LSB = 20V/65535=0.3052mV8000H-10V0000H0V7FFFH+

19、10V2.雙極性輸入型A/D，多以二進制補碼形式輸出，以AD9763.雙極性輸入，無符號二進制輸出型A/D設(shè)某A/D轉(zhuǎn)換器，模擬輸入范圍+-10V，16位分辨率，無符號二進制輸出型，則其數(shù)字-模擬對應(yīng)關(guān)系為：1LSB = 20V/65535 = 0.3052mV0000H-10V7FFFH -0.000166V8000H0.00013824VFFFFH9.9999713V10V3.雙極性輸入，無符號二進制輸出型A/D設(shè)某A/D轉(zhuǎn)換器，模8.6 MCS-51單片機與8位A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù) 1、ADC0809的主要功能： 分辨率為8位。 總的不可調(diào)誤差在(1/2)LSB和1LSB范圍內(nèi)。 典型轉(zhuǎn)

20、換時間為100s。 具有鎖存控制的8路多路開關(guān)。 具有三態(tài)緩沖輸出控制。 單一+5V供電，此時輸入范圍為05V。 輸出與TTL兼容。 工作溫度范圍4085。8.6 MCS-51單片機與8位A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù) 1、(1) IN0IN7：8個模擬量輸入端。(2) VREF (+)，VREF ()：正負參考電壓，用來提供D/A轉(zhuǎn)換器的基準參考電壓。一般VREF (+)接+5V高精度參考電源，VREF ()接模擬地。(3)START：啟動A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)START為高電平時，A/D開始轉(zhuǎn)換。(4) EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，由低電平轉(zhuǎn)為高電平。此信號可用作A/D轉(zhuǎn)換是否完成的查詢信號或

21、向CPU請求中斷的信號。2、引腳介紹(1) IN0IN7：8個模擬量輸入端。(2) VREOE（OUTPUT ENABLE）：輸出允許信號或稱為A/D數(shù)據(jù)讀信號。當(dāng)此信號為高電平時，可從A/D轉(zhuǎn)換器中讀取數(shù)據(jù)。此信號可作系統(tǒng)中的片選信號。 CLK：工作時鐘，最高允許值為1.2MHz，可通過外接振蕩電路改變頻率，也可用系統(tǒng)ALE分頻獲得，當(dāng)CLK為640kHz時，轉(zhuǎn)換時間為100s。(6) ALE：通道地址鎖存允許，上升沿有效，鎖存C、B、A通道地址，則選中的通道的模擬輸入送A/D轉(zhuǎn)換器。(7) A、B、C：通道地址輸入，C為最高，A為最低。(8) D0D7：數(shù)字量輸出線。(10) VCC，GN

22、D：電源電壓VCC接+5V，GND為數(shù)字地。OE（OUTPUT ENABLE）：輸出允許信號或稱為A/D3、轉(zhuǎn)換時序3、轉(zhuǎn)換時序4、 8031與ADC0808/0809接口設(shè)計 4、 8031與ADC0808/0809接口設(shè)計 例8-1 模擬量由通道0輸入，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量之后存入內(nèi)部RAM的40H單元中。程序清單： MOV R0，#40H ；置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針 MOV DPTR，#7FF8H ；置IN0通道地址 MOVX DPTR，A ；IN0接A/D，并啟動A/D JB P3.2，$ ；為高，則繼續(xù)查詢 MOVX A，DPTR ；數(shù)據(jù)讀入A MOV R0，A ；存入40H單元(1) 程序查詢方式 根據(jù)測量系統(tǒng)要求不同以及CPU忙閑程度，通常多采用三種軟件編程控制方式：程序查詢方式、延時方式和中斷控制方式。2. ADC0808/0809轉(zhuǎn)換器程序設(shè)計方法例8-1 模擬量由通道0輸入，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量之后存入內(nèi)部程序清單：CLR A ；MOV R2，A ；MOV R3，A ；清除工作單元R3R2MOV R7，#8；作采樣次數(shù)計數(shù)器MOV DPTR，#7FFFH ；選IN7通道L1：MOVX DPTR，A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換JB P3.2，$ ；等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束MOVX A，DPTR ；采樣ADD A，R2；加低8位MOV R2，A