第9章51單片機(jī)與

D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的接口內(nèi)容概要在單片機(jī)測控系統(tǒng)中，被測量的溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經(jīng)傳感器先轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號（電壓或電流），模擬電信號必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能在單片機(jī)中進(jìn)行處理。實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）。單片機(jī)處理完畢的數(shù)字量，有時需要轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件稱為D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）。從應(yīng)用的角度，介紹典型的ADC、DAC芯片，與8051單片機(jī)的接口設(shè)計以及C51的驅(qū)動程序設(shè)計。9.18051單片機(jī)與DAC的接口單片機(jī)只能輸出數(shù)字量，但對于控制而言，常需要輸出模擬量，例如直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，這就要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)能夠輸出模擬量。目前集成化的DAC芯片較多，設(shè)計者只需合理選用芯片，了解它們的功能、引腳外特性以及與單片機(jī)的接口設(shè)計即可。9.1.1D/A轉(zhuǎn)換器簡介1．概述購買和使用D/A轉(zhuǎn)換器時，要注意D/A轉(zhuǎn)換器選擇的幾個問題。（1）D/A轉(zhuǎn)換器的輸出形式兩種輸出形式。一種是電壓輸出，即給D/A轉(zhuǎn)換器輸入的是數(shù)字量，而輸出為電壓。另一種是電流輸出。對電流輸出的D/A轉(zhuǎn)換器，如需要模擬電壓輸出，可在其輸出端加一個由運算放大器構(gòu)成的I-V轉(zhuǎn)換電路，將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。（2）D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口形式單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器的連接，早期多采用8位數(shù)字量并行傳輸?shù)牟⑿薪涌?，現(xiàn)在除并行接口外，帶有串行口的D/A轉(zhuǎn)換器品種也不斷增多。所以在選擇單片D/A轉(zhuǎn)換器時，要考慮單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器的接口形式。2．主要技術(shù)指標(biāo)使用者最關(guān)心的指標(biāo)如下。（1）分辨率指單片機(jī)輸入給D/A轉(zhuǎn)換器的單位數(shù)字量的變化，所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（n為D/A轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制位數(shù)）習(xí)慣上用輸入數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)表示。位數(shù)越多，分辨率越高，即D/A轉(zhuǎn)換器對輸入量變化的敏感程度越高。例如，8位的D/A轉(zhuǎn)換器，若滿量程輸出為10V，根據(jù)分辨率定義，則分辨率為10V/28=39.1mV

即輸入的二進(jìn)制數(shù)最低位的變化可引起輸出的模擬電壓變化39.1mV，該值占滿量程的0.391%，常用符號1LSB表示。同理：10位D/A轉(zhuǎn)換

1LSB

=

9.77mV

=

0.1%滿量程12位D/A轉(zhuǎn)換

1LSB

=

2.44mV

=

0.024%滿量程16位D/A轉(zhuǎn)換

1LSB

=

0.076mV

=

0.00076%滿量程使用時，應(yīng)根據(jù)對D/A轉(zhuǎn)換器分辨率的需要來選定D/A的位數(shù)。（2）建立時間描述D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換快慢的一個參數(shù)，用于表明轉(zhuǎn)換時間或轉(zhuǎn)換速度。其值為從輸入數(shù)字量到輸出達(dá)到終值誤差

(1/2)LSB時所需的時間。電流輸出的轉(zhuǎn)換時間較短，而電壓輸出的轉(zhuǎn)換器，由于要加上完成I-V轉(zhuǎn)換的運算放大器的延遲時間，因此轉(zhuǎn)換時間要長一些?？焖貲/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可控制在1

s以下。（3）轉(zhuǎn)換精度理想情況下，轉(zhuǎn)換精度與分辨率基本一致，位數(shù)越多精度越高。但由于電源電壓、基準(zhǔn)電壓、電阻、制造工藝等各種因素存在著誤差。嚴(yán)格講，轉(zhuǎn)換精度與分辨率并不完全一致。只要位數(shù)相同，分辨率則相同，但相同位數(shù)的不同轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度會有所不同。例如，某種型號的8位DAC精度為

0.19%，而另一種型號的8位DAC精度為

0.05%。9.1.28051與DAC0832的接口設(shè)計1．DAC0832芯片介紹（1）DAC0832的特性美國國家半導(dǎo)體公司的DAC0832芯片是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC，它能直接與8051單片機(jī)連接，主要特性如下。①分辨率為8位。②電流輸出，建立時間為1

s。③可雙緩沖輸入、單緩沖輸入或直接數(shù)字輸入。④單一電源供電（+5V～+15V），低功耗，20mW。（2）DAC0832的引腳及邏輯結(jié)構(gòu)引腳如圖1所示，DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖1DAC0832的引腳圖圖2DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)引腳功能：DI0～DI7：8位數(shù)字信號輸入端，與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線P0口相連，用于接收單片機(jī)送來的待轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量，DI7為最高位。CS*：片選端，當(dāng)為低電平時，本芯片被選中。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效。WR1*：第一級輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。當(dāng)CS*=0，ILE=1，WR1*=0時，待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信號被鎖存到第一級8位輸入寄存器中。XFER*：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效。WR2*：DAC寄存器寫選通控制端，低電平有效。當(dāng)

XFER*=0，WR2*=0時，輸入寄存器中待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳入8位DAC寄存器中。IOUT1：D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出1端，輸入數(shù)字量全為“1”時，IOUT1最大，輸入數(shù)字量全為“0”時，IOUT1最小。IOUT2：D/A轉(zhuǎn)換器電流輸出2端，IOUT2

+

IOUT1

=

常數(shù)。Rfb：外部反饋信號輸入端，內(nèi)部已有反饋電阻Rfb，根據(jù)需要也可外接反饋電阻。VCC：電源輸入端，在+5V～+15V范圍內(nèi)。DGND：數(shù)字信號地。AGND：模擬信號地，最好與基準(zhǔn)電壓共地。DAC0832內(nèi)部電路如圖2所示。8位輸入寄存器：用于存放單片機(jī)送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由

LE1*加以控制；8位DAC寄存器：用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由LE2*控制；8位D/A轉(zhuǎn)換電路：受“8位DAC寄存器”輸出的數(shù)字量控制，能輸出和數(shù)字量成正比的模擬電流。因此，需外接I-V轉(zhuǎn)換的運算放大器電路，才能得到模擬輸出電壓。2．8051單片機(jī)與DAC0832的接口電路設(shè)計設(shè)計接口電路時，常用單緩沖方式或雙緩沖方式的單極性輸出。（1）單緩沖方式指DAC0832內(nèi)部的兩個數(shù)據(jù)緩沖器有一個處于直通方式，另一個處于受8051單片機(jī)控制的鎖存方式。在實際應(yīng)用中，如果只有一路模擬量輸出，或雖是多路模擬量輸出但并不要求多路輸出同步的情況下，可采用單緩沖方式。單緩沖方式的接口電路如圖3。圖3單緩沖方式下單片機(jī)與DAC0832的接口電路圖3中，由于DAC0832是8位（28=256）的D/A轉(zhuǎn)換器，由基爾霍夫定律列出的方程組可解得0832輸出電壓Vo與輸入數(shù)字量B的關(guān)系為：

顯然，輸出的模擬電壓Vo和輸入的數(shù)字量B以及基準(zhǔn)電壓VREF成正比，且B為0時，Vo也為0，輸入數(shù)字量為255時，Vo為最大的絕對值輸出，且不會大于VREF?！纠?】根據(jù)圖3，編寫產(chǎn)生如圖4~圖6所示的各種波形程序。（1）編寫產(chǎn)生鋸齒波的程序輸入給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量從0開始，逐次加1，轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量成正比。當(dāng)輸入數(shù)字量為FFH時，再加1則溢出清0，模擬輸出又為0，然后再重復(fù)上述過程，如此循環(huán)，輸出的波形就是鋸齒波。實際上，每一個上升斜邊要分成256個小臺階，改變延時，則可以改變鋸齒波的頻率。圖4DAC0832產(chǎn)生的鋸齒波輸出產(chǎn)生鋸齒波的參考程序如下：#include<adsacc.h>#defineDAC0832XBYTE[0x7fff] /*0832端口地址*/#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint voidstair(void)

{ uchari；

while(1)

{

for(i=0；i<255；i++)

{

DAC0832=i; /*DAC轉(zhuǎn)換輸出*/ } }}（2）編寫產(chǎn)生圖5的三角波程序。圖5DAC0832產(chǎn)生的三角波輸出產(chǎn)生三角波的程序如下：#include<adsacc.h>#defineDAC0832XBYTE[0x7fff] /*0832端口地址*/#defineucharunsignedcharvoidtriangle()

{ uchari；

while(1)

{for(i=0；i<0xff；i++)

{ DAC0832=i; /*三角波的上升邊*/ }

for(i=0xff；i>0；i--)

{

DAC0832=i; /*三角波的下降邊*/ }

}}（3）編寫產(chǎn)生圖6的矩形波程序圖6DAC0832產(chǎn)生的矩形波輸出產(chǎn)生矩形波的程序如下：#include<adsacc.h>#defineDAC0832XBYTE[0x7fff] /*0832數(shù)據(jù)端口地址*/#defineucharunsignedcharvoiddelay();voidrectangular()； {uchari； while(1) { DAC0832=0xaf; /*產(chǎn)生矩形波的上限電平*/ delay(); /矩形波上限電平的持續(xù)時間*/ DAC0832=0x10; /*產(chǎn)生矩形波的下限電平*/ delay(); /*矩形波下限電平的持續(xù)時間*/

}}voiddelay() {uchari； for(i=0；i<0xff；i++);

}2．雙緩沖方式多路的D/A轉(zhuǎn)換要求同步輸出時，須采用雙緩沖同步方式，此時數(shù)字量的輸入鎖存和D/A轉(zhuǎn)換輸出是分兩步完成的。8051與DAC0832的雙緩沖方式的連接如下圖。由上圖，電路中用P2.5、P2.6、P2.7來進(jìn)行片選：P2.5=0選通1#DAC0832的數(shù)據(jù)輸入；P2.6=0選通2#DAC0832的數(shù)據(jù)輸入；P2.7=0時實現(xiàn)兩片DAC0832同時進(jìn)行轉(zhuǎn)換并同步輸出模擬量。所以：1#DAC0832的數(shù)據(jù)地址為0xDFFF（P2.5=0）2#DAC0832的地址為數(shù)據(jù)0xBFFF（P2.6=0）兩片DAC0832同時轉(zhuǎn)換并輸出的地址為0x7FFF（P2.7=0）9.28051單片機(jī)與ADC的接口A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。9.2.1A/D轉(zhuǎn)換器簡介1．A/D轉(zhuǎn)換器概述目前單片的ADC芯片較多，對設(shè)計者來說，只需合理的選擇芯片即可。現(xiàn)在部分的單片機(jī)片內(nèi)集成了A/D轉(zhuǎn)換器，在片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器不能滿足需要，還是需外擴(kuò)。另外作為擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器的基本方法，讀者還是應(yīng)當(dāng)掌握。盡管A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前廣泛應(yīng)用在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的主要有逐次比較型轉(zhuǎn)換器和雙積分型轉(zhuǎn)換器，此外

-Δ式轉(zhuǎn)換器逐漸得到重視和較為廣泛的應(yīng)用。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好、價格低廉等優(yōu)點，與逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器相比，轉(zhuǎn)換速度較慢，近年來在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。

-

式ADC具有積分式與逐次比較型ADC的雙重優(yōu)點。它對工業(yè)現(xiàn)場的串模干擾具有較強的抑制能力，不亞于雙積分ADC，它比雙積分ADC有較高的轉(zhuǎn)換速度，與逐次比較型ADC相比，有較高的信噪比，分辨率高，線性度好，不需要采樣保持電路。由于上述優(yōu)點，

?

式ADC得到了重視，已有多種

?

式A/D芯片可供用戶選用。A/D轉(zhuǎn)換器按照輸出數(shù)字量的有效位數(shù)分為4位、8位、10位、12位、14位、16位并行輸出以及BCD碼輸出的3位半、4位半、5位半等多種。目前，除并行輸出A/D轉(zhuǎn)換器外，隨著單片機(jī)串行擴(kuò)展方式的日益增多，帶有同步SPI串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器的使用也逐漸增多。串行輸出的A/D轉(zhuǎn)換器具有占用端口線少、使用方便、接口簡單等優(yōu)點。較為典型的串行A/D轉(zhuǎn)換器為美國TI公司的TLC549（8位）、TLC1549（10位）以及TLC1543（10位）和TLC2543（12位）。A/D轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換速度可大致分為超高速（轉(zhuǎn)換時間≤1ns）、高速（轉(zhuǎn)換時間≤1

s）、中速（轉(zhuǎn)換時間≤1ms）、低速（轉(zhuǎn)換時間≤1s）等幾種不同轉(zhuǎn)換速度的芯片。為適應(yīng)系統(tǒng)集成的需要，有些轉(zhuǎn)換器還將多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、時鐘電路、基準(zhǔn)電壓源、2/10進(jìn)制譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個芯片內(nèi)，為用戶提供很多方便。2．A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)即為轉(zhuǎn)換速率。（2）分辨率在A/D轉(zhuǎn)換器中，分辨率是衡量A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨出輸入模擬量最小變化程度的技術(shù)指標(biāo)。分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，所以習(xí)慣上用輸出的二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。例如，A/D轉(zhuǎn)換器AD1674的滿量程輸入電壓為5V，可輸出12位二進(jìn)制數(shù)，即用212個數(shù)進(jìn)行量化，其分辨率為1LSB，也即5V/212=1.22mV，其分辨率為12位，或A/D轉(zhuǎn)換器能分辨出輸入電壓1.22mV的變化。量化過程引起的誤差稱為量化誤差。是由于有限位數(shù)字量對模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。理論上規(guī)定為一個單位分辨率的-1/2-+1/2LSB

，提高A/D位數(shù)既可以提高分辨率，又能夠減少量化誤差。（3）轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度定義為一個實際A/D轉(zhuǎn)換器與一個理想A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值，可用絕對誤差或相對誤差表示。9.3.28051與ADC0809的接口設(shè)計1．ADC0809引腳及功能ADC0809為逐次比較型8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器，引腳如下圖。共28引腳，雙列直插式封裝。引腳功能如下：IN0～I(xiàn)N7：8路模擬信號輸入端。D0～D7：轉(zhuǎn)換完畢的8位數(shù)字量輸出端。A、B、C與ALE：控制8路模擬輸入通道的切換。A、B、C分別與單片機(jī)的三條地址線相連，三位編碼對應(yīng)8個通道地址端口。C、B、A

=

000～111分別對應(yīng)IN0～I(xiàn)N7通道的地址。各路模擬輸入間切換可改變C、B、A引腳的編碼來實現(xiàn)。OE、START、CLK：OE為輸出允許端，START為啟動信號輸入端，CLK為時鐘信號輸入端。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換開始轉(zhuǎn)換時，該引腳為低電平，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，該引腳為高電平。VR（+）、VR（?）：基準(zhǔn)電壓輸入端。2．ADC0809結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換原理結(jié)構(gòu)如下圖。采用逐次比較法完成A/D轉(zhuǎn)換，單一+5V電源供電。片內(nèi)帶有鎖存功能的8選1模擬開關(guān)，由C、B、A的編碼來決定所選的通道。完成一次轉(zhuǎn)換需100

s左右（轉(zhuǎn)換時間與CLK腳的時鐘頻率有關(guān)），具有輸出TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，可?～5V的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4．ADC0809的工作流程（1）輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中，經(jīng)地址譯碼器譯碼從8路模擬通道中選通一路模擬量送到比較器。（2）送START一高脈沖，START的上升沿使逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，并使EOC信號為低電平。（3）當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時，轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到三態(tài)輸出鎖存器，并使EOC信號回到高電平，通知CPU已轉(zhuǎn)換結(jié)束。（4）當(dāng)CPU執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令，使OE為高電平，則從輸出端D0~D7讀出數(shù)據(jù)。單片機(jī)讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果時，可采用查詢和中斷控制兩種方式。查詢方式是在單片機(jī)把啟動信號送到ADC之后，執(zhí)行其他程序，與此同時對ADC0809的EOC腳不斷進(jìn)行檢測，以查詢ADC變換是否已經(jīng)結(jié)束，如查詢到變換已經(jīng)結(jié)束，則讀入轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)。中斷控制方式是在啟動信號送到ADC之后，單片機(jī)執(zhí)行其他程序。ADC0809轉(zhuǎn)換結(jié)束并向單片機(jī)發(fā)出中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)此中斷請求，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，讀入轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)。中斷控制方式效率高，特適合于轉(zhuǎn)換時間較長的ADC。5.8051與ADC0809的接口電路圖中：ADC0808的數(shù)據(jù)線D0~D7與51單片機(jī)的P0對應(yīng)相連地址線ADDA、ADDB、ADDC接地，直接選中0通道鎖存信號ALE和啟動信號START連接在一起接51單片機(jī)的P3.0輸出允許信號OE接51單片機(jī)的P3.1轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC接51單片機(jī)的P3.2，通過查詢方式檢測是否轉(zhuǎn)換結(jié)束時鐘信號CLOCK接51單片機(jī)的P3.7，由51單片機(jī)的定時/計數(shù)器T0工作于方式2定時，定時時間10

s，時間到后對P3.7取反，產(chǎn)生50KHz周期性信號來提供基準(zhǔn)電壓正端VREF+接+5V電源，負(fù)端VREF-接地。在輸入通道IN0接模擬量，通過滑動變阻器(POP-HT)輸入，最大值為+5V，對應(yīng)數(shù)字量為255，最小值為0，對應(yīng)數(shù)字量為0。圖中：為了顯示轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，在51單片機(jī)的P1口和P2口接了4個共陽極數(shù)碼管(7SEG-MPX4-CA)，采用動態(tài)方式顯示，P1口輸出字段碼，P2口的低4位輸出位選碼，數(shù)碼管通過固定定時方式顯示，由51定時/計數(shù)器1產(chǎn)生20ms的周期性定時，定時時間到后對4個數(shù)碼管依次顯示一次。C語言程序：#include<reg51.h>#defineucharunsignedcharucharcodedispcode[4]={0x08,0x04,0x02,0x00};//LED顯示的控制代碼ucharcodecodevalue[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; //0～9共陽極字段碼uchartemp; //存儲ADC0808轉(zhuǎn)換后處理過程中的臨時數(shù)