單片機第8章—AD及DA轉(zhuǎn)換接口技術(shù)2

1、 第8章 AD/DA轉(zhuǎn)換接口技術(shù) 8.1 轉(zhuǎn)換器的主要術(shù)指標(biāo)8.2 DA轉(zhuǎn)換器接口技術(shù) 8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口技術(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口技術(shù) 8.3 ADC8.3 ADC接口技術(shù)接口技術(shù) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的功能是將輸入模擬量轉(zhuǎn)換成與其成正比的數(shù)字的功能是將輸入模擬量轉(zhuǎn)換成與其成正比的數(shù)字量，它是單片機應(yīng)用系統(tǒng)的一種重要組成器件。按照工作原理，有量，它是單片機應(yīng)用系統(tǒng)的一種重要組成器件。按照工作原理，有比較式比較式ADC、積分式、積分式ADC以及電荷平衡（電壓以及電荷平衡（電壓-頻率轉(zhuǎn)換）式頻率轉(zhuǎn)換）式ADC。不同的芯片具有不同的連接方式，其中重要的是輸入、輸出以及控不同的芯片具有不同的連接方式，

2、其中重要的是輸入、輸出以及控制信號的連接方式。制信號的連接方式。1.從輸入端看：從輸入端看：（1）單端輸入）單端輸入 （2）差動輸入）差動輸入 （3）單極性輸入）單極性輸入 （4）雙極性輸）雙極性輸入入2. 從輸出來看：從輸出來看：（1）數(shù)據(jù)寄存器具有可控的三態(tài)門）數(shù)據(jù)寄存器具有可控的三態(tài)門 （2）不具備可控三態(tài)門，輸出寄存器直接與芯片管腳相連，此時）不具備可控三態(tài)門，輸出寄存器直接與芯片管腳相連，此時芯片的輸出線必須通過輸入緩沖器連至芯片的輸出線必須通過輸入緩沖器連至CPU數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總線。8.3.1階梯波階梯波 比較式比較式ADC工作原理：工作原理： 轉(zhuǎn)換開始時，計數(shù)器復(fù)轉(zhuǎn)換開始時，計數(shù)

3、器復(fù)0 0，DACDAC的輸出為的輸出為Vd=0Vd=0。若輸入電壓。若輸入電壓ViVi為正，則比較器輸出為正，則比較器輸出VcVc為正，與門打開，計數(shù)器對時鐘脈為正，與門打開，計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，沖進行計數(shù)，DACDAC輸出即隨計數(shù)脈沖的增加而增加，如圖所示，輸出即隨計數(shù)脈沖的增加而增加，如圖所示，當(dāng)當(dāng)Vd ViVd Vi時，比較器輸出變負，與門關(guān)閉，停止計數(shù)。計數(shù)時，比較器輸出變負，與門關(guān)閉，停止計數(shù)。計數(shù)器的計數(shù)值正比于輸入電壓，完成了從輸入模擬量器的計數(shù)值正比于輸入電壓，完成了從輸入模擬量電壓電壓到計數(shù)器的計數(shù)值到計數(shù)器的計數(shù)值數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器的工

4、作原理 從最高位開始通過試探值逐次進行測試，直到試探值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出VN與VIN相等或達到允許誤差范圍為止。則該試探值就為A/D轉(zhuǎn)換所需的數(shù)字量。階梯波比較式階梯波比較式ADC工作原理：工作原理：轉(zhuǎn)換開始時，計數(shù)器復(fù)轉(zhuǎn)換開始時，計數(shù)器復(fù)0 0，DACDAC的輸出為的輸出為Vd=0Vd=0。若輸入電壓。若輸入電壓ViVi為正，則比較器輸出為正，則比較器輸出VcVc為正，與門打開，計數(shù)器對時鐘脈沖為正，與門打開，計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，進行計數(shù)，DACDAC輸出即隨計數(shù)脈沖的增加而增加，如圖所示，輸出即隨計數(shù)脈沖的增加而增加，如圖所示，當(dāng)當(dāng)Vd ViVd Vi時，比較器輸出變負，與門關(guān)閉，停

5、止計數(shù)。計數(shù)時，比較器輸出變負，與門關(guān)閉，停止計數(shù)。計數(shù)器的計數(shù)值正比于輸入電壓，完成了從輸入模擬量器的計數(shù)值正比于輸入電壓，完成了從輸入模擬量電壓電壓到計數(shù)器的計數(shù)值到計數(shù)器的計數(shù)值數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 ADC0809ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) ADC0809ADC0809引腳圖引腳圖 8位A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存緩沖器地址鎖存與譯碼8位模擬開關(guān)Vref(+)12Vref(-)16ADC08097EOCMsbD7D01920211881517141113VccGNDOE910CLKSTART6ALE22ADDC23ADDB24ADDA25IN754321282726IN0

6、12345678910111213141516171819202122232425262728ADC0809IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLOCKVccVref(+)GNDD1IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0D2Vref(-)典型典型A/DA/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809ADC0809ADC0809內(nèi)部多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C 3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存

7、器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。通道選擇表通道選擇表 C B A0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1被選擇的通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADC0809ADC0809的工作時序圖的工作時序圖 ALE地址AD模擬量輸入INSTARTEOCOED0 D7數(shù)字量輸出data80518051單片機與單片機與ADC0809ADC0809的接口的接口 采用線選法規(guī)定其端口地址采用線選法規(guī)定其端口地址用單片機的用單片機的P2.7P2.7引腳作為片選信號引腳作為片選信號, , 因此端口地址為因此端口地址為7FFFH7FFFH。片。

8、片選信號和信號一起經(jīng)或非門產(chǎn)生選信號和信號一起經(jīng)或非門產(chǎn)生ADC0809ADC0809的啟動信號的啟動信號STARTSTART和地址和地址鎖存信號鎖存信號ALEALE；片選信號和信號一起經(jīng)或非門產(chǎn)生；片選信號和信號一起經(jīng)或非門產(chǎn)生ADC0809ADC0809輸出允輸出允許信號許信號OEOE， OE=1OE=1時選通三態(tài)門使輸出鎖存器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果送入時選通三態(tài)門使輸出鎖存器中的轉(zhuǎn)換結(jié)果送入數(shù)據(jù)總線。數(shù)據(jù)總線。ADC0809ADC0809的的EOCEOC信號經(jīng)反相后接到信號經(jīng)反相后接到80518051的引腳的引腳 用于產(chǎn)用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換完成的中斷請求信號。生轉(zhuǎn)換完成的中斷請求信號。ADC0809ADC

9、0809芯片的芯片的3 3位模擬量輸入通道位模擬量輸入通道地址碼輸入端地址碼輸入端A A、B B、C C分別接到分別接到80318031的的P0.0P0.0、P0.1P0.1和和P0.2P0.2，故只，故只要向端口地址要向端口地址7FFFH7FFFH分別寫入數(shù)據(jù)分別寫入數(shù)據(jù)00H00H07H07H，即可啟動模擬量輸，即可啟動模擬量輸入通道入通道0 07 7進行進行A/DA/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/DA/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認關(guān)鍵問題是如何確認A/DA/D轉(zhuǎn)換的完成，

10、因為只有確認完成后，才能進行轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。傳送。為此可采用下述三種方式。（1 1）定時傳送方式）定時傳送方式 對于一種對于一種A/DA/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如固定的。例如ADC0809ADC0809轉(zhuǎn)換時間為轉(zhuǎn)換時間為128s128s，相當(dāng)于，相當(dāng)于6MHz6MHz的的MCS-51MCS-51單片機單片機共共6464個機器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，個機器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，A/DA/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到

11、，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進行數(shù)據(jù)傳送。傳送。（2 2）查詢方式）查詢方式 A/DA/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809ADC0809的的EOCEOC端。端。因此可以用查詢方式，測試因此可以用查詢方式，測試EOCEOC的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進行數(shù)據(jù)傳送。著進行數(shù)據(jù)傳送。（3）中斷方式）中斷方式 把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數(shù)據(jù)傳送。式進

12、行數(shù)據(jù)傳送。 不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址成，即可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以并以RDRD信號有效時，信號有效時，OEOE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接受。上數(shù)據(jù)總線，供單片機接受。 不管使用上述那種方式，只要一旦確認轉(zhuǎn)換結(jié)不管使用上述那種方式，只要一旦確認轉(zhuǎn)換結(jié)束，便可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。所用的指令為：束，便可通過指令進行數(shù)據(jù)傳送。所用的指令為： MOV DPTR , #7FFFHMOV DPTR , #7FFFH MOVX A , DPTR

13、MOVX A , DPTR該指令在送出有效口地址的同時，發(fā)出有效信號該指令在送出有效口地址的同時，發(fā)出有效信號RDRD，使，使08090809的輸出允許信號的輸出允許信號OEOE有效，從而打開三態(tài)有效，從而打開三態(tài)門輸出，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送入門輸出，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送入A A累加器累加器中。中。 A/DA/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用轉(zhuǎn)換應(yīng)用舉例舉例 采用中斷工作方式對8路模擬輸入信號依次進行AD轉(zhuǎn)換 需要說明的是，需要說明的是，ADC0809ADC0809的三個地址端的三個地址端A A、B B、C C既可如前所述既可如前所述與數(shù)據(jù)線相連，也可與地址線相連，例如與與數(shù)據(jù)線相連，也可與地址線相

14、連，例如與A A0 0A A2 2相連。這時啟相連。這時啟動動A/DA/D轉(zhuǎn)換的指令與上述類似，只不過轉(zhuǎn)換的指令與上述類似，只不過A A的內(nèi)容為任意數(shù)。例如當(dāng)?shù)膬?nèi)容為任意數(shù)。例如當(dāng)A A、B B、C C分別與分別與A A0 0、A A1 1、A A2 2相連時，相連時，啟動啟動A/D轉(zhuǎn)換只需要一條轉(zhuǎn)換只需要一條MOVX指令。在此之前，要將指令。在此之前，要將P2.7清零并將最低三位與所選擇的清零并將最低三位與所選擇的通道對應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針通道對應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。例如要選擇中。例如要選擇IN7通道時，通道時，可采用如下兩條指令啟動可采用如下兩條指令啟動A/D轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換： M

15、OV DPTR , #7FFFH ；送入；送入0809的口地址的口地址 MOVX DPTR , A ；啟動；啟動A/D轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換（IN7） 注意：此處注意：此處A中內(nèi)容與中內(nèi)容與A/D轉(zhuǎn)換無關(guān)，可為任意值。轉(zhuǎn)換無關(guān)，可為任意值。 采用查詢方式對采用查詢方式對8路模擬信號一次進行轉(zhuǎn)換路模擬信號一次進行轉(zhuǎn)換8.3.2 積分型積分型A/D 轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換是一種間接轉(zhuǎn)換是一種間接A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。首先將模擬電轉(zhuǎn)換技術(shù)。首先將模擬電壓轉(zhuǎn)換成積分時間，然后用數(shù)字脈沖計時方法轉(zhuǎn)換成計數(shù)脈壓轉(zhuǎn)換成積分時間，然后用數(shù)字脈沖

16、計時方法轉(zhuǎn)換成計數(shù)脈沖數(shù)，最后將此代表模擬輸入電壓大小的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成二進沖數(shù)，最后將此代表模擬輸入電壓大小的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制或制或BCD碼輸出。碼輸出。 雙積分雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路原理及工作波型圖轉(zhuǎn)換電路原理及工作波型圖1.準(zhǔn)備期：準(zhǔn)備期：開關(guān)開關(guān)S1、S2、S3斷開，斷開，S4接通，積分電容接通，積分電容C被短路，輸被短路，輸出為出為0。2.采樣期：采樣期：開關(guān)開關(guān)S2、S3、S4斷開，斷開，S1閉合，積分器對輸入模擬電閉合，積分器對輸入模擬電壓壓+Vi進行積分，積分時間固定為進行積分，積分時間固定為T1，在采樣期結(jié)束的，在采樣期結(jié)束的t2時刻，時刻，積分器輸出電壓為：積分器輸出電壓為：

17、式中式中 為被測模擬電壓在為被測模擬電壓在T1時間內(nèi)的平均值。時間內(nèi)的平均值。itticVRCTdtVRCV1211dtVTVttii21113.比較期：比較期：從從t2時刻開始，開關(guān)時刻開始，開關(guān)S1、S2、S4斷開，斷開，S3閉合，將閉合，將與被測模擬電壓極性相反的標(biāo)準(zhǔn)電壓與被測模擬電壓極性相反的標(biāo)準(zhǔn)電壓-Er接到積分器的輸入端接到積分器的輸入端(若被測模擬電壓為若被測模擬電壓為-Vi，則，則S1、S3、S4斷開，斷開，S2閉合，將閉合，將+Er接接到積分器的輸入端到積分器的輸入端)，使積分器進行反向積分。當(dāng)積分器的輸出，使積分器進行反向積分。當(dāng)積分器的輸出回到回到0時，比較器的輸出發(fā)生跳

18、變。設(shè)在時，比較器的輸出發(fā)生跳變。設(shè)在t3時刻積分器回時刻積分器回0，此，此時有：時有： 式中式中T2=t3-t2為比較周期。為比較周期。rcttrcERCTVdtERCV232)(10在在T2周期內(nèi)對一個周期為周期內(nèi)對一個周期為的時鐘脈沖進行計數(shù)，得：的時鐘脈沖進行計數(shù)，得： NT 2irVETTN12由于由于T1、Er、都是恒定值，從而計數(shù)值都是恒定值，從而計數(shù)值N就正比于被測模擬就正比于被測模擬電壓值，實現(xiàn)了電壓值，實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。雙積分雙積分A/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片ICL7135ICL7135是一種常用的是一種常用的4位半位半BCD碼雙積分型單碼雙積分型單片集成片集成ADC芯

19、片芯片, 其分辯率相當(dāng)于其分辯率相當(dāng)于14位二進制位二進制數(shù)，它的轉(zhuǎn)換精度高數(shù)，它的轉(zhuǎn)換精度高, 轉(zhuǎn)換誤差為轉(zhuǎn)換誤差為1LSB，并，并且能在單極性參考電壓下對雙極性輸入模擬電且能在單極性參考電壓下對雙極性輸入模擬電壓進行壓進行A/D轉(zhuǎn)換，模擬輸入電壓范圍為轉(zhuǎn)換，模擬輸入電壓范圍為01.9999V。 芯片采用了自動校零技術(shù)芯片采用了自動校零技術(shù), 可保證可保證零點在常溫下的長期穩(wěn)定性，模擬輸入可以是零點在常溫下的長期穩(wěn)定性，模擬輸入可以是差動信號差動信號, 輸入阻抗極高。輸入阻抗極高。ICL7135的輸出時序圖的輸出時序圖B8、B4、B2、B1：BCD碼數(shù)據(jù)輸出，B8為最高位，B1為最低位。D5

20、、D4、D3、D2、D1：BCD碼數(shù)據(jù)的位驅(qū)動信號輸出端，分別選通萬、千、百、 十、個位。ICL7135與單片機與單片機8031的接口電路的接口電路 ICL7135轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出是動態(tài)的，因此必須轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出是動態(tài)的，因此必須通過并行接口才能與單片機連接。圖中通過并行接口才能與單片機連接。圖中74LS157為為4位位2選選1 的數(shù)據(jù)多路開關(guān)，的數(shù)據(jù)多路開關(guān)，74LS157的端輸入的端輸入為低電平時，為低電平時，1A、2A、3A輸入信息在輸入信息在1Y、2Y、3Y輸出；輸出； 端為高電平時，端為高電平時，1B、2B、3B輸入輸入信息在信息在1Y、2Y、3Y輸出。因此，當(dāng)輸出。因此，當(dāng)7135的高位

21、的高位選通信號選通信號D5輸出為高電平時，萬位數(shù)據(jù)輸出為高電平時，萬位數(shù)據(jù)B1和極和極性、過量程、欠量程標(biāo)志輸入到性、過量程、欠量程標(biāo)志輸入到8051單片機的單片機的P0.0P0.3，當(dāng)，當(dāng)D5為低電平時，為低電平時，7135的的B8、B4、B2、B1輸出低位轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出低位轉(zhuǎn)換結(jié)果的BCD碼，此時碼，此時BCD碼數(shù)據(jù)線碼數(shù)據(jù)線B8、B4、B2、B1輸入到輸入到8051單片單片機的機的P0.0P0.3。 ICL7135的時鐘頻率為的時鐘頻率為125kHz，每秒進行，每秒進行3次次A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。換。ICL7135的數(shù)據(jù)輸出選通脈沖線接到的數(shù)據(jù)輸出選通脈沖線接到8051外部外部中斷中斷INT0端

22、，當(dāng)端，當(dāng)ICL7135完成一次完成一次A/D轉(zhuǎn)換以后，轉(zhuǎn)換以后，產(chǎn)生產(chǎn)生5個數(shù)據(jù)選通脈沖，分別將各位的個數(shù)據(jù)選通脈沖，分別將各位的BCD碼結(jié)果碼結(jié)果和標(biāo)志和標(biāo)志D1D5打入打入8051的的P0口。由于口。由于ICL7135的的A/D轉(zhuǎn)換是自動進行的轉(zhuǎn)換是自動進行的, 完成一次完成一次A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換后, 選通選通脈沖的產(chǎn)生和脈沖的產(chǎn)生和8051中斷的開放是不同步的。為了保中斷的開放是不同步的。為了保證讀出數(shù)據(jù)的完整性證讀出數(shù)據(jù)的完整性, 單片機單片機8051只對最高位只對最高位(萬位萬位)的中斷請求作出響應(yīng)，低位數(shù)據(jù)的輸入則采用查詢的中斷請求作出響應(yīng)，低位數(shù)據(jù)的輸入則采用查詢的方法，的方法，

23、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機轉(zhuǎn)換結(jié)果送入單片機8051片內(nèi)片內(nèi)RAM的的20H, 21H和和22H單元。單元。 三積分式ADC的工作原理 為了提高雙分積式ADC的分辨率，出現(xiàn)了多積分式ADC。下面簡單介紹三重積分式ADC的工作原理。它的特點是比較期由兩段斜坡組成，當(dāng)積分器輸出電壓接近0點時，突然換接數(shù)值較小的基準(zhǔn)電壓，從而降低了積分器輸出電壓的斜率，延長積分器回0的時間，使比較周期延長以獲得更多的計數(shù)值，從而提高了分辨率。而積分器在輸出電壓較高時，接入數(shù)值較大的基準(zhǔn)電壓，積分速度快，因而轉(zhuǎn)換速度也快。系統(tǒng)中有兩個比較器，比較器1的比較電平為0電平，比較器2的比較電平為V，同時有兩個基準(zhǔn)電壓Er和Er/2m。工作過程如下：采樣期：Sx接通，Spb、Sps斷開，積分器對被測電壓Vi積分，積分周期恒定為T1；比較期I：Spb接通，Sx、Sps斷開，積分器對極性與Vi相反的基準(zhǔn)電壓Er進行積分，由于Er數(shù)值較大，故積分速度較快，積分周期為T21；比較期：當(dāng)積分器輸出達到比較器2的比較電平V時，通過控制電路使開關(guān)Sps接通，Spb、Sx斷開，積分器對Er/2m