第08章 模擬量通道接口

模擬量通道接口概述D/A轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器第八章模擬量通道接口

▲實時控制和數(shù)據(jù)處理時，采集的外部信號或被控對象參數(shù)往往是連續(xù)變化的模擬量?！?，計算機(jī)只能處理不連續(xù)的數(shù)字量?！虼?，需要數(shù)模轉(zhuǎn)換A/D和D/A。第八章模擬量通道接口

圖8-1微機(jī)自動測控系統(tǒng)的基本組成2.模擬量轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

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DAC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換器）

模擬量轉(zhuǎn)換器分類ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）

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1)D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)▲分辨率：定義：D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出電壓增量，常為滿量程的倍。例如：10V滿量程的8位DAC芯片，分辨率；

10V滿量程的16位DAC芯片，分辨率。

▲轉(zhuǎn)換精度

：定義：D/A轉(zhuǎn)換器實際輸出值和理論值的接近程度。

例如：若滿量程輸出理論值為10V，實際值為9.99V-10.01V，則轉(zhuǎn)換精度。

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▲偏移量誤差

：定義：輸入數(shù)字量為0時，輸出模擬量對0的偏移值，?？赏ㄟ^DAC的外接和電位計加以調(diào)整。

▲線性度

：定義：D/A轉(zhuǎn)換器實際轉(zhuǎn)換特性和理想直線間的最大偏差。通常，線性度（為分辨率）。

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2)A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)

▲分辨率：定義：使輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。常用二進(jìn)制的位數(shù)表示。

例如：12位ADC的分辨率就是12位，或者說分辨率為滿刻度FS的。一個10V滿刻度的12位ADC能分辨的輸入電壓變化最小值是。

▲量化誤差

：定義：ADC把模擬量變?yōu)閿?shù)字量，用數(shù)字量近似表示模擬量，這個過程稱為量化。量化誤差是ADC的有限位數(shù)對模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。實際上，要準(zhǔn)確表示模擬量，ADC的位數(shù)需很大甚至無窮大。一個分辨率有限的ADC的階梯狀轉(zhuǎn)換特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉(zhuǎn)換特性曲線（直線）之間的最大偏差即是量化誤差。

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▲偏移誤差

：定義：當(dāng)輸入信號為0時，輸出信號不為0的值稱為偏移誤差（或稱零值誤差）。假定ADC沒有非線性誤差，則其轉(zhuǎn)換特性曲線各階梯中點(diǎn)的連線必定是直線，這條直線與橫軸相交點(diǎn)所對應(yīng)的輸入電壓值就是偏移誤差?！鴿M刻度誤差

：定義：滿刻度輸出數(shù)碼所對應(yīng)的實際輸入電壓與理想輸入電壓之差稱為滿刻度誤差（又稱增益誤差）。

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▲線性度

：定義：轉(zhuǎn)換器實際的轉(zhuǎn)換特性與理想直線的最大偏差稱為線性度。

▲絕對精度

：定義：在一個轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應(yīng)的實際模擬量輸入與理論模擬輸入之差的最大值稱為絕對精度?！D(zhuǎn)換速率

：定義：ADC的轉(zhuǎn)換速率是能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。而完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間（包括穩(wěn)定時間），則是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。

1.D/A轉(zhuǎn)換器原理▲D/A轉(zhuǎn)換器實際上是把輸入數(shù)字量中的每位都按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成模擬量，并通過運(yùn)算放大器求和相加，即“按權(quán)展開，然后相加”。因此，D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部必須有一個解碼網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)按權(quán)值分別進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換；▲解碼網(wǎng)絡(luò)通常有兩種：二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和T型電阻網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)代D/A轉(zhuǎn)換器的解碼網(wǎng)絡(luò)大多采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)。

●為了說明T型電阻網(wǎng)絡(luò)原理，現(xiàn)以4位D/A轉(zhuǎn)換器為例加以介紹。如圖8-2所示

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

第八章模擬量通道接口

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

第八章模擬量通道接口

圖8-2T型電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器

◆輸入數(shù)字量：b3b2b1b0

輸出電壓：Vout若，則該電路可認(rèn)為是D/A轉(zhuǎn)換器。第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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★求證2.D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

▲DAC0832是目前較為常用的DAC芯片中的一種，它是由美國國家半導(dǎo)體公司（NationalSemiconductorCorporation）研制的。

●下面對DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能以及與CPU的連接進(jìn)行介紹。

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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▲DAC0832是一個8位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部由三部分電路組成：

●“8位輸入寄存器”用于存放CPU送來的數(shù)字量；●“8位DAC寄存器”用于存放待轉(zhuǎn)換數(shù)字量；●“8位D/A轉(zhuǎn)換電路”。

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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1)DAC0832的結(jié)構(gòu)與引腳功能

圖8-3DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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●D7~D0：輸入數(shù)據(jù)線；●ILE

：輸入鎖存允許；●：片選信號；●：寫輸入寄存器；●：寫DAC寄存器；

●：傳送控制線。

●：參考電壓-10V~+10V

；●，：D/A轉(zhuǎn)換差動電流輸出；

●：電源電壓；●：內(nèi)部反饋電阻；●，：模擬地和數(shù)字地。

圖8-4DAC0832外部引腳圖

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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2)DAC0832的工作方式DAC0832工作方式直通方式

雙緩沖器方式

單緩沖器方式134★①直通方式

●DAC0832直通工作方式如圖8-5所示。

將兩個寄存器（輸入寄存器和DAC寄存器）的5個控制信號（ILE、、、、）均預(yù)先置為有效，兩個寄存器都開通處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，模擬輸出始終跟隨輸入變化。

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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圖8-5DAC0832直通方式的電路

★②單緩沖器方式

●DAC0832單緩沖器工作方式如圖8-6所示。

將兩個寄存器（輸入寄存器和DAC寄存器）的3個控制信號（ILE、、）均預(yù)先置為有效;接單片機(jī)的，接單片機(jī)的P2.7口。第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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●這樣DAC0832的地址為7FFFH則執(zhí)行下列三條指令就可以將一個數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量：

MOV DPTR,#7FFFH ；端口地址送DPTRMOV A,#DATA ；8位數(shù)字量送累加器AMOVX @DPTR,A ；向DAC0832寫入數(shù)字量，同時啟動轉(zhuǎn)換

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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圖8-6DAC0832單緩沖方式的電路

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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●圖8-8是DAC0832雙緩沖方式的接口電路?！铫垭p緩沖器方式

●雙緩沖方式的轉(zhuǎn)換要有兩個步驟：①令，將數(shù)據(jù)寫入輸入寄存器；②令，將輸入寄存器的內(nèi)容寫入DAC寄存器。第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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圖8-8DAC0832雙緩沖方式的電路

●例：圖8-8中的兩個模擬輸出分別作為示波器的X、Y方向的位移，則單片機(jī)執(zhí)行下面的程序后，可使示波器上的光點(diǎn)根據(jù)參數(shù)X、Y的值同步移動。假設(shè)參數(shù)X、Y已分別存于工作寄存器R1、R2中。第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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解：MOVDPTR,#0DFFFH；指向DAC0832(1)的數(shù)據(jù)輸入寄存器

MOVA,R1 ；X方向數(shù)據(jù)送入AMOVX@DPTR,A ；將X寫入DAC0832(1)的數(shù)據(jù)輸入寄存器

MOVDPTR,#0BFFFH ；指向DAC0832(2)的數(shù)據(jù)輸入寄存器

MOVA,R2 ；Y方向數(shù)據(jù)送入AMOVX@DPTR,A ；將Y寫入DAC0832(2)的數(shù)據(jù)輸入寄存器

MOVDPTR,#7FFFH ；指向兩片DAC0832的DAC寄存器

MOVX@DPTR,A ；兩片DAC同時啟動轉(zhuǎn)換，同步輸出

3.D/A轉(zhuǎn)換應(yīng)用舉例▲下列給出應(yīng)用DAC0832芯片完成D/A轉(zhuǎn)換的實例第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器

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實例8-1：根據(jù)如圖8-6所示的單緩沖方式接口電路，請編寫出產(chǎn)生鋸齒波、三角波和方波的程序。第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器第八章模擬量通道接口圖8-9例8-1產(chǎn)生的波形第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器第八章模擬量通道接口解：相應(yīng)程序如下：鋸齒波程序

ORG 1000HSTART:MOV DPTR,#7FFFH MOVX @DPTR,A INC A SJMP START END

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器第八章模擬量通道接口②三角波程序

ORG 1000HSTART: CLR A MOV DPTR,#7FFFHDOWN: MOVX @DPTR,A ；線性下降段

INC A JNZ DOWN ；若未完，DOWN MOV A,#0FEHUP: MOVX @DPTR,A ；線性上升段

DEC A JNZ UP ；若未完，則UP SJMP DOWN ；若已完，則循環(huán)

END

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器第八章模擬量通道接口③方波程序

ORG 1000HSTART: MOV DPTR,#7FFFHLOOP: MOV A,#33H MOVX @DPTR,A ；置上限電平

ACALLDELAY ；形成方波頂寬

MOV A,#0FFH MOVX @DPTR,A ；置下限電平

ACALL DELAY ；形成方波底寬

SJMP LOOP ；循環(huán)DELAY: . . . END

▲A/D轉(zhuǎn)換器是一種能把輸入模擬電壓或電流變成與它成正比的數(shù)字量

?！鳤/D轉(zhuǎn)換器從原理上通?？煞譃橐韵滤姆N：

計數(shù)器式A/D轉(zhuǎn)換器、

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和

并行A/D轉(zhuǎn)換器?！緯鴥H對計算機(jī)中廣泛采用的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行介紹

。第八章模擬量通道接口

第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理

▲逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種采用對分搜索原理來實現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換器。●如圖8-10所示

第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器

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圖8-10逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器示意框圖2.A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809★①ADC0809的結(jié)構(gòu)與引腳功能

●ADC0809芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-11所示。

●片內(nèi)含8路模擬開關(guān)，可允許8路模擬量輸入。由于片內(nèi)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可直接與系統(tǒng)總線相連。第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器

第八章模擬量通道接口

▲ADC0809是逐次逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換芯片。第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器

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圖8-11ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器

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圖8-12ADC0809引腳圖★ADC0809引腳圖:●IN0-IN7：8路模擬信號輸入端；●ADDA、ADDB、ADDC：模擬通道的地址選擇線輸入

；

●ALE：地址鎖存允許信號輸入；●CLK：外部時鐘輸入端

；●D0~D7：數(shù)字量輸出端

；

●OE：輸出允許信號輸入，高電平有效；

●START：啟動信號輸入，高電平有效

；●EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出，高電平有效

；

●、：正負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端；●:正電源電壓（+5V）；●GND：接地端。

第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器

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★被選模擬量路數(shù)和地址的關(guān)系如表8-1所示:

被選模擬電壓路數(shù)ADDCADDBADDAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111★②ADC0809與MCS-51單片機(jī)的接口

◆芯片ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換程序有3種編寫方式：查詢方式、中斷方式和延時方式。

a.查詢方式

ADC0809的EOC端與單片機(jī)的任一位I/O口線相連。啟動A/D轉(zhuǎn)換信號后，經(jīng)過一小段延時后再不斷查詢此I/O腳，直到EOC由低電平變?yōu)楦唠娖?，則轉(zhuǎn)換結(jié)束，再讀A/D的值。

第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器

第八章模擬量通道接口

b.中斷方式

在圖8-13中，ADC0809的EOC端通過反相器接到單片機(jī)的外中斷端。在程序設(shè)計中開啟中斷。第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器

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c.延時方式

啟動A/D轉(zhuǎn)換后，不查詢、不中斷，延時一段時間后直接讀取A/D轉(zhuǎn)換值，此種方式可節(jié)省單片機(jī)硬件資源。但要注意延時時間不能小于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間，否則A/D轉(zhuǎn)換尚未結(jié)束，便得到不正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器

第八章模擬量通道接口

圖8-13ADC0809與AT89C51的接口電路圖

3.A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用舉例▲下列給出應(yīng)用ADC0809芯片完成A/D轉(zhuǎn)換的實例第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器

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實例8-2：在圖8-13所示的ADC0809與AT89C51的接口電路中，請分別用查詢方式和中斷方式實現(xiàn)8路模擬量依次轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并分別存入內(nèi)存30H-37H單元。

第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器第八章模擬量通道接口解：①應(yīng)用查詢方式：

ORG 0000H LJMP START ……START:MOV R0,#30H ；置緩沖區(qū)地址

MOV DPTR,#7FF8H ；指向IN0的通道地址

MOV R1,#08H ；置通道數(shù)

CLR EX0 ；禁止中斷

LOOP: MOVX @DPTR,A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換

MOV R2,#20H ；延時查詢

第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器第八章模擬量通道接口DELAY:DJNZR2,DELAY