第10章MCS-51 AD-DA接口技術(shù)

第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)

A/D、D/A接口【學(xué)習(xí)目的和要求】了解和掌握雙積分A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理、接口擴(kuò)展方法;掌握梯形電阻式D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與應(yīng)用特性、工作方式及接口擴(kuò)展方法。10.1A/D轉(zhuǎn)換器接口的擴(kuò)展10.2D/A轉(zhuǎn)換接口的擴(kuò)展第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口10.1.1

A/D轉(zhuǎn)換器概述10.1.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理10.1.3雙積分式A/DMC14433的擴(kuò)展10.1.4逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理10.1.5逐次逼近式A/DADC0809的擴(kuò)展

10.2.1D/A轉(zhuǎn)換器概述10.2.2梯形電阻式D/A轉(zhuǎn)換器原理10.2.3D/A芯片DAC0832的擴(kuò)展10.2.4D/A芯片AD7520的擴(kuò)展第八章MCS-51單片機(jī)并行擴(kuò)展技術(shù)10.1A/D轉(zhuǎn)換器接口的擴(kuò)展在單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制和智能儀器儀表等應(yīng)用系統(tǒng)中，被控制或被測量對象的有關(guān)參量往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量和速度等物理量，這些模擬量必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果，也常常需要轉(zhuǎn)換為模擬信號，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制，或直接送入二次儀表。若輸入是非電量的模擬信號，還須通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號并加以適當(dāng)?shù)姆糯?。?shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-1所示為具有模擬輸入量和模擬量或數(shù)字量輸出的MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-1MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖10.1.1

A/D轉(zhuǎn)換器概述A/D轉(zhuǎn)換器的分類

根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分為兩大類。一類是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型A/D轉(zhuǎn)換器。在直接型A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓不經(jīng)任何中間變量被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼；在間接型A/D轉(zhuǎn)換器中，要先將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量（時(shí)間、頻率、脈沖寬度等），然后再把這個(gè)中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼輸出。A/D轉(zhuǎn)換器的分類如表10-1所示。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口表10-1A/D轉(zhuǎn)換器的分類第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口直接型電荷再分配型A/D轉(zhuǎn)換器反饋比較型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器跟蹤計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器非反饋比較型串聯(lián)方式A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)方式A/D轉(zhuǎn)換器串并聯(lián)方式A/D轉(zhuǎn)換器間接型電壓―時(shí)間變換型單積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器多重積分型A/D轉(zhuǎn)換器脈寬調(diào)制積分型A/D轉(zhuǎn)換器電壓―頻率轉(zhuǎn)換型（V―F變換器）∑－△式A/D轉(zhuǎn)換器目前應(yīng)用較廣泛的主要有以下幾種類型：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器、∑－△式A/D轉(zhuǎn)換器和V―F變換器。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢，近年來在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口∑－△式A/D轉(zhuǎn)換器具有逐次逼近式和積分型A/D轉(zhuǎn)換器的雙重優(yōu)點(diǎn)，它既有較強(qiáng)的干擾抑制能力，又有較高的轉(zhuǎn)換速度，具有較高的信噪比和線性度，而且不需要采樣保持電路。因此，這種A/D轉(zhuǎn)換器近幾年來得到了泛重視，已有多種式A/D芯片投向市場。V―F變換器適用于轉(zhuǎn)換速度要求不高，需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)腁/D轉(zhuǎn)換場合。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口2.A/D轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)衡量A/D性能的主要參數(shù)如下：1）分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率常用輸出二進(jìn)制位數(shù)或者BCD碼位數(shù)表示。例如，A/D轉(zhuǎn)換器AD574的分辨率為12位，即該A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)可以用個(gè)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行量化，其分辨率為1LSB。用百分?jǐn)?shù)表示分辨率，則為;用BCD碼輸出的A/D轉(zhuǎn)換器常用位數(shù)表示分辨率，例如MC14433雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為3位半。滿字位為1999，用百分?jǐn)?shù)表示分辨率，則為:

;2）滿刻度誤差：即輸出全1時(shí)，輸入電壓與理想輸入量之差;第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口3）轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換速率：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，通常轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)。4）轉(zhuǎn)換精度：A/D轉(zhuǎn)換器的精度指標(biāo)是反映實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器與理想A/D轉(zhuǎn)換器的差別。因?yàn)槔硐階/D轉(zhuǎn)換器存在量化誤差，那么實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器無疑必然也存在量化誤差。所以精度所對應(yīng)的誤差指標(biāo)是不包括量化誤差的。不同的A/D生產(chǎn)廠家或不同類型的產(chǎn)品其精度指標(biāo)表達(dá)方式可能不完全相同，有的給出綜合誤差指標(biāo)，有的給出分項(xiàng)誤差指標(biāo)，這些指標(biāo)大體有非線性誤差、失調(diào)誤差或零點(diǎn)誤差、增益誤差或標(biāo)度誤差以及微分非線性誤差等。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口3.A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

按輸出代碼的有效位數(shù)分為4位、8位、10位、12位、14位、16位和BCD碼輸出的3位半、4位半、5位半等多種；按轉(zhuǎn)換速度可分為超高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間≤

1ns）、高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1us）、中速（轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1ms）和低速（轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1s）等幾種不同轉(zhuǎn)換速度的芯片。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和智能儀器儀表時(shí)，如何選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，是首先應(yīng)該解決的問題。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口1)A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定

A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定與整個(gè)測量控制系統(tǒng)的測控范圍和精度有關(guān)。系統(tǒng)精度涉及的環(huán)節(jié)較多，包括傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、輸出電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等環(huán)節(jié)的精度。因此，選取的A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)與其他環(huán)節(jié)所能達(dá)到的精度相適應(yīng)，一般A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比系統(tǒng)精度要求的最低分辨率高一位。

一般把8位以下的為低分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，9~12位中分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，13位以上的為高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器。2）A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的確定A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。一般來說，低速A/D轉(zhuǎn)換器適用于對溫度、壓力、流量等緩慢變化參量的監(jiān)測和控制；中速A/D轉(zhuǎn)換器常用于工業(yè)監(jiān)測和控制；高速A/D轉(zhuǎn)換器適用于雷達(dá)信號處理、數(shù)字通信、實(shí)時(shí)控制和頻譜分析等系統(tǒng)。在信號處理系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率應(yīng)根據(jù)采樣定理來確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率；在測控系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)性要求來確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口3）采樣保持器的選擇原則上直流或緩慢變化的信號可以不用采樣保持器，其它情況都要用采樣保持器。有些型號的A/D轉(zhuǎn)換器片內(nèi)具有采樣保持器可直接使用，如果片內(nèi)沒有采樣保持器，可以根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、信號帶寬的關(guān)系式，確定是否要外加采樣保持器。例如，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間是100ms時(shí)，允許不加采樣保持器的信號頻率是0.12Hz；若分辨率是12位，該信號頻率為0.0077Hz。如果A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間是100us時(shí)，該頻率為12Hz；若分辨率是12位時(shí)，該頻率為0.77Hz。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口4）工作電壓和基準(zhǔn)電壓A/D轉(zhuǎn)換器的工作電壓有單極性、雙極性的，電壓幅度也各不相同。例如，+5V，+12V；5v，15V等。一般選用單一+5V工作電壓的ADC芯片，與單片機(jī)系統(tǒng)共用一個(gè)電源比較方便。但工作電壓極性和幅度的選擇，還需要考慮被測信號的極性、幅度等因素。基準(zhǔn)電壓源是提供給A/D轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)所需要的參考電壓，這是保證轉(zhuǎn)換精度的基本條件。選用片內(nèi)帶有基準(zhǔn)電壓源的A/D轉(zhuǎn)換器比較方便，而且節(jié)省PCB空間。但在要求較高精度時(shí)，基準(zhǔn)電壓源應(yīng)選擇高精度穩(wěn)壓源單獨(dú)供給。MCS-51系列單片機(jī)中有些型號片內(nèi)具有A/D轉(zhuǎn)換器。對于這些內(nèi)部具有ADC的單片機(jī)，一般就不需要擴(kuò)展A/D接口。對于內(nèi)部不具有ADC的單片機(jī)，如需要，則可以擴(kuò)展通用A/D接口芯片。以下介紹幾種典型的集成A/D轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換原理、特性以及與MCS-51的接口方法。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口10.1.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理

雙積分A/D轉(zhuǎn)換器是基于間接測量原理，將被測電壓值轉(zhuǎn)換成時(shí)間常數(shù)，通過測量時(shí)間常數(shù)來得到未知電壓值。如圖10-2所示的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-2雙積分A/D轉(zhuǎn)換器原理圖第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口雙積分就是整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換過程需要二次積分。在進(jìn)行一次積分時(shí)，電子開關(guān)先把Vx輸入到積分器，積分器從0V開始進(jìn)行固定時(shí)間T0的正向積分，積分輸出終值與Vx成正比，積分T0時(shí)間到后，電子開關(guān)將與Vx極性相反的基準(zhǔn)電壓VR輸入到積分器進(jìn)行反向積分，由于基準(zhǔn)電壓VR恒定，所以積分輸出將按T0期間正向積分的終值以恒定的斜率下降，由比較器檢測積分輸出過零時(shí)，停止積分器工作。反向積分的時(shí)間T1與固定時(shí)間積分的終值成比例關(guān)系，故可以通過測量反向積分時(shí)間T1計(jì)算出Vx，而反向積分時(shí)間可由計(jì)數(shù)器對時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)得到，即:第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口

圖10-2（b）給出了兩種不同輸入電壓()的積分情況，顯然值小，在定時(shí)積分期間積分器輸出值也就小，而下降斜率相同，故反向積分時(shí)間也就短。

由于雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器需經(jīng)過二次積分，時(shí)間較長，所以這種類型的A/D轉(zhuǎn)換速度較慢，但精度可以做得比較高，因?qū)χ芷谧兓母蓴_信號積分為零，故抗干擾性能也比較好。

目前雙積分式A/D集成電路芯片型號較多，常用的有MC14433（三位半，精度相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù)）和ICL7135（四位半，精度相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)），這類A/D大部分應(yīng)用于數(shù)字顯示儀表上。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口10.1.3雙積分式A/DMC14433的擴(kuò)展MC14433是一種三位半的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。其最大輸入電壓為199.99mV和1.999V兩檔（由輸入基準(zhǔn)電壓決定），抗干擾性能強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度高，但轉(zhuǎn)換速度慢，轉(zhuǎn)換速度約1~10次/秒，廣泛應(yīng)用于低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)字顯示儀表中。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口1.MC14433的結(jié)構(gòu)圖10-3給出了MC14433的引腳圖和邏輯結(jié)構(gòu)框圖。圖10-3MC14433引腳圖和邏輯結(jié)構(gòu)框圖第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口MC14433的引腳功能如下。①電源及共地端

：主電源，+5V。

：模擬部分的負(fù)電源，-5V。

：數(shù)字地。

：模擬地（ 的地）。

：基準(zhǔn)電壓輸入端，為200mV或2V。②外接電阻及電容端

：被測電壓輸入端，最大為199.99mV或1.999V(依基準(zhǔn)電壓而定)。RI：積分電阻輸入端，當(dāng)

=2V時(shí)，RI取470K；當(dāng)

=200mV時(shí)，RI取27K。CI：積分電容輸入端，CI一般取0.1的聚丙烯電容。RI/CI：RI和CI的公共連接端。、

：接失調(diào)補(bǔ)償電容

，值約為0.1。CLKI、CLKO：外接振蕩器時(shí)鐘頻率調(diào)節(jié)電阻

，其典型值為300K，時(shí)鐘頻率隨

值的上升而下降。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口③轉(zhuǎn)換啟動(dòng)/結(jié)束信號端EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)輸出端，EOC是一個(gè)寬為0.5個(gè)時(shí)

鐘周期的正脈沖。DU：啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換控制信號，若DU與EOC相連，則

每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又自動(dòng)啟動(dòng)新的A/D轉(zhuǎn)換。④過量程信號輸出端：過量程狀態(tài)信號輸出端，低電平有效，當(dāng)時(shí)有效。⑤位選通控制線：分別是個(gè)、十、百、千位選信號，正脈沖有效，寬度為18個(gè)時(shí)鐘周期，兩個(gè)相應(yīng)脈沖之間的間隔為2個(gè)時(shí)鐘周期。MC14433的選通脈沖時(shí)序如圖10-4所示。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-4MC14433的選通脈沖時(shí)序波形第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口⑥BCD碼輸出線表示結(jié)果1××0千位數(shù)為00××0千位數(shù)為1×1×0結(jié)果為正×0×0結(jié)果為負(fù)0××1輸入過量程1××1輸入欠量程：經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的BCD碼數(shù)據(jù)輸出線，動(dòng)態(tài)地輸出千、百、十、個(gè)位值。在、、選通期間，輸出3位完整的BCD碼數(shù)，但在選通期間，輸出端除了表示個(gè)位的0或1外，還表示轉(zhuǎn)換值的正負(fù)極性、欠量程還是過量程，其含義見表10-2。表10-2選通時(shí)

表示的結(jié)果第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口由表10-2可知：①表示1/2位，=1，千位輸出為0，=0，千位輸出為1。

②表示極性，=1，輸出為正，=0，輸出為負(fù)。③=1表示超量程：=0，表示過量程；=1，表示欠量程。2.MC14433與MCS-51單片機(jī)的接口方法

由于MC14433的轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的BCD碼，所以MCS-51必須通過并行接口與MC14433連接。MC14433與MCS-51的一種接口邏輯如圖10-5所示。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-5MC14433與MCS-51的一種接口電路第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口在圖10-5中是采用中斷方法管理MC14433的操作，MC14433的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC端與啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換信號DU端相連，則每當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動(dòng)啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換。而EOC同時(shí)又連接MCS-51的外部中斷引腳

，則每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC腳輸出正脈沖的下降沿向MCS-51提出中斷申請，所以MC14433能自動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)換。MC14433所需的基準(zhǔn)電壓

由精密電源芯片MC1403提供。以下程序是通過中斷方式讀取MC14433的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并保存在內(nèi)部RAM20H、21H單元中，數(shù)據(jù)存放格式如圖10-6所示。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-6數(shù)據(jù)在內(nèi)部RAM中的存放格式第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口參考程序如下：主程序：MAIN：… SETB IT1 ；設(shè)置外部中斷1為邊沿觸發(fā)方式

MOV IE，#84H；允許外部中斷1中斷

MOV P1，#0FFH

…中斷服務(wù)程序：PINT1：JNB

PINT1

；等待千位選通DS有效

THOU：JBP1.0，OVER

；若OVER為1，即超量程，則轉(zhuǎn)OVER

SETB20H.7；為0，即為負(fù)數(shù)，則20H.7置1JBP1.2，PL1；若為1，即為正數(shù)，則轉(zhuǎn)PL1（符號為負(fù)）AJMPPL2PL1：CLR20H.7；為正數(shù)，則20H.7清0（符號為正）PL2：JBP1.3，PL3； 若為1，則千位為0，則轉(zhuǎn)PL3第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口SETB 20H.4；為0，即千位為1，則20H.4置1（千位置1）AJMPPL4PL3：CLR20H.4；為1，即千位為0，則20H.4清0（千位清0）PL4：JNBP1.5，PL4；等待百位選通有效MOV A，P1；取百位數(shù)據(jù)到累加器AHUND：MOVR0，#20H ；內(nèi)部RAM保存數(shù)據(jù)的首地址送XCHD A，@R0；將已取得的百位數(shù)送內(nèi)部RAM20H的低4位PL5：JNBP1.6，PL5 ；等待十位選通有效TEN：INCR0 ；指向保存數(shù)據(jù)的下一位地址，即21H單元MOVA，P1；取十位數(shù)據(jù)到累加器ASWAPA

；將已取得的十位數(shù)交換到累加器的高4位保存MOV@A，R0；將十位數(shù)保存到內(nèi)部RAM21H單元的高4位PL6：JNBP1.7，PL6；等待個(gè)位選通有效

MOVA，P1；取個(gè)位數(shù)據(jù)到累加器AXCHD A，@R0；將個(gè)位數(shù)保存到內(nèi)部RAM21H單元的低4位

RETIOVER：SETB 10H

；超量程，則置位22H.0RETI第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換也稱逐次比較法A/D轉(zhuǎn)換，它是通過最高位（）至最低位（）的逐次檢測來逐步逼近被轉(zhuǎn)換的輸入電壓，整個(gè)過程是個(gè)“試探”過程。這類A/D轉(zhuǎn)換器是以D/A轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)。加上比較器、N位逐次逼近寄存器和控制邏輯電路等組成，原理如圖10-7所示。圖10-7逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖10.1.4逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口在啟動(dòng)信號控制下，控制邏輯電路置N位寄存器的最高位為1，其他位為0，N位寄存器的內(nèi)容經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)占整個(gè)量程一半的模擬電壓，比較器將此與模擬輸入量比較，若，則保留=1；若<，則

位清0。然后，控制邏輯電路使N位寄存器的下一位置1，連同上次的結(jié)果一起經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后與比較，重復(fù)上述過程，直至判別出

位取1還是取0為止，此時(shí)DONE發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。這樣N位A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)過N次比較后，N位寄存器的狀態(tài)就是與輸入模擬量對應(yīng)的數(shù)字量數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換的速度由時(shí)鐘頻率決定，可以設(shè)計(jì)較高的轉(zhuǎn)換速度，一般在幾微秒到上百微秒之間。常用的逐次逼近法A/D器件有AD0809、ADC0816、ADC1210、AD574等。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口ADC0809是一種8路模擬量輸入、8位逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間在典型時(shí)鐘頻率下約為100微秒。，適用于多路數(shù)據(jù)采集。ADC0809的姊妹芯片是ADC0808，它們之間可以相互代換。1.ADC0809的結(jié)構(gòu)

ADC0809的引腳圖及模擬通道地址如圖10-8所示，原理結(jié)構(gòu)框圖如圖10-9所示。10.1.5逐次逼近式A/DADC0809的擴(kuò)展第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口地址碼模擬通道號ABC000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809引腳圖(b)ADC模擬通道選擇圖10-8ADC0809的引腳圖及模擬通道地址第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-9ADC0809的原理結(jié)構(gòu)框圖第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口ADC0809的引腳功能如下。：8路模擬信號輸入端。輸入電壓范圍為0~+5V。

：8位三態(tài)數(shù)據(jù)輸出端?？膳c單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。C、B、A：模擬通道選擇輸入端。可與單片機(jī)地址線

連接。由地址編碼000~111 選擇8路A/D通道。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。ALE有效時(shí)鎖存

上的地址信息，經(jīng)譯碼后控制

中哪一路模擬電壓送入比較器。CLOCK：外部時(shí)鐘輸入端。CLOCK的頻率范圍為 10kHz~1280kHz,一般取640kHz(此

時(shí)的轉(zhuǎn)換速度為100us)。START：啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號輸入端。該信號的上升沿清除內(nèi)部寄存器，下降沿啟動(dòng)控制電路開始A/D轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC輸出一個(gè)寬為8個(gè)CLK周期的正脈沖。OE：輸出允許控制端。OE為高電平時(shí)把轉(zhuǎn)換結(jié)果送數(shù)據(jù)線

，OE為低電平時(shí)

為浮空態(tài)。：主電源+5V。 GND：數(shù)字地。

：正參考電壓輸入端。

：負(fù)參考電壓輸入端。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口ADC0809與MCS-51的一種接口邏輯如圖10-10所示。圖10-10ADC0809與MCS-51的一種接口邏輯2.ADC0809與MCS-51的接口方法第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口

在圖10-10中，如果要求對8路模擬量順序進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。每個(gè)通道各采集1個(gè)數(shù)據(jù)，分別存放在內(nèi)部RAM30H~37H單元中。單片機(jī)采用查詢和中斷兩種控制方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，參考程序如下：(1)查詢方式：

ORG 0000HAJMPMAINORG100HMAIN： MOVR1，#30H；置RAM緩沖區(qū)首址

MOVR7，#08H；置循環(huán)計(jì)數(shù)器初值（通道數(shù)）

MOVDPTR，#7FF8H；置模擬通道地址LOOP： MOVX@DPTR,A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換FINISH：JBP3.3，F(xiàn)INISH

；查詢，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束MOVXA，@DPTR

；讀取當(dāng)前通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

MOVX@R1，A

；轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送RAM緩沖區(qū)INCDPTR

；指向下一模擬通道地址INCR1

；數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址加1DJNZR7，LOOP

；8個(gè)通道未采集完，則返回WAIT：AJMPWAIT END第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口（2）中斷方式主程序：

ORG0000HAJMPMAINORG 0013H LJMP INTSMAIN：SETB IT1

；設(shè)置INT1為跳沿觸發(fā)方式

SETBEA

；CPU開中斷

SETBEX1

；允許INT1中斷

MOVR1，#30H

；置RAM緩沖區(qū)首址

MOVR7，#08H

；置循環(huán)計(jì)數(shù)器初值（通道數(shù)）

MOVDPTR，#7FF8H

；置模擬通道地址LOOP： MOVX@DPTR,A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換┉；設(shè)此程序段未使用寄存器R1，

R7和數(shù)據(jù)指針DPTRLJMPLOOP；循環(huán)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口中斷服務(wù)程序：INTS：PUSHPSW ；保護(hù)現(xiàn)場PUSHA MOVXA，@DPTR ；讀取當(dāng)前通道轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOVX@R1,A ；保存轉(zhuǎn)換結(jié)果

INCDPTR ；指向下一模擬通道地址

INCR1 ；修改數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址

DJNZR7，LP ；8個(gè)通道未采集完，則返回

SETBF0 ；置位用戶標(biāo)志位LP：POPA ；恢復(fù)現(xiàn)場

POPPSWRETI ；中斷返回END第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口

10.2D/A轉(zhuǎn)換接口的擴(kuò)展10.2.1D/A轉(zhuǎn)換器概述

D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件，是計(jì)算機(jī)與輸出設(shè)備之間的接口，是數(shù)字化測控系統(tǒng)及智能儀器中的組成部分。D/A轉(zhuǎn)換過程是先將各位數(shù)碼按其權(quán)值的大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬分量，然后再以疊加方法把個(gè)模擬分量相加，其和就是D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果。D/A輸出有電壓和電流兩種信號形式，在實(shí)際應(yīng)用中，對于電流輸出形式的A/D轉(zhuǎn)換器，可在其輸出端加運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流―電壓轉(zhuǎn)換電路，將電流輸出變?yōu)殡妷狠敵?。由于?shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的數(shù)字量應(yīng)保持穩(wěn)定，為此D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入端前面設(shè)置鎖存器，以提供數(shù)據(jù)鎖存功能。有些D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部帶有鎖存器，而且還包括地址譯碼電路，有的還具有雙重?cái)?shù)據(jù)緩沖電路。這種D/A轉(zhuǎn)換器可與MCS—51的P0口直接相連。內(nèi)部不帶鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器可與MCS—51的P1口或P2口直接相連，因?yàn)镻1口和P2口的輸出有鎖存器，如果與P0口連接時(shí)，需要在D/A轉(zhuǎn)換芯片前面加鎖存器。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口D/A性能的主要參數(shù)如下：

分辨率：分辨率是指輸入的單位數(shù)字量變化引起的模擬量輸出的變化。對于n位的D/A，其分辨率為滿量程刻度的1/。例如，若滿量程為10V，設(shè)n=8，則分辨率為10V/=39.1mV。更常用的方法是采用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示分辨率的高低，例如，8位二進(jìn)制D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為8位。

轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是由于非線性、零點(diǎn)刻度、滿量程刻度及溫度漂移等因素引起的誤差。精度表示D/A實(shí)際輸出與其理論值的誤差。理想情況下精度與分辨率基本一致，但由于電源電壓、參考電壓、電阻等因素存在誤差，所以實(shí)際上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，但同位數(shù)的轉(zhuǎn)換器精度會有所不同。轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從輸入數(shù)字量到輸出達(dá)到終值誤差

LSB/2所需的時(shí)間。輸出形式為電流的D/A轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，輸出形式為電壓的D/A轉(zhuǎn)換器，由于內(nèi)部運(yùn)算放大器的延時(shí)，因此轉(zhuǎn)換時(shí)間要長一些。線性度：線性度是指D/A實(shí)際輸入/輸出曲線對理想輸入/輸出曲線接近的程度。通常用滿量程的百分率或最低有效位（LSB）的分?jǐn)?shù)來表示，如

LSB/2。

輸出極性及范圍：D/A輸出極性有單極性與雙極性兩種，輸出范圍與參考電壓有關(guān)。

實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的方法很多，依據(jù)轉(zhuǎn)換原理，可分為脈沖調(diào)幅、調(diào)寬、加權(quán)電阻式和梯形電阻式等，其中梯形電阻式用得較多，它是通過內(nèi)部的梯形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)對數(shù)位電流分流來實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的。轉(zhuǎn)換分辨率高。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口10.2.2梯形電阻式D/A轉(zhuǎn)換器原理梯形電阻式D/A常采用R-2R的電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖10-11所示。由圖可知，運(yùn)算放大器的反向端為“虛地”，模擬開關(guān)在地與虛地之間切換。當(dāng)輸入數(shù)字信號任一位

=1時(shí)，對應(yīng)開關(guān)

與運(yùn)算放大器的反向端接通，當(dāng)

為0時(shí)，

接地?？梢姴徽?/p>

取值如何，各模擬開關(guān)的支路電流值不變。

第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-11R-2R梯形電阻式D/A轉(zhuǎn)換器第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖中從~各節(jié)點(diǎn)往右看，對地的電阻值均等于R。從左到右，各路電流分配規(guī)律是滿足按權(quán)分布要求（其中 ）?？紤]到模擬開關(guān)對總電流i的控制作用，將所有流入運(yùn)算放大器反向端的電流求和，可得輸出電壓為：

可見，輸出電壓與二進(jìn)制數(shù)成線性關(guān)系。調(diào)整運(yùn)算放大器的反饋電阻和基準(zhǔn)電源，就可獲得與n位二進(jìn)制數(shù)成一定比例的輸出電壓。將R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、二進(jìn)制數(shù)控制的電子開關(guān)以及一些控制電路集成為一個(gè)電路，就形成了各種型號的梯形電阻式D/A芯片。10.2.3DAC0832的擴(kuò)展

DAC0832是美國數(shù)據(jù)公司采用CMOS工藝制造的8位單片梯形電阻式

D/A轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)帶數(shù)據(jù)鎖存器，電流輸出，輸出電流穩(wěn)定時(shí)間為1，功耗為20mW。DAC0832是DAC0830系列產(chǎn)品之一，該系列產(chǎn)品包括DAC0830、DAC0831、DAC0832，它們可以完全相互代換。

1.DAC0832結(jié)構(gòu)DAC0832的引腳圖和邏輯框圖如圖10-12所示。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-12DAC0832引腳圖和結(jié)構(gòu)框圖第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口、DAC0832由8位數(shù)據(jù)鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，為20腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)，各管腳的功能如下。

：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，可與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線相連；

ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效；

：選片信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平

有效；

：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通信號輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效，由ILE、、的邏輯組合產(chǎn)生，當(dāng)為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變化，信號的負(fù)跳沿將輸入數(shù)據(jù)鎖存到8位數(shù)據(jù)鎖存器中；

：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效；

：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效，由 、的邏輯組合產(chǎn)生，當(dāng)為高電平時(shí)，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，負(fù)跳變時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換；

：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化。輸入數(shù)字量全為“1”時(shí)，

最大，輸入數(shù)字量全為“0”時(shí)，

最??；

：電流輸出端2，其值與

值之和為一常數(shù)；

：反饋信號輸入線，改變

端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；

：電源輸入端，

的范圍為+5V~+15V；第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口2.DAC0832的工作方式根據(jù)對DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有以下3種方式。

：基準(zhǔn)電壓輸入線，的范圍為-10V~+10V；AGND：模擬地，常用符號表示；

DGND：數(shù)字地，常用符號表示。

a.直通方式。該方式是使所有控制信號（

、

、

、

）均有效，此方式只適用于連續(xù)反饋控制電路中。

b.單緩沖方式。該方式是控制數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器同時(shí)接收數(shù)據(jù)，或者只用數(shù)據(jù)鎖存器而把DAC寄存器接成直通方式（

、

始終有效）：此方式適用于只有一路模擬量輸出，或雖有多路模擬量輸出但非同步輸出的情形。

c.雙緩沖方式。該方式是先分別控制各DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器以接收數(shù)據(jù)，再分別控制各DAC0832的DAC寄存器以實(shí)現(xiàn)多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出。此方式適用于多路DAC0832同步輸出的情形。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口3.電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓輸出

DAC0832的輸出是電流，使用運(yùn)算放大器可以將其電流輸出線性地轉(zhuǎn)換成電壓輸出。根據(jù)運(yùn)算放大器和DAC0832的連接方法。運(yùn)算放大器的輸出可以分為單極性和雙極性兩種。圖10-13為單極性電壓輸出電路。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-13DAC0832單極型電壓輸出電路4.DAC0832與MCS-51單片機(jī)的接口方法第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口DAC0832最常用的工作方式有兩種：單緩沖方式和雙緩沖方式。⑴單緩沖方式應(yīng)用的接口方法

當(dāng)只有一路D/A轉(zhuǎn)換輸出，或雖有多路D/A轉(zhuǎn)換輸出但非同步輸出時(shí)采用單緩沖方式。圖10-14為DAC0832與MCS-51典型的單緩沖方式接口電路。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-14DAC0832單緩沖方式的接口電路第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖中ILE接高電平，

和

相連后接MCS-51的

，

和

相連后接MCS-51的地址高位，這樣就同時(shí)片選了DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器，MCS-51對DAC0832執(zhí)行一次寫操作就把一個(gè)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)鎖存器的同時(shí)也直接寫入到了DAC寄存器，模擬量輸出隨之變化。從圖中可知，數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的地址都為7FFFH。在圖10-14DAC0832單緩沖方式的接口電路中，運(yùn)算放大器OA輸出端

直接反饋到

，因此產(chǎn)生的模擬輸出電壓是單極性的。下面分別給出產(chǎn)生鋸齒波、三角波的應(yīng)用程序。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口①鋸齒波程序ORG100HSTART：MOVDPTR，#7FFFH；D/A地址送DPTR MOVA，#00H ；數(shù)字量初始值LOOP：MOVX@DPTR,A ；數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器

INCA ；數(shù)字量加1 AJMPLOOP END

MCS-51執(zhí)行上面的程序，運(yùn)算放大器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波，如圖10-15所示。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-15輸出端鋸齒型電壓波②三角波程序ORG100HSTART：MOVDPTR，#7FFFH；D/A地址送DPTRMOVA，#00H ；數(shù)字量初始值LPU：MOVX@DPTR,A ；數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器

INCA ；數(shù)字量加1 JNZLPULPD：DECA；數(shù)字量減1 MOVX@DPTR,A；數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器

JNZLPD AJMPLPU

MCS-51執(zhí)行上面的程序，運(yùn)算放大器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)三角波，如圖10-16所示。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-16輸出端三角型電壓波第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口

當(dāng)有多路D/A轉(zhuǎn)換需同步輸出時(shí)，采用雙緩沖方式，這時(shí)數(shù)字量的輸入鎖存和D/A轉(zhuǎn)換輸出是分兩步完成的，即CPU的數(shù)據(jù)總線分時(shí)向各路D/A轉(zhuǎn)換器輸入要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量并鎖存在各自的數(shù)據(jù)鎖存器中。然后CPU對所有D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)出控制信號，使所有D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)鎖存器中的數(shù)據(jù)打入DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出。⑵雙緩沖方式應(yīng)用的接口方法圖9-17所示為DAC0832與MCS-51典型的雙緩沖方式接口電路。圖中兩片DAC0832的

和

都相連后與MCS-51的

相連，

接0832（1）的

，即片選0832（1）的數(shù)據(jù)鎖存器，

接0832（2）的

，即片選0832（2）的數(shù)據(jù)鎖存器，

同時(shí)接兩片DAC0832的

，則可知0832（1）的數(shù)據(jù)鎖存器地址為0DFFFH，0832（2）的數(shù)據(jù)鎖存器地址為0BFFFH，兩片DAC0832的DAC寄存器的地址均為7FFFH。第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口圖10-17DAC0832雙緩沖方式的接口電路

MCS-51執(zhí)行下面的程序后就能完成兩路D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出。

ORG100HSTART：MOVDPTR，#0DFFFH；指向0832（1）的數(shù)據(jù)鎖存器地址MOVA，#data1MOVX@DPTR,A；data1數(shù)據(jù)送入0832（1）中鎖存MOVDPTR，#0BFFFH；指向0832（2）的數(shù)據(jù)鎖存器地址

MOVA，#data2 MOVX@DPTR,A；data2數(shù)據(jù)送入0832（2）中緩存

MOVDPTR，#7FFFH；指向兩片0832的DAC寄存器

MOVX@DPTR,A；啟動(dòng)兩路D/A轉(zhuǎn)換，同步輸出

RET第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口10.2.4D/A芯片AD7520的擴(kuò)展第十章MCS-51單片機(jī)A/D、D/A接口AD7520、AD7521、DAC1020、DAC1220等系列D/A轉(zhuǎn)換芯片片內(nèi)均不帶輸入鎖存器，無參考電壓及電壓輸出電路。它們具有相同的D/A轉(zhuǎn)換電路接口特征：⑴因片內(nèi)不帶輸入鎖存器，故不能直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，常采用通過具有鎖存功能的I/O口或擴(kuò)展I/O口與之相連，或者數(shù)據(jù)總線通過數(shù)據(jù)鎖存器與之相連。⑵須外加參考電壓和電壓輸出電路。AD7520的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用特性

AD7520是一種10位D/A轉(zhuǎn)換芯片，由CMOS電流開關(guān)和梯形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、配置靈活和價(jià)格低廉