微處理器C51-8AD及DA工作原理及應(yīng)用

D/A&A/D轉(zhuǎn)換器及其與單片機(jī)接口ADC轉(zhuǎn)換原理及主要技術(shù)指標(biāo)ADC芯片DAC轉(zhuǎn)換原理及主要技術(shù)指標(biāo)DAC芯片內(nèi)含ADC的8051芯片溫度傳感器實(shí)例模擬信號(hào)是一種連續(xù)的信號(hào)，自然界中的種種現(xiàn)象（如溫度、濕度、光線、高度等）都屬于這類信號(hào)。

數(shù)字信號(hào)則是一種0和1組成的非連續(xù)的信號(hào)，通常有TTL與CMOS兩種電平。

人類直接感受的是模擬信號(hào)，但模擬信號(hào)不易存儲(chǔ)、處理與傳輸，且容易失真；而數(shù)字信號(hào)比較容易存儲(chǔ)與處理，傳輸中葉不易失真，成為目前信號(hào)處理的主流。

因此，以傳感器測得的模擬信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這樣可進(jìn)行較高效率的處理、存儲(chǔ)或傳輸。當(dāng)處理完成后，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將它轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)控制器件（如電熱器、電磁閥和電機(jī)等）

ADC轉(zhuǎn)換器的原理及主要技術(shù)指標(biāo)1.并行式ADC的轉(zhuǎn)換原理

這種模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是以多個(gè)比較器并行處理，又稱比較器型模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

這種模/數(shù)轉(zhuǎn)換以數(shù)個(gè)比較器同時(shí)檢測輸入的模擬信號(hào)，然后予以編碼產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)。如圖所示。其特性：

轉(zhuǎn)換速度快。需要的電路復(fù)雜，n位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換需要2n個(gè)精密電阻，2n-1個(gè)比較器以及n位優(yōu)先編碼器。2.逐次逼近式ADC的轉(zhuǎn)換原理successiveapproximationADC的轉(zhuǎn)換電路如圖。

首先N位寄存器最高位置1，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出VN，與輸入電壓Vin比較，如果VN<Vin，則高位置1不變，否則高位復(fù)0；繼續(xù)，直到N位寄存器的每一位確定為止。其特性：轉(zhuǎn)換速度慢。3.雙積分式ADC的轉(zhuǎn)換原理

它采用定電流積分器，先用輸入的模擬信號(hào)來充電，然后用固定的參考電壓放電，放電期間用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，放電完畢，計(jì)數(shù)停止，計(jì)數(shù)結(jié)果就是所要輸出的數(shù)字信號(hào)。其特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢。精度高，穩(wěn)定性好。抗噪聲好。4.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)a.分辨率ADC的分辨率是指使輸出數(shù)字量變化一個(gè)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1/。一個(gè)10V滿刻度的12位ADC能分辨輸入電壓變化最小值是10V×1/=2.4mV。b.量化誤差A(yù)DC把模擬量變?yōu)閿?shù)字量，用數(shù)字量近似表示模擬量，這個(gè)過程稱為量化。量化誤差是ADC的有限位數(shù)對(duì)模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。實(shí)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(gè)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。

c.偏移誤差偏移誤差是指輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零的值，所以有時(shí)又稱為零值誤差。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(duì)應(yīng)的輸入電壓值就是偏移誤差。d.滿刻度誤差滿刻度誤差又稱為增益誤差。ADC的滿刻度誤差是指滿刻度輸出數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸入電壓與理想輸入電壓之差。e.線性度線性度有時(shí)又稱為非線性度，它是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際的轉(zhuǎn)換特性與理想直線的最大偏差。f.絕對(duì)精度在一個(gè)轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬量輸入與理論模擬輸入之差的最大值，稱為絕對(duì)精度。對(duì)于ADC而言，可以在每一個(gè)階梯的水平中點(diǎn)進(jìn)行測量，它包括了所有的誤差。g.轉(zhuǎn)換速率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(shí)間（包括穩(wěn)定時(shí)間），則是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。ADC轉(zhuǎn)換器模/數(shù)轉(zhuǎn)換器種類很多，而ADC080X系列是教學(xué)中最常用的，特別是ADC0804與8X51完全兼容。

1.ADC0804特性：CMOS的逐步逼近式AD轉(zhuǎn)換器。具有8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間100微秒。采用差動(dòng)式模擬電壓輸入、三態(tài)式數(shù)字輸出。模擬輸入電壓范圍0-5V。

2.引腳：/CS：片選，接低電平時(shí)芯片選中；否則輸出數(shù)據(jù)DB0-BD7呈高阻。/RD：數(shù)據(jù)讀取/WR：開始轉(zhuǎn)換/INTR：完成轉(zhuǎn)換CLKIN:時(shí)鐘脈沖輸入，接100-1460KHz時(shí)鐘脈沖。結(jié)合CLKR引腳，外接外加的電阻和電容，由內(nèi)部電路自動(dòng)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，其頻率為：f=1/(1.1RC)CLKR:時(shí)鐘脈沖輸出，可接電阻以產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。Vref/2：參考電壓輸入，其電壓值為最大輸入模擬電壓值得一半。Vin+：模擬電壓輸入的正端。Vin-：模擬電壓輸入的負(fù)端。VCC：電源正。DGND：數(shù)字信號(hào)地。AGND：模擬信號(hào)地。DB0-DB7：數(shù)字輸出引腳，三態(tài)輸出。3.電壓校準(zhǔn)ADC0804的模擬電壓輸入至Vin+和Vin-，若要調(diào)整輸入電壓的輸入水平，可利用一個(gè)運(yùn)放進(jìn)行電壓水平調(diào)整，如圖。4.操作方式

a.連續(xù)轉(zhuǎn)換

如圖所示，/CS與/RD引腳連接到地，/INTR與/WR連接，這樣，微處理器就可以隨時(shí)讀取這個(gè)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。b.交互式控制

如圖,/CS接地，/WR和/RD接微處理器的輸出，此信號(hào)為START或SOC（startofconvert），微處理器通過輸出口向此輸出一個(gè)低電平，ADC0804即可進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，則由/INTR輸出一個(gè)低電平脈沖，此信號(hào)稱為IRQ，微處理器可以通過查詢此信號(hào)或由此信號(hào)引起中斷進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取。ADC0804的操作時(shí)序如圖所示。

當(dāng)ADC0804的/CS與/WR為低電平時(shí)，ADC0804內(nèi)部開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換期間，/INTR為高電平。當(dāng)0804內(nèi)部轉(zhuǎn)換完畢，/INTR變成低電平，這時(shí)若/RD為低電平，則轉(zhuǎn)換結(jié)果將隨/INTR轉(zhuǎn)為高電平時(shí)放至數(shù)據(jù)總線（DB0-DB7），以供微處理器讀取。5.8051與ADC0804的連接

若ADC0804采用連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，直接將DB0-DB7連接8051的任意一個(gè)P口即可。

若采用交互式控制，除了數(shù)據(jù)線，需將其START及IRQ連接8051P口中的任一位。

如果將0804作為8051的外部存儲(chǔ)器，則需將0804的/WR、/RD、/INTR信號(hào)分別和8051的/WR、/RD和INTx相連，而DB0-DB7與P0口相連。

要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換操作時(shí)，若使用匯編語言，可通過專用的外部存儲(chǔ)器存取指令：MOVX@DPTR,A和MOVXA,@DPTR

若使用C51程序，則需將某個(gè)變量聲明為xdata存儲(chǔ)器形式，采用如下的程序代碼：unsignedcharxdataadc;……adc=0xff;//startadc……result=adc;//readadcdataDAC轉(zhuǎn)換原理及主要技術(shù)指標(biāo)

1、D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理及分類基本上DAC轉(zhuǎn)換器是由電阻網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的，常見的是加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)及R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)兩種。a.Ｔ型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器VO=(D0×I0+D1×I1+D2×I2+D3×I3+D4×I4+……+D7×I7)×Rfb=(D0×I×1/28+……+D7×I×1/21)=VREF/R×2-8×Rfb×D=VREF/256×D(當(dāng)Rfb=R)當(dāng)有n位電阻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，VO=VREF/2n×D輸出電壓的大小與數(shù)字量具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系。特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單，電阻只有兩種，容易實(shí)現(xiàn)。b.加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)如圖

VO=-IR=-1/8

×(23V1+22V2+21V3+20V4)

其中V1、V2、V3和V4分別為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字位的電壓。

特點(diǎn)：電路簡單，但制作不容易，電阻種類多，差異大。容易造成誤差。2、D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)a.分辨率分辨率是指輸入數(shù)字量的最低有效位（LSB）發(fā)生變化時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出模擬量（電壓或電流）的變化量。它反映了輸出模擬量的最小變化值。分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有確定的關(guān)系，可以表示成FS/。FS表示滿量程輸入值，n為二進(jìn)制位數(shù)。對(duì)于5V的滿量程，采用８位的DAC時(shí)，分辨率為5V/256＝19.5mV；當(dāng)采用12位的DAC時(shí)，分辨率則為5V/4096＝1.22mV。顯然，位數(shù)越多分辨率就越高。b.線性度線性度（也稱非線性誤差）是實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想直線特性之間的最大偏差。常以相對(duì)于滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。如±１％是指實(shí)際輸出值與理論值之差在滿刻度的±１％以內(nèi)。c.絕對(duì)精度和相對(duì)精度絕對(duì)精度（簡稱精度）是指在整個(gè)刻度范圍內(nèi)，任一輸入數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的模擬量實(shí)際輸出值與理論值之間的最大誤差。絕對(duì)精度是由DAC的增益誤差（當(dāng)輸入數(shù)碼為全1時(shí)，實(shí)際輸出值與理想輸出值之差）、零點(diǎn)誤差（數(shù)碼輸入為全０時(shí)，DAC的非零輸出值）、非線性誤差和噪聲等引起的。絕對(duì)精度（即最大誤差）應(yīng)小于1個(gè)LSB。相對(duì)精度與絕對(duì)精度表示同一含義，用最大誤差相對(duì)于滿刻度的百分比表示。d.建立時(shí)間建立時(shí)間是指輸入的數(shù)字量發(fā)生滿刻度變化時(shí)，輸出模擬信號(hào)達(dá)到滿刻度值的±1/2LSB所需的時(shí)間。是描述D/A轉(zhuǎn)換速率的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。電流輸出型DAC的建立時(shí)間短。電壓輸出型DAC的建立時(shí)間主要決定于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間。根據(jù)建立時(shí)間的長短，可以將DAC分成超高速（＜1μS)、高速（10～1μS）、中速（100～10μS）、低速（≥100μS）幾檔。

應(yīng)當(dāng)注意，精度和分辨率具有一定的聯(lián)系，但概念不同。DAC的位數(shù)多時(shí)，分辨率會(huì)提高，對(duì)應(yīng)于影響精度的量化誤差會(huì)減小。但其它誤差（如溫度漂移、線性不良等）的影響仍會(huì)使DAC的精度變差。DAC芯片

這里以DAC-08系列和DAC0832為例。DAC-08系列1、特性

電流型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)的DA轉(zhuǎn)換器。8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間300ns。電源可采用±15V雙電源或+5V到+15V。2、引腳VLC：臨界電壓控制輸入引腳，其功能是設(shè)置數(shù)字信號(hào)電平，接地即可。/IOUT：互補(bǔ)模擬電流輸出引腳，/IOUT=IFS-IOUT，其中的IOUT為模擬輸出電流，IFS為滿刻度電流（約0.2-4mA）IFS=VREF/RREF×255/256VEE：負(fù)電源引腳，其電壓范圍-4.5到-18VIOUT：模擬電流輸出引腳IOUT=(2n-1Dn-1+……+20D0)/2n×IREF;IREF=VREF/RREFA1-A8：數(shù)字輸入，A1為最高位MSB，A8為最低位LSBVcc：電源+VREF+：正參考電壓VREF-：負(fù)參考電壓COPM：補(bǔ)償引腳，外接補(bǔ)償電容，避免高頻振蕩。3、操作方式如圖為DAC-08的基本電路，若VREF=5V，IREF=5KΩRO=5KΩ，則VO=D/256×5V

如果輸出直接接電阻，由于輸出阻抗高，容易造成負(fù)載效應(yīng)，其輸出端一般接運(yùn)放。

第一個(gè)電路中，其轉(zhuǎn)換結(jié)果沒有/VO，若要有VO和/VO對(duì)稱性輸出，則采用第二個(gè)電路。

4、8051與DAC-08的連接如圖為DAC-08與8051的簡單連接。DAC0832芯片DAC0832是使用非常普遍的８位D/A轉(zhuǎn)換器，由于其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器，故可以直接與單片機(jī)接口。DAC0832以電流形式輸出，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換為電壓輸出時(shí)，可外接運(yùn)算放大器。屬于該系列的芯片還有DAC0830、DAC0831，它們可以相互代換。DAC0832主要特性：分辨率８位；電流建立時(shí)間１μS；數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式；輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)節(jié)；邏輯電平輸入與TTL電平兼容；單一電源供電（＋5V～＋15V）；低功耗，20mＷ。

1、DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳2、DAC0832與80C51單片機(jī)的接口a.單緩沖工作方式

此方式適用于只有一路模擬量輸出，或有幾路模擬量輸出但并不要求同步的系統(tǒng)。雙極性模擬輸出電壓

：

雙極性輸出時(shí)的分辨率比單極性輸出時(shí)降低1/2，這是由于對(duì)雙極性輸出而言，最高位作為符號(hào)位，只有7位數(shù)值位。b.雙緩沖工作方式多路D/A轉(zhuǎn)換輸出，如果要求同步進(jìn)行，就應(yīng)該采用雙緩沖器同步方式。c.直通工作方式當(dāng)DAC0832芯片的片選信號(hào)、寫信號(hào)、及傳送控制信號(hào)的引腳全部接地，允許輸入鎖存信號(hào)ILE引腳接＋5V時(shí)，DAC0832芯片就處于直通工作方式，數(shù)字量一旦輸入，就直接進(jìn)入DAC寄存器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。http://www.A/內(nèi)含ADC的8051芯片大部分51單片機(jī)廠商都提供內(nèi)部ADC的51單片機(jī)，以ATMEL公司為例，AT89C5115、AT89C51AC2及AT89C51AC3等，而這些單片機(jī)除內(nèi)部10位ADC外，其內(nèi)部資源也比標(biāo)準(zhǔn)的89C51強(qiáng)大很多。1、AT89C5115RAM:256BRAM、256BXRAMROM:16KBFlashROM14個(gè)中斷源，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工UART最高工作頻率40MHzI/O口：16或20根數(shù)字I/O雙通道16位PCA，可作為8位PWM兩組數(shù)據(jù)指針寄存器，21位WDT，10位ADC提供Power-Down及Idle等兩種節(jié)電方式電源：3-5.5V2、AT89C51AC2RAM:256BRAM、1KBXRAMROM:32KBFlashROM14個(gè)中斷源，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工UART最高工作頻率40MHzI/O口：34根數(shù)字I/O雙通道16位PCA，可作為8位PWM兩組數(shù)據(jù)指針寄存器，21位WDT，10位ADC芯片內(nèi)置仿真器邏輯即On-chipEmulatorLogic提供Power-Down及Idle等兩種節(jié)電方式電源：3-5.5V3、AT89C51AC3RAM:256BRAM、2KBERAMROM:32KBFlashROM14個(gè)中斷源，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工UART最高工作頻率60MHzI/O口：36根數(shù)字I/O雙通道16位PCA，可作為8位PWM兩組數(shù)據(jù)指針寄存器，21位WDT，10位ADC具有SPI接口，芯片內(nèi)置仿真器邏輯提供Power-Down及Idle等兩種節(jié)電方式電源：3-5.5V美國AnalogDevice公司的AD590是體積小、使用方便的溫度傳感器，如圖。其特性如下：其輸出電流與開氏溫度成

正比，K=0時(shí)為0A，1μA/K有效測溫范圍-55℃-150℃電源范圍4V到30V

應(yīng)用方法如圖，傳感器串接一個(gè)10KΩ電阻，產(chǎn)生電壓在0℃時(shí)VA=2.732V后面電路做減法，減去2.732V，使0℃時(shí)，VC=0V。溫度傳感器使用ADC0804將此電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，如圖。1、電壓測量——直接讀取方式

如圖，ADC0804接P0，/WR與/INTR相接，/RD和/CS接地，這樣，ADC0804不斷地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果隨時(shí)放在數(shù)據(jù)總線上。8051從P1口讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并適當(dāng)處理后在4位LED數(shù)碼管上顯示此采樣數(shù)據(jù)。results=adc*196;disp[3]=results/10000;disp[2]=(results/1000)%10;disp[1]=(results/100)%100;disp[0]=results%10;實(shí)例#include<reg51.h>CharcodeTAB[10]={0xc0,..,0x98};#defineADCP0#defineSCANPP1#defin