1、第9章 80C51单片机的模拟量接口,MCS-51与DAC的接口,D/A转换器的原理及主要技术指标,MCS-51与8位DAC0832的接口,非电物理量（温度、压力、流量、速度等），须经传感器转换成模拟电信号（电压或电流），必须转换成数字量，才能在单片机中处理。,A/D转换器（ADC）：模拟量数字量的器件， D/A转换器（DAC）：数字量模拟量的器件。,数字量，也常常需要转换为模拟信号。,9.1 MCS-51与DAC的接口,输入：数字量，输出：模拟量。 转换过程：送到DAC的各位二进制数按其权的大小转换为相应的模拟分量，再把各模拟分量叠加，其和就是D/A转换的结果。,使用D/A转换器时，要注意区
2、分:,* D/A转换器的输出形式;,* 内部是否带有锁存器。,9.1.1 D/A转换器的原理及主要技术指标,型电阻网络D/A转换器 ：,虚地,1、D/A转换器的基本原理,输出电压 的大小与数字量的对应关系：,注：因使用反相比例放大器来实现电流到电压的转换，所以输出模拟信号(VO)的极性与参考电压(VREF)极性相反。,n位数字量B与模拟量的关系式：当,2.主要技术指标,(1)分辨率（Resolution）,输入给DAC的单位数字量变化引起的模拟量输出的变化，通常定义为输出满刻度值与2n之比。显然，二进制位数越多，分辨率越高。,例如，若满量程为10V，根据定义则分辨率为10V/2n。设8位D/A
3、转换，即n=8，分辨率为10V/2n =39.1mV，该值占满量程的0.391%，用1LSB表示。,同理：10位 D/A：1 LSB=9.77mV=0.1% 满量程12位 D/A：1 LSB=2.44mV=0.024% 满量程,根据对DAC分辨率的需要,来选定DAC的位数。,(2)建立时间（Establishing Time）,描述DAC转换快慢的参数,表明转换速度。定义：为从输入数字量到输出达到终值误差(1/2)LSB(最低有效位)时所需的时间。电流输出时间较短，电压输出的，加上I-V转换的时间，因此建立时间要长一些。快速DAC可达1s以下。,线性度（也称非线性误差）是实际转换特性曲线与理想
4、直线特性之间的最大偏差。常以相对于满量程的百分数表示。如是指实际输出值与理论值之差在满刻度的以内。,(3)线性度（Linearity）,绝对精度（简称精度）是指在整个刻度范围内，任一输入数码所对应的模拟量实际输出值与理论值之间的最大误差。绝对精度是由DAC的增益误差（当输入数码为全1时，实际输出值与理想输出值之差）、零点误差（数码输入为全时，DAC的非零输出值）、非线性误差和噪声等引起的。绝对精度（即最大误差）应小于1个LSB。,相对精度与绝对精度表示同一含义，用最大误差相对于满刻度的百分比表示。,(4)绝对精度和相对精度（Conversion Accuracy）,应当注意，精度和分辨率具有一
5、定的联系，但概念不同。DAC的位数多时，分辨率会提高，对应于影响精度的量化误差会减小。但其它误差（如温度漂移、线性不良等）的影响仍会使DAC的精度变差。,DAC0832是使用非常普遍的位D/A转换器，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。属于该系列的芯片还有DAC0830、DAC0831，它们可以相互代换。DAC0832主要特性：,分辨率位；电流建立时间S；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；输出电流线性度可在满量程下调节；逻辑电平输入与TTL电平兼容；单一电源供电（5V15V）；低功耗，20m。,9.1
6、.2 MCS-51与8位DAC0832的接口,1. DAC0832芯片介绍,DAC0832的逻辑结构：,（2）DAC0832的引脚及逻辑结构,引脚：,2. MCS-51与DAC0832的接口电路,有3种工作方法：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。,地址FEH,MOV R0，#0FEH ；DAC地址FEHR0,MOVX R0，A ；WR*和译码器FEH输出端有效,(2)单缓冲方式,例9-1 DAC0832用作波形发生器。分别写出产生锯齿波、三角波和矩形波的程序。,(1) 锯齿波的产生,ORG 2000H,START:MOV R0，#0FEH；DAC地址FEH R0,MOV A， #00H；数字量
7、A,LOOP: MOVX R0，A ；数字量D/A转换器,INC A ；数字量逐次加1,SJMP LOOP,每一上升斜边分256个小台阶，每个小台阶暂留时间为执行后三条指令所需要的时间。,改变频率,(2) 三角波的产生,ORG 2000H,START: MOV R0，#0FEH,MOV A，#00H,UP: MOVXR0，A ；三角波上升边,INC A,JNZ UP,DOWN: DEC A；A=0时再减1又为FFH,MOVX R0，A,JNZ DOWN ；,三角波下降边,SJMP UP,(3) 矩形波的产生,ORG 2000H,START: MOV R0，#0FEH,LOOP: MOV A，#
8、data1,MOVX R0，A；置矩形波上限电平,LCALL DELAY1；调用高电平延时程序,MOV A，#data2,MOVX R0，A；置矩形波下限电平,LCALL DELAY2；调用低电平延时程序,SJMP LOOP；重复进行下一个周期,DELAY1、DELAY2为两个延时程序，决定矩形波高、低电平时的持续时间。频率也可采用延时长短来改变。,单缓冲方式适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求同步的系统。,电阻的作用？,练习 D/A转换程序，用DAC0832输出0+5V锯齿波，电路为单缓冲方式。设VREF=-5V，若DAC0832地址为7FFFH，脉冲周期要求为100ms。
9、,DACS：MOV DPTR，# 7FFFH ；0832 I/O地址 MOV A，#00H ；开始输出0VDACL：MOVXDPTR，A；D/A转换 INCA；升压 ACALLDELAY ；延时100ms/256：决定锯齿波的周期AJMPDACL；连续输出DELAY：；延时子程序,（3）双缓冲方式,下图中DAC输出的VX和VY信号要同步，控制X-Y绘图仪绘制的曲线光滑，否则绘制的曲线是阶梯状。多路同步输出，必须采用双缓冲同步方式。,1#DAC0832因和译码器FDH相连，占有两个端口地址FDH和FFH。2#DAC0832的两个端口地址为FEH和FFH。其中，FDH和FEH分别为1#和2#DAC
10、0832的数字量输入控制端口地址，而FFH为启动D/A转换的端口地址。,例9-2 内部RAM中两个长度为20的数据块，起始地址为分别为addr1和addr2，编写能把addr1和addrr2中数据从1#和2#DAC0832同步输出的程序。addr1和addr2中的数据，为绘制曲线的X、Y坐标点。,DAC0832各端口地址：,FDH: 1#DAC0832数字量输入控制端口,FEH: 2#DAC0832数字量输入控制端口,FFH: 1#和2#DAC0832启动D/A转换端口,工作寄存器0区的R1指向addr1；1区的R1指向addr2；0区的R2存放数据块长度；0区和1区的R0指向DAC端口地址。
11、程序为：,1区的R0,0区的R0,ORG 2000H,addr1 DATA 20H ； 定义存储单元addr2 DATA 40H ； 定义存储单元,DTOUT: MOV R1，#addr1 ； 0区R1指向addr1 MOV R2，#20 ； 数据块长度送0区R2 SETB RS0 ； 切换到工作寄存器1区 MOV R1，#addr2 ； 1区R1指向addr2 CLR RS0 ； 返回0区,NEXT: MOV R0，#0FDH ； 0区R0指向1#DAC0832 ；数字量控制端口 MOV A，R1 ； addr1中数据送A MOVX R0，A ； addr1中数据送1#DAC0832,INC
12、 R1 ； 修改addr1指针0区R1,SETB RS0 ； 转1区。MOV R0，#0FEH ；1区R0指向2#DAC0832数字量 ；控制端口MOV A，R1 ；addr2中数据送AMOVX R0，A ；addr2中数据送2#DAC0832,INC R1 ；修改addr2指针1区R1INC R0 ；1区R0指向DAC的启动D/A转换端口,MOVX R0，A ；启动DAC进行转换,CLR RS0 ；返回0区,DJNZ R2，NEXT ；若未完，则跳NEXTLJMP DTOUT ；若送完，则循环,END,仿真,仿真锯齿波及调整周期,仿真三角波及调整周期,仿真矩形波及调整周期和幅度,仿真正弦波,
13、仿真多种波形,用C语言仿真矩形波,9.2 MCS-51与 A/D转换器的接口,MCS-51与ADC的接口,A/D转换器概述,MCS-51与ADC 0809（逐次比较型）的接口,MCS-51与AD574（逐次比较型）的接口,MCS-51与A/D转换器MC14433（双积分型）的接口,9.2.1 A/D转换器概述,A/D转换器的分类,目前使用较广泛的有：逐次比较式转换器、双积分式转换器、-式转换器和V/F转换器。,逐次比较型:精度、速度和价格都适中，是最常用的A/D转换器件。,双积分型:精度高、抗干扰性好、价格低廉,但转换速度慢，得到广泛应用。,-型:具有积分式与逐次比较式ADC的双重优点。对工业
14、现场的串模干扰具有较强的抑制能力，不亚于双积分ADC，但比双积分ADC的转换速度快，与逐次比较式ADC相比，有较高的信噪比，分辨率高，线性度好不需采样保持电路。因此，-型得到重视。,V/F转换型:适于转换速度要求不太高，远距离信号传输。,30,2. A/D转换器的主要技术指标,转换时间和转换速率,完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。,(2) 分辨率,用输出二进制位数或BCD码位数表示。例如AD574，二进制12位，即用212个数进行量化，分辨为1LSB，百分数表示1/212=0.24。,又如双积分式A/D转换器MC14433, 分辨率为三位半。若满字位为1999，其分辨率为1/
15、1999=0.05%。,(3)转换精度,定义为一个实际ADC与一个理想ADC在量化值上的差值。可用绝对误差或相对误差表示。,3. A/D转换器的选择,按输出代码的有效位数分:8位、10位、12位等。,按转换速度分为超高速（1ns）、高速（1s）中速（1ms）、低速（1s）等。,为适应系统集成需要，将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二/十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内，为用户提供方便。,（1）A/D转换器位数的确定,系统总精度涉及的环节较多：传感器变换精度、信号预处理电路精度和A/D转换器及输出电路、控制机构精度，还包括软件控制算法。,A/D转换器的位数至少要比系统总精度要求的最低分辨
16、率高1位，位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，太高无意义，且价高。,8位以下：低分辨率，912位：中分辨率，13位以上：高分辨率。,（2）A/D转换器转换速率的确定,从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是A/D转换器的转换时间。,低速：转换时间从几ms到几十ms 。,中速：逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几s 100s左右。,高速：转换时间仅20100ns。适用于雷达、数字通讯、 实时光谱分析、实时瞬态纪录、视频数字转换 系统等。,如用转换时间为100s的集成A/D转换器，其转换速率为10千次/秒。根据采样定理和实际需要，一个周期的波形需采1
17、0个点，最高也只能处理1kHz的信号。把转换时间减小到10s，信号频率可提高到10kHz。,（3）是否加采样保持器,直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他情况都要加采样保持器。,根据分辨率、转换时间、信号带宽关系，是否要加采样保持器：如果是8位ADC, 转换时间100ms,无采样保持器，信号的允许频率是0.12Hz；如果是12位ADC，该频率为0.0077Hz。如果转换时间是100s，ADC是8位时，该频率为12Hz，12位时是0.77Hz。,（4）工作电压和基准电压,选择使用单一+5V工作电压的芯片，与单片机系统共用一个电源就比较方便。在要求较高精度时，基准电压要单独用高精度稳压电源
18、供给。,1、逐次逼近式ADC的转换原理,9.2.2 MCS-51与ADC 0809（逐次比较型）的接口,逐次比较式8路模拟输入、8位输出的A/D转换器。,2、ADC0809的引脚、参数及接口,(1)IN0IN7：8路模拟信号输入端。,(2) D0D7：8位数字量输出端。,(3) C 、B 、A：控制8路模拟通道的切换,(5) OE、START、CLK：控制信号端， OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。,(4) VR(+)和VR(-)：参考电压输入端。,ADC0808的引脚,主要性能为：分辨率为位；精度：ADC0809小于1LSB（ADC0808小于1/2LSB
19、）；单+5V供电，模拟输入电压范围为05V；具有锁存控制的路输入模拟开关；可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容；功耗为15mW；不必进行零点和满度调整；转换速度取决于芯片外接的时钟频率。时钟频率范围：101280KHz。典型值为时钟频率640KHz，转换时间约为100S。,ADC0809的时序图,查询、中断？,MCS-51与ADC0809的接口,首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX DPTR，A时，单片机的WR*信号有效，产生一个启动信号给0809的START脚，对选中通道转换。,转换结束后，0809发出转换结束EOC信号，该信号可供查询，也可向单片机发出中断请求;当执行指
20、令：MOVX A，DPTR，单片机发出RD*信号,加到OE端高电平，把转换完毕的数字量读到A中。,(1)查询方式见例1,(2)中断方式见例2,将图中EOC脚经一非门连接到8031的INT1*脚即可。转换结束时，EOC发出一个脉冲向单片机提出中断申请，单片机响应中断请求，在中断服务程序读A/D结果，并启动0809的下一次转换，外中断1采用跳沿触发。,MAIN：MOV R1，#DATA ；置数据区首地址 MOV DPTR，#7FF8H；指向通道 MOV R7，#08H；置通道数,LOOP：MOVX DPTR，A；启动A/D转换,HER： JB P3.3，HER ；查询A/D转换结束,MOVX A，
21、DPTR；读取A/D转换结果 MOV R1，A；存储数据,INC DPTR；指向下一个通道 INC R1 ；修改数据区指针 DJNZ R7，LOOP ；个通道转换完否？ ,例1：对路模拟信号轮流采样一次，并依次把转换结果存储到片内RAM以DATA为起始地址的连续单元中。,INIT1: SETB IT1 ；外部中断1初始化编程SETB EA ；CPU开中断SETBEX1 ；选择外中断为跳沿触发方式,MOVDPTR，#7FF8H；端口地址送DPTRMOVA，#00H ;MOVXDPTR，A；启动0809对IN0通道转换,SJMP $ ；完成其他的工作,中断服务程序:,PINT1: MOV DPTR
22、，#7FF8H ；A/D结果送内部RAM单元 MOVX A，DPTR MOV 30H，A,MOVA，#00H；启动0809对IN0的转换MOVXDPTR，A;RETI,主程序：,例2：,双积分式ADC的转换原理(数电P487),9.2.4 MCS-51与A/D转换器MC14433（双积分型）的接口,双积分型由于两次积分时间比较长，所以转换速度慢，但精度可以做得比较高；对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也较好。,1.MC14433的介绍,（1）电源及共地端,VDD：主工作电源+5V。,VEE：模拟部分的负电源端 接-5V。,VAG：模拟地端。,VSS： 数字地端。,VR： 基准电压输入端。
23、,各引脚的功能如下：,（2）外接电阻及电容端,R1：积分电阻输入端，转换电压VX=2V时， R1=470；VX=200mV时，R1=27k。,C1：积分电容输入端，一般取0.1F。,R1/C1：R1与C1的公共端。,CLKI、CLKO：外接振荡器时钟调节电阻RC，对时钟频率要求不高的场合，可选择一个电阻即可设定时钟频率，时钟频率为66kHz时，外接电阻取300k即可。,（4）过量程信号输出端,OR*：当|VX|VR，输出低电平。,（5）位选通控制端,（4）过量程信号输出端,（5）位选通控制端,DS4DS1：分别为个、十、百、千位输出的选通脉冲，DS1对应千位，DS4对应个位。每个选通脉冲宽度为
24、18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。如图11-21所示,（3）转换启动/结束信号端,EOC：转换结束信号输出端，正脉冲有效。,DU：启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转 换结束后，自动启动新的转换。,（6）BCD码输出端,Q0Q3：BCD码数据输出线。Q3为最高位，Q0为最低位。,当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码数，但在DS1（千位）选通期间，输出端Q0Q3除了表示个位的0或1外，还表示被转换电压的正负极性（Q2=1为正）、欠量程还是过量程，具体含义如表11-2所示。,（6）BCD码输出端,模拟电路部分有基准电压、模拟电压输入部分。被转换的模拟
25、电压输入量程为199.9mV或1.999V，与之对应的基准电压相应为200mV或2V两种。,数字电路部分由逻辑控制、BCD码及输出锁存器、多路开关、时钟以及极性判别、溢出检测等电路组成。MC14433采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码轮流地在Q0Q3端输出，同时在DS1DS4端出现同步字位选通信号。,主要的外接器件是时钟振荡器外接电阻RC、外接失调补偿电容C0和外接积分阻容元件R1、C1。,补充说明,MC14433选通脉冲时序,表 DS1选通时Q3Q0表示的结果,2. MC14433与8031单片机的接口,如图11-12，MC1403（与5G1403相同）为+2.5V
26、精密基准源。DU端与EOC端相连，即选择连续转换方式。EOC：转换结束输出标志。,读取A/D转换结果可采用中断方式或查询方式。采用中断方式时，EOC端与8031外部中断输入端INT0*或INT1*相连。采用查询方式EOC端可与任一I/O口线相连。,若用中断方式读结果，选用跳沿触发方式。如转换结果存到8031内部RAM的20H、21H单元中，格式如下：,初始化程序开放CPU中断，允许外部中断1中断请求，置外部中断1为跳沿触发方式。,每次A/D转换结束，都向CPU请求中断，CPU响应中断，执行中断服务程序，读取A/D转换的结果。,等于1,等于1,NO,开始,初始化参数,YES,读入数据,等于0,转
27、换结束,DS1值,等于0,千位=1入显示缓冲,缓冲地址加1,千位=0入显示缓冲,Q3值,等于1,DS2值,等于0,缓冲地址加1,屏蔽高四位 百位入缓,读入数据,屏蔽高四位十位入缓冲,读入数据,等于0,缓冲地址加1,DS3值,等于0,等于1,屏蔽高四位个位入缓冲,DS4值,读入数据,返回初始化,LED显示,等于1,实验十的流程图,ORG 0000LJMP INITIORG 0013HLJMP PINT1 ；跳外部中断1的中断服务程序,ORG 0100HINITI：SETB IT1 ；选择外中断1为跳沿触发方式MOV IE，84H ；CPU开中断，允许外部中断1 ,PINT1：MOV A，P1 ；
28、外部中断1服务程序 JNB Acc.4，PINT1 ；等待DS1选通信号的到来 JB Acc.0，Per ；是否过、欠量程，是则转向Per处理 JB Acc.2，PL1 ；判结果极性，为正，跳PL1,SETB 04H ；千位为1，把04H位置1 AJMP PL4 ;,PL3： CLR 04H ；千位为0，把04H位清0,PL4： MOV A，P1； JNB Acc.5，PL4 ；等待百位的选通信号DS2,MOV R0，20H ；指针指向20H单元XCHD A，R0；百位20H单元低4位,PL5: MOV A，P1 ; JNB Acc.6，PL5 ；等待十位数的选通信号DS3的到来,SETB 07H ；结果为负，符号位07H置1AJMP PL2 ；,PL1： CLR 07H ；结果为正，符号位清0,PL2： JB Acc.3，PL3 ；千位为0，跳PL3,XCHD A，R0 ；个位数送入21H单元的低4位RETI,PEr：SETB 10H ；置过量程、欠量程标志RETI,SWAP A ；读入十位，高低4位交换INC R0 ；指针指向21H单元MOV R0，A ；十位数的BCD码送入21H的高4位,PL6： MOV A，P1 JNB Acc.7，PL6 ；等待个位数选通信号DS4的到来；,作业,个人作业小组作业 ：发往 1. 2. 3. 4. 5.,2018/6/7,61,
