單片機原理與接口技術/第14章 A/D與?D/A轉在單片換機應技用系統術中，輸出控制是單片機實現控制運算處理后，對控制對象的輸出通道接口。單片機主要輸出三種形態的信號:數字量，開關量和頻率量。單片機對模擬信號 被控制的對象處的信理號除上述三種可以直接由單片機直接產生的信號外,還有模擬量控制信號,該信號通過D/A轉換產生。也就是說把單片機發出的數字信號轉換成為模擬信號用來控制外部的設備,單片機僅能產生和處理數字信號,對于模擬信號只能借助D/A或者A/D轉換芯片來完成。14.1D/A.A/D轉換在單?片14機.1.系1統A/中D-D的/A應轉換用的數據通道 在一般的系統中通過傳感器采集現場的信息也就是模擬量，模擬量經過前期電路處理再經過A/D轉換進入到單片機中14.1.1A/D-D/A轉換的數據通道單片機經過D/A轉換對現場物理量進行控制由于單片機的工作速度很快物理量的變化速度相對比較慢故一個A/D轉換器可以通用于各現場監測點經過多路開關的定時循環接通,各路信號依次及時可靠進入到單片機14.1.1A/D-D/A轉換的數據通道多路開關循環接通電路,而現場信號通過采樣保持器進行保存,以此來保證轉換的通暢性。另外采樣頻率必須是現場被測信號頻譜中最高頻率的兩倍以上14.1.1A/D-D/A轉換的數據通道D/A轉換示意圖:14.1.2

D/A轉換工作原理 D/A轉換是一種將數字信號轉換成連續模擬信號的操作,它作為單片機系統的數字信號和模擬環境的連續信號之間提供了一種接口,它工作的原理就是輸入數字信號輸出模擬信號。A/D轉換原理圖14.1.2

D/A轉換工作原理 D/A轉換器的輸入信號主要有兩種分別為:數字信號和基準電壓。 D/A轉換器的輸出信號是模擬量，大部分的輸出是電流，也有的輸出電壓。14.1.2

D/A轉換工作原理D/A轉換器內置運算放大器以低阻抗輸出電壓,稱之為電壓輸出型D/A轉換器D/A轉換器如果采用電流開關型電路,電流開關形電路如果直接輸出生成的電流,則為電流輸出型D/A轉換器。14.1.2

D/A轉換工作原理D/A轉換器的輸入數據是在不斷變換的,為了保持輸出的穩定,須在其內部處理器與輸入口之間增加鎖存數據的功能。一些D/A轉換器甚至具有雙重或者多重的數據緩沖結構,并具有數據鎖存和地址譯碼電路。這樣的轉換器多見于12位甚至更高的D/A轉換器。14.1.3如何選擇參考指D標/:A轉換器分辨率:則最小輸出模擬量與最大輸出模擬量之比轉換時間:將一個數字量轉換為穩定模擬量所需要的時間叫轉換時間。一般情況下電流輸出的D/A轉換時間比較短，電壓輸出的D/A轉換時間比較長線性度:考慮輸出的線形關系轉換精度:相對實際物理量的誤差14.1.3如何選擇D/A轉D換/器A的轉類型:換器根據輸出端口是并口還是串口，可分為串型輸出和并行輸出器件根據輸出是電流還是電壓，可分為電壓輸出型和電流輸出型器件根據能否進行乘法運算，可分為乘法運算型和非乘法運算型根據內部是否有鎖存器，可分為鎖存型器件和非鎖存型器件14.1.3如何選?擇D在D//AA轉換轉器中換有在器基準電壓上加交流信號的,這樣就可以得到數字輸入和交流信號輸入相乘的結果所以稱為乘法型D/A轉換器,這種轉換器不僅可以進行乘法運算,還可以使輸入信號衰減,也可以做調制器對輸入信號進行調制。14.2

8位D/A芯片DAC0DA8C038322是由8位輸入寄存器,8 位DAC寄存器和8位D/A轉換器組成。 DAC0832中有兩級鎖存器,第一級即輸入 寄存器,第二級為DAC寄存器。除了能工作在單緩沖方式,通過這兩級鎖存器DAC0832可以工作在雙緩沖方式下,在輸出模擬信號的同時可以采集下一個數字量,提高了轉換速度。14.2

8位D/A芯片DAC利0用8兩級3轉2換器的作用可以讓多個 D/A轉換器同時工作,再通過第二級鎖存 信號實現多路D/A轉換的同時輸出。只要數據一進入DAC寄存器便啟動D/A轉換。14.2.1?DDAAC0C8302的8引3腳2如的下:引腳DI0~DI7:8為數據輸入端ILE:輸入寄存器的數據允許鎖存信號?DAC0832的引腳:輸入寄存器選擇信號:輸入寄存器的數據寫信號:DAC寄存器寫信號，并啟動轉換:數據向DAC寄存器傳送信號，傳送后即啟動轉換14.2.1

DAC0832的引腳VREF:參考電壓輸入端IOUT1，IOUT2:電流輸出端Rfb:反饋信號輸入端AGND:模擬電路地（第三腳）DGND:數字電路地（第十腳）VCC:芯片供電電壓14.2.1

DAC0832的引腳注意:當時,輸入數據；當時,數據被鎖定。14.2.2單片機與

DAC0832的接口電路14.2.2單片機與

DAC0832的接口電路?DAC0832帶有數據輸入寄存器,是總線兼容型的,可以將D/A芯片直接與數據總線相連,作為一個拓展的I/O口。?單緩沖接口方式?在單緩沖接口方式下,ILE接+5V。寫信號控制數據的鎖存,和相連,接單片機的,即數據同時寫入兩個寄存器；傳送允許信號與片選相連,即選中本片DAC0832后,寫入數據立刻啟動轉換。本例子DAC0832的地址為FFFEH。這種單緩沖方式適用于只有一路模擬信號輸出的場合。14.2.2單片機與

DAC0832的接口電路 本例子在運放輸出端輸出一個鋸齒波電壓信號，程序設計如下:#include<absacc.h>#include<reg51.h>#defineDAC0832XBYTE[0xfffe]#defineucharunsignedchar#defineunitunsignedintvoidstar(void){ uchari;while(1) {for(i=0;i<=255;i++) /*形成鋸齒波輸出值,最大255*/{DAC0832=i} /*D/A轉換輸出*/}}14.3 基于MAX536的串行D/A轉換器?MAX536是一款具有4路12位電壓輸出的D/A轉換器,它包括一個16位輸入/輸出的移位寄存器,4個輸入寄存器,4個DAC寄存器和4個輸出放大器。D/A轉換器采用倒T型R-2R電阻網絡D/A轉換器。14.3 基于MAX536的串行D/A轉換器?通過對輸入參考電壓分壓獲得模擬電壓輸出。其中,D/A轉換器A和B共享REFAB參考電壓,D/A轉換器C和D共享REFCD參考電壓。參考電壓范圍為0V到VDD-4V。14.3基于MAX536的串行D/A轉換器 在單片機系統中,可分為硬件部分和軟件部分。其中硬件部分是整個系統的實體構成,是軟件系統的平臺和基礎,沒有硬件做支撐設計出的軟件就無法調試也不能得到驗證。下面就是動態顯示硬件設計例子,我們給出了完整的電路圖。536的內部結構536的外部引MAX536引腳功能OUTB:DACB電壓輸出OUTA:DACA電壓輸出VSS:負電壓輸入AGND:模擬地REFAB:DACA和B參考電壓輸出DGND:數字地:DAC加載輸入（低電平有效，將輸入寄存器內容傳送到DAC寄存器）MAX536引腳功能–SDI:串行數據輸入– :片選信號，低電平有效–SCK:移位寄存器輸入時鐘–SDO:串行數據輸出–REFCD:DACC和D的參考電壓輸出MAX536引腳功能TP:測試引腳，正常使用時連接VDDVDD正電壓輸入（12~15V）OUTD:DACD電壓輸出OUTC:DACC電壓輸出14.3.2工作原理和時序?MAX536的串行接口的最高時鐘為10MHz。工作期間引腳的低電平必須保持20微秒以上。它可以使用3線接口或4線接口的接口方式。在3線接口時，它的時序如下:MAX536的時序14.3.2工作原理和時◆序引腳接地或者接VDD。在為低電平期間,SDI引腳的串行輸入數據由串行時鐘SCLK的上升沿逐位送入移位寄存器,轉換成并行數據。輸入數據全部進入移位寄存器后,置為高電平,利用的上升沿執行命令字,對MAX536內部寄存器進行相應控制。14.3.3

MAX536的編程方式?MAX接收的是16位的串行數據，高位在前，低位在后。在串行數據中包括兩個地址位（A1.A0），兩個控制位（C1.C0）和待轉換的12位數據（D11~D0）。從高到低依次排列 這16位數據從高到低依次排列為:A1，A0，C1，C0，D11，D10，D9，D8，D7，D6，D5，D4，D3，D2，D1，D0。這些命令字與引腳的狀態來共同控制MAX536的轉換。14.3.3

MAX536的編程方式16位串行字功能A1

A0 C1

C0D11~D0000112位數據1加載DAC

A輸入寄存器，DAC輸出不變010112位數據1加載DAC

B輸入寄存器，DAC輸出不變100112位數據1加載DAC

C輸入寄存器，DAC輸出不變110112位數據1加載DAC

D輸入寄存器，DAC輸出不變001112位數據1加載DAC

A輸入寄存器，所有DAC寄存器改變011112位數據1加載DAC

B輸入寄存器，所有DAC寄存器改變101112位數據1加載DAC

C輸入寄存器，所有DAC寄存器改變111112位數據1加載DAC

D輸入寄存器，所有DAC寄存器改變x00012位數據x從移位寄存器加載所有數據到DAC14.3.3

MAX536的編程方式14.3.3

MAX536的應用14.3.3

MAX536的應用單片機的P2.1、P2.2.P2.3分別接MAX536的 、SCK、SDI。MAX536采用3線接口方式， 引腳接數字地，轉換器A、B、C.D都使用+5V的參考電壓，輸出電壓范圍為（0~5V）。單片機對MAX536的控制?本電路主要實現單片機對MAX536的控制,并使用MAX536進行D/A轉換。四個通道都可以輸出數據,實際應用中根據具體情況可以減少通道。主程序#include<absacc.h>#include<reg51.h>sbit

cs=p2^1//定義的控制接口sbit

sck=p2^2//定義SCK的控制接口sbit

sdi=p2^3//定義SDI的控制接口 voiddata_out(unsignedcharnumer,unsignedintvalue) //定義MAX536的輸出函數,通道號和輸出量 {switch(numer) //numer在實際應用中可根據情況賦值 {case1: cs=0;//置低電平,低電平有效,開啟MAX536,可以輸入數據?? w536(value|0x1000);//定義DACA輸出,由編程方式可以知道A通道輸出的數字編碼是0x1000,通過“或”把命令加到輸出數據中。cs=1;//置高電平,利用的上升沿執行命令字,對MAX536內部寄存器進行相應的控制。break; //程序返回 case2:cs=0;//置低電平,低電平有效,開啟MAX536,可以輸入數據 w536(value|0x5000);//定義DACB輸出,由編程方式可以知道B通道輸出的數字編碼是0x5000,通過“或”把命令加到輸出數據中? cs=1;//置高電平,利用的上升沿執行命令字,對MAX536內部寄存器進行相應的控制。break;case3://程序返回cs=0; //置低電平,低電平有效,開啟MAX536,可以輸入數據? w536(value|0x9000);//定義DACC輸出,由編程方式可以知道C通道輸出的數字編碼是0x9000,通過“或”把命令加到輸出數據中cs=1;//置高電平,利用的上升沿執行命令字,對MAX536內部寄存器進行相應的控制。break;//程序返回? case4: cs=0; //置低電平,低電平有效,開啟MAX536,可以輸入數據w536(value|0xD000);//定義DACD輸出,編程方式可以知道D通道輸出的數字編碼是0xD000,通過“或”把命令加到輸出數據中? cs=1;//置高電平,利用的上升沿執行命令字,對MAX536內部寄存器進行相應的控制。break; //程序返回}}子程序

void

w536(unsigned

int

indata) //indata為準備輸出的數據包含了命令字{ char

n,i,j;unsigned

int

in_on;//定義數據邏輯in_on=ox0001;

//初始化數據邏輯,預備輸出數據,從最低位開始輸出 for(n=0;n<16;n++)據//預備輸出16位數?{

sck=0;//設置SCK為低電平for(i=0,i<10;i++);

//延時

j=indata&in_on;

//使用“與”取出準備輸出那一位的值?if(j==0001)//判斷輸出位//輸出sdi=1;elsesdi=0;?//輸出for(i=0,i<10;i++); //延時 sck=1; //設置SCK為高電平,在SCK的上升沿由SDI輸入的一位數據進入移位寄存器。

indata=indata>>1;MAX536輸入下一位數據}//數字邏輯右移,}14.4

A/D轉換工作原理在單片機系統中,單片機所能處理的都是離散的數字信號。但是外部受控制的有關設備所產生的和接收的往往是模擬量。例如:溫度，速度，亮度等。所以必須將外部設備產生的模擬信號轉換成為數字信號才能使這些信號為單片機所識別，并在單片機中進行處理。而將模擬信號轉換成為數字信號的過程我們稱之為模擬/數字（A/D）轉換，所使用的器件我們就稱之為模擬/數字（A/D）轉換器。14.4

A/D轉換工作原理?A/D轉換是一種將連續的模擬信號轉換成適合在單片機中處理并運行的二進制數,也就是把連續信號變成離散的信號。A/D轉換的工作原理如圖所示14.4.1

如何選擇A/DA/轉D轉換換器的器種類很多,性能也有很 大的不同,在A/D轉換器的選擇上不僅要 考慮它的性能還要考慮具體的應用要求。 下面我們來看看選擇A/D轉換器的一些參 考性能指標。14.4.1

如何選擇A/D轉換器1.A/D轉換器的位數A/D轉換器位數的確定,主要的考慮因素是轉換的誤差,位數越多所產生的誤差和失真就越小 為了減低硬件的消耗減少成本在一般的系統中我們都選用中分辨率的A/D轉換器,而其中以10位和11位是最合適的。14.4.1

如何選擇?A2./AD/D轉轉換器換的轉器換頻率 A/D轉換器從啟動到結束總需要一定的時間，而每秒鐘所完成的轉換次數就是A/D轉換器的轉換頻率。在確定A/D轉換器的轉換頻率的時候還要考慮到系統的采樣頻率。例如:A/D轉換器的轉換頻率為10KHz，而模擬信號一個周期的信號需要10個采樣點，根據采樣定理這個A/D轉換器所能處理的最高頻率的模擬信號僅為1KHz當然通過提高A/D轉換器的轉換頻率可以提高處理的頻率，但是由于單片機的處理速度有限所以在單片機系統中始終有一個瓶頸無法突破。14.4.1

如何選擇A3./滿D量程轉誤差換器 這個指標指的是滿量程輸出的時候對應的輸入信號和理想輸入信號的差別4.線性度 本指標指的是A/D轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移。5.采樣/保持器 對于高頻信號來說是必須加采樣/保持器的。如果是低頻信號并采用高速的A/D轉換器的時候是可以不用采樣/保持器的。而直流信號和變化很慢的信號也可以不使用采樣/保持器。14.4.1

如何選擇A6./A/DD轉轉換器的換量程 器部分A/D轉換器提供了不同量程的引腳,必須使用正確才能保證信號盡量不失真。這樣的A/D轉換器不同的量程的輸入電壓可以從不同的引腳輸入。7.偏置極性 部分A/D轉換器提供了雙極性偏置控制。當該引腳接地時,信號為單極性輸入方式；當該引腳接基準電壓時,信號為雙極性輸入方式。11.7

LED動態顯?示2.分及析：實驗 MAX7221在使用之前必須進行初始化，即設置MAX7221的顯示模式、譯碼方式、亮度控制、掃描范圍（掃描LED個數）。當采用CodeB譯碼方式時，我們只要向數碼管0（digit0）～數碼管7（digit7）送出0x0~0x7即可。14.4.2 8位A/D轉換芯片ADC0809?ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉換器,帶有8個模擬量輸入通道,芯片內帶通道地址譯碼鎖存器,輸出帶三態數據鎖存器,啟動信號為脈沖啟動方式,每一通道的轉換大概需要100微秒。14.4.2 8位A/D轉換芯片ADC0809?ADC0809由三個部分組成,第一個部分是輸入部分,包括8位模擬開關,3條地址線的通道地址鎖存器和譯碼器,第四條為ALE,這三個地址引腳通過編碼可以用來實現8路模擬信號輸入通道的選擇；第二部分是轉換部分,里面是一個逐次逼近型的A/D轉換器；第三個部分是輸出部分,該部分是一個三態輸出數據鎖存器,有8位數據輸出最上為LSB最下為MSB。8位A/D轉換芯片

ADC0809內部結構圖ADC0809的外部引腳圖ADC0809的引腳功√能IN0~IN8:8個模擬通道輸入端。√ START:啟動轉換信號√ EOC:轉換結束信號√ OE:輸出允許信號。信號由CPU讀信號和片選信號組合產生。√ CLOCK:外部時鐘脈沖輸入端，典型值為640KHz√ ALE:地址鎖存允許信號√ A，B，C:通道地址線。CBA的8種組合狀態000~111對應了8個通道的選擇√ VREF（+），VREF（—）:參考電壓輸入端√ VCC:+5V電源√ GND:地√ D0~D7:D7為最高位MSB，D0為最低位LSB。D7~D0組成8位數據輸出。ADC0809的地址編碼地址碼選通的模擬通道C

B

A000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809的應用?C,B,A輸入的地址在ALE有效的時候被鎖存。啟動信號START上升沿到來時開始啟動轉換,EOC信號是在START下降沿到的10微秒后才變成低電平,表示轉換已經結束。當單片機接收到轉換結束的信號后,發送一個讀的信號給OE,然后開始從ADC0809輸入信號。14.3.2

ADC0809與單片機的接口14.3.2

ADC0809與單片本例機子數的據輸接出端口口D7~D0接單片機的P0^7~P0^0。啟動信號START由P3^0產生,ALE和START相連,即按輸入的通道地址接通模擬量并啟動轉換。地址選通信號C,B,A分別由P2^2,P2^1,P2^0產生。輸出允許信號由P3^7產生,即通過讀信號使得數據從P0口直接輸入單片機。轉換結束信號EOC與p3^2即外部中斷0相連。主程序sfr

p0=0x80;sfr

p2=0xA0;sfr

p3=0xB0;//定義P0的地址//定義P2的地址//定義P3的地址sbitad_ch=p3^2;//定義查詢引腳,當0809轉換結束的時候EOC為低電平sbitread=p3^7;//定義讀信號sbitstar=p3^0//定義啟動轉換信號voidmain(void){ataticucharidataa[10];a0809(a); //啟動轉換并采樣AD0809通道的值}voida0809(ucharidata*x) //轉換函數{uchari;ucharxdata*a_adr;//設置AD0809通道0的地址//把通道地址值賦給a_adr//處理8個通道的數據//啟動轉換p2=0xf8;a_adr=&p2;for(i=0;i<8;i++){

star=1;*a_adr=0;i=i;i=i;i=i;//延時等待EOC變為低電平while(ad_ch==0);//查詢是否轉換已經結束,若轉換結束則讀取數據read=1; //讀數據信號有效,使OE為高電平開始讀取數據x[i]=*a_adr; //存儲轉換的結果//進入下一通道的轉換#include<absacc.h>#include<reg51.h>#define

uchar

unsigned

char????????????????????????a_adr++;}}14.5 12位A/D轉換芯片ADS7804與8位和16位的A/D轉換器相比,12位A/D轉換器以其較高的性能價格比而在各類系統中中得到廣泛的應用。下面就以ADS7804為例子詳細介紹12位A/D轉換器的應用。ADS7804為12位的A/D轉換器,它不僅分辨率高、轉換速度快,而且接口方便,電路簡單、應用靈活,因而具有廣泛的應用前景。14.5.1

ADS7804的內部結構14.5.1

ADS7804的內部結構ADS7804芯片采用28腳0.3英寸PDIP（塑料雙列直插式）封裝,兩列管腳間距為0.3英寸,比一般DIP28封裝窄一倍,所以俗稱瘦型DIP；ADS7804采用單5V電源供電；芯片內部含有采樣保持、電壓基準和時鐘等電路,可極大簡化用戶的電路設計和硬件開鎖,并可提高系統的穩定性。ADS7804采用CMOS工藝制造,轉換速度快、功耗低（最大功耗為100mW）。另外ADS7804采用逐次逼近式工作原理,單通道輸入,模擬輸入電壓的范圍為±10V,采樣速率為100kHz。ADS7804的外部引腳圖ADS7804的引腳?功VDIG數能字電源,和模擬電源VANA通常一起接到5V電源上VANA模擬電源，和數字電源VDIG通常一起接到5V電源上DGND數字地，通常與模擬地共地AGND1.AGND2模擬地，通常與數字地共地REF為參考電壓端，通常對地接2.2μF電容，芯片內部可產生2.5V基準電壓。CAP為參考電壓所需電容，對地接2.2μF電容VIN模擬信號輸入端D11～D0為數字量并行輸出口DZ（19～22腳）是為了使管腳與16位A/D轉換器ADS7805兼容而設的，可懸空 片選信號，與結合在下降沿有效，并持續40ns～6μs可啟動A/D轉換，第二個下降沿輸出數據。讀取模數轉換結果的控制信號轉換結束信號，高電平表示轉換結束，低電平表示轉換進行中 BYTE控制從總線讀出的數據是轉換結果的高字節還是低字節。它為低電平的時候選擇低字節，為高電平的時候選擇高字節。14.5.2

ADS7804如何啟動?轉換和首讀先將取腳電轉平換變低結；然果后在腳輸入一個脈沖并在其下降沿啟動A/D轉換,此脈沖的寬度要求在40ns～6μs之間；這時BUSY腳電平拉低表示正在進行轉換；在經過大約8μs以后,轉換完成,BUSY腳電平相應變高；再把R/C腳電平拉高,這樣,腳脈沖的下降沿即把轉換結果輸出到數據總線上。ADS7804啟動轉換和讀取轉換結果的時序圖模擬電壓和數字輸出的關系模擬輸入 初碼形式的數字輸出二進制十六進制9.99512V0111

1111

11117FF4.88mV0000

0000

00010010V0000

0000

0000000-4.88mV1111

1111

1111FFF-10V1000

0000

0000800ADS7804的輸出 因為ADS7804為12位A/D轉換器所以它的轉換結果為12位,對8位單片機而言,就必須分兩次讀入,而這個功能是由BYTE引腳來實現的。當BYTE腳為高電平時,數據總線上輸出高字節,當BYTE腳為低電平時,輸出低字節。14.5.3

ADS7804與單片 因為A機DS7的804接的信口號脈沖寬度要求為40ns～6μs之間,而對于單片機而言,如采用12MHz的晶振,單周期指令和雙周期指令分別為1μs和2μs,而一個對位操作的指令為1μs所以我們把它和單片的P2.1端口相連,而 、 和BYTE信號,則分別與P2.0,P2.2,P2.3相連ADS7804與單片機的接口電路程序分析本數據采集系統程序如下: 單點采樣子程序SPS（）:用來返回一個有符號整數形式的轉換結果。 定長采樣子程序DLS（）:根據入口參數fixedtime（單位為μs）給定的采樣間隔采樣N點，并采用查詢單片機內置定時器的方式來控制采樣時序，N點采樣結果存儲在外部存儲器數組array中。主程序1sfr

p2=0xA0; //定義P2的地址sbit

CS=p2^1;//定義片選地址sbit

BYTE=p2^3；//定義數據選擇地址sbit

RC=P2^2;//定義讀取結果地址sbit

BUSY=P2