第11章整理ppt.ppt
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1、第11章 MCS-51与D/A转换器、 A/D转换器的接口,温度、压力、流量、速度等非电物理量,须经传感器转换成连续变化的模拟电信号(电压或电流),这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。 处理完毕的数字量,也常常需要转换为模拟信号。 实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器(ADC),数字量转换成模拟量的器件称为D/A转换器(DAC)。 只需合理选用商品化的大规模ADC、DAC芯片,了解引脚及功能以及与单片机的接口设计。 11.1 MCS-51与DAC的接口 11.1.1 D/A转换器概述,11.1 MCS-51与DAC的接口 11.1.1 D/A转换器概述 1.
2、概述 D/A(数/模)转换器输入的是数字量,经转换后输出的是模拟量。转换过程是先将MCS-51送到D/A转换器的各位二进制数按其权的大小转换为相应的模拟分量,然后再以叠加方法把各模拟分量相加,其和就是D/A转换的结果。 使用D/A转换器时,要注意区分: * D/A转换器的输出形式; * 内部是否带有锁存器。 (1)电压与电流输出形式 两种输出形式:电压输出形式与电流输出形式。电流输出的D/A转换器,如需模拟电压输出,可在其输出端加一个电流电压转换电路。,(2)D/A转换器内部是否带有锁存器 D/A转换需要一定时间,在这段时间内D/A转换器输入端的数字量应稳定,为此应当在D/A转换器数字量输入端
3、的前面设置锁存器,以提供数据锁存功能。根据转换器芯片内是否带有锁存器,可把DAC分为内部无锁存器的和内部有锁存器的两类。 * 内部无锁存器的D/A转换器 内部结构简单,它们可与P1、P2口直接相接,因为P1口和P2口的输出有锁存功能。但是当与P0口相接,需在转换器芯片的前面增加锁存器。 * 内部带有锁存器的D/A转换器 内部不但有锁存器,还包括地址译码电路,有的还有双重或多重的数据缓冲电路,可与MCS-51的P0口直接相接。,2. 主要技术指标 使用者最关心的几个指标如下。 (1)分辨率 输入给D/A转换器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
4、数越多,分辨率越高。 例如,若满量程为10V,根据分辨率定义则分辨率为10V/2n。设8位D/A转换,即n=8,分辨率为10V/2n =39.1mV,该值占满量程的0.391%,用符号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D/A转换器分辨率的需要,来选定D/A转换器的位数。,(2)建立时间 建立时间是描述D/A转换器转换快慢的参数,表明转换速度。其值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。输出为电流的转换时间较短,输出为电压的转换器,由于要加上完成I
5、-V转换的的延迟时间,因此建立时间要长一些。 快速的D/A转换器的建立时间可达1s以下。 (3)精度 理想情况下,精度与分辨率基本一致,位数越多精度越高。但由于电源电压、参考电压、电阻等各种因素存在着误差。严格讲精度与分辨率并不完全一致。只要位数相同,分辨率则相同,但相同位数的不同转换器精度会有所不同。例如,某型号的8位DAC精度为0.19%,另一型号的8位DAC精度为0.05%。,11.1.2 MCS-51与8位DAC0832的接口 1. DAC0832芯片介绍 (1)DAC0832的特性 美国国家半导体公司的DAC0832芯片具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与MCS-51单片机
6、相连接,其主要特性如下: * 分辨率为8位; * 电流输出,稳定时间为1s; * 可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入; * 单一电源供电(+5+15V); * 低功耗,20mW。,(2)DAC0832的引脚及逻辑结构 DAC0832的引脚如下图。,DAC0832的逻辑结构如下图。,各引脚的功能如下: DI0DI7:8位数字信号输入端 CS*: 片选端。 ILE: 数据锁存允许控制端,高电平有效。 WR1*:第一级输入寄存器写选通控制,低电平有效。 当CS*=0、ILE=1、WR1*=0时,数据信号被锁 存到第1级8位输入寄存器中。 XFER*:数据传送控制。 WR2* :DAC寄存器写选通
7、控制端,低电平有效。当 XFER*=0,WR2*=0时,输入寄存器状态传入第 二级的8位DAC寄存器中。 IOUT1:D/A转换器电流输出1端,输入数字量全“1” 时,IOUT1最大,输入数字量全为“0”时, IOUT1最小。,IOUT2:D/A转换器电流输出2端,IOUT2+IOUT1=常数。 Rfb: 外部反馈信号输入端, 内部已有反馈电阻Rfb, 根据需要也可外接反馈电阻。 Vcc:电源输入端,可在+5V+15V范围内。 DGND:数字信号地。 AGND:模拟信号地,最好与基准电压共地。 “8位输入寄存器”用于存放CPU送来的数字量,使输入数字量得到缓冲和锁存,由LE1*加以控制; “8
8、位DAC寄存器”用于存放待转换的数字量,由LE2*控制; “8位D/A转换电路”由8位T型电阻网络和电子开关组成,电子开关受“8位DAC寄存器”输出的数字量控制,T型电阻网络输出和数字量成正比的模拟电流。,2.DAC的应用 MCS-51与DAC0832的接口常和DAC的具体应用有关。 (1)用作单极性电压输出 在需要单极性模拟电压环境下,可采用图11-5或图11-9所示接线。输出电压Vout与输入数字量B的关系: Vout = B*(VREF/256) 式中,B=b727+ b626+ b121+ b020;VREF/256为一常数。 Vout和输入数字量B成正比。B为0时,Vout也为0,输
9、入数字量为255时, Vout为最大值,输出电压为单极性。 (2)DAC用作双极性电压输出,双极性电压输出的场合下,可以采用图11-3所示接线。 Vout =(B128)*(VREF/128) 由上式可知,在用+VREF时,若输入数字量最高位b7为“1”,则输出模拟电压Vout为正;若输入数字量最高位为“0”,则输出模拟电压Vout为负。在选用-VREF时, Vout输出值正好和选用+VREF时极性相反。,(3)DAC用作程控放大器 DAC还可以用作程控放大器,见图11-4。,DAC的输出和输入之间的关系: Vout = -(Vin/B)*256 256/B看作放大倍数。但输入的数字量B不得为
10、“0”。 3. MCS-51与DAC0832的接口电路 (1)单缓冲方式 是指DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式,另一个处于受MCS-51控制的锁存方式。在实际应用中,如果只有一路模拟量输出,或虽是多路模拟量输出但并不要求多路输出同步的情况下,就可采用单缓冲方式。 单缓冲方式的接口电路如图11-5:,图中可见,WR2*和XFER*接地,故DAC0832的“8位DAC寄存器”(图11-2)工作于直通方式。“8位输入寄存器”受CS*和WR1*端控制,而且由译码器输出端FEH送来(也可由P2口的某一根口线来控制)。因此,8031执行如下两条指令就可在WR1*和CS*上产生低电平信号
11、,使DAC0832接收8031送来的数字量。 MOV R0,#0FEH ;DAC地址FEHR0 MOVX R0,A ;WR*和译码器FEH输出端有效 现举例说明单缓冲方式下DAC0832的应用。,例11-1 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A LOOP: MOVX R0,A ;数字量D/A转换器 INC A ;数字量逐次加1 SJMP LOOP,(1) 三角波的产生 ORG 2000H START: MOV R0,#0
12、FEH MOV A,#00H UP: MOVX R0,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,#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,(2)双缓冲方式
13、 要求同步输出时,必须采用双缓冲同步方式。 双缓冲方式的连接如图11-9: 1#DAC0832因和译码器FDH相连而占有FDH和FFH两个I/O端口地址。 2#DAC0832的两个端口地址为FEH和FFH。其中,FDH和FEH分别为1#和2#DAC0832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。 若把图11-9中DAC输出的模拟电压VX和VY来控制XY绘图仪是两路模拟信号要同步输出,使绘制的曲线光滑,否则绘制的曲线就是阶梯状的。通过执行下面程序就可达到控制绘图仪的目的。,例11-2 内部RAM中两个长度为20的数据块,其起始地址为分别为addr1和addr2,根据图11-
14、9,编写出能把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,即为绘图仪所绘制曲线的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区工作寄存器的R2存放数据块长度;0区和1区工作寄存器区的R0指向DAC端口地址。相应程序为:,ORG 2000H addr1 DATA 20H ; 定义存储单元 addr2 DATA 40H ; 定义存储单
15、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 ; 返回工作寄存器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 RO,A ; addr1中数据送#DAC0832 INC 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
16、;控制端口 MOV A,R1 ;addr2中数据送A MOVX R0,A ;addr2中数据送2#DAC0832 INC R1 ;修改addr2指针1区R1 INC 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NEXT LJMP DTOUT ;若送完,则循环 END 11.1.3 MCS-51与12位DAC1208的接口 8位DAC分辨率不够,可采用12位DAC。较常用的有DAC1208系列与DAC1230系列。,1.DAC1208系列的结构引脚及特性 双缓冲结构。不是用一个12位
17、锁存器,而是用一个8位锁存器和一个4位锁存器,以便和8位的数据总线相连接。 DAC1208引脚功能如下所示: CS*:片选信号。 WR1*:写信号,低电平有效 BYTE1/BYTE2*:字节顺序控制信号,高电平时,开启8位和4位两个锁存器,将12位全部打入锁存器。低电平时,则开启4位输入锁存器。 WR2*:辅助写,低电平有效。该信号与相结合,当与同时为低电平时,把锁存器中数据打入DAC寄存器。当为高电平时,DAC寄存器中的数据被锁存起来。,IOUT1 :D/A转换电流输出1。当DAC寄存器全1时,输出电流最大,全0时输出为0 IOUT2 :D/A转换电流输出2。IOUT1+IOUT2=常数 R
18、FB:反馈电阻输入 VREF :参考电压输入 VCC :电源电压 DGND、NGND:数字地和模拟地 主要特性: (1)输出电流稳定时间:1s; (2)基准电压:VREF= -10 +10V; (3)单工作电源:+5 +15V; (4)低功耗:20mV。,2. 接口电路设计及软件编程 接口电路设计 8031单片机和DAC1208转换器的硬件连接如图11-11所示。DAC1208的高8位输入寄存器地址为4001H,低4位寄存器地址为4000H,而DAC寄存器的地址为6000H。考虑到8031单片机P0.0地址/数据线分时复用,所以用P0.0与DAC1208的 BYTE1/BYTE2*相连时要有锁
19、存器74LS377。 外接AD581做10V电压基准源。模拟电压输出接为双极性。,采用双缓冲方式。先送入高8位数据DI11 DI4, 再送入低4位数据DI3DI0,而不能按相反的顺序传送。如果先送低4位后送高8位,结果就会不正确。在12位数据分别正确地进入两个输入寄存器后,再打开DAC寄存器。单缓冲方式在这里是不合适的,在12位数据不是一次送入的情况下,边传送边转换,会使输出产生错误的瞬间毛刺。 图中DAC1208的电流输出端外接两个运放LF356,其中运放1用作I/V转换,运放2实现双极性电压输出(-10V+10V)。调电位器W1定零点,调电位器W2定满度。,2软件编程 设12位数字量存放在
20、内部RAM的两个单元,DIGIT和DIGIT+1。12位数的高8位在DIGIT单元,低4位在DIGIT+1单元的低4位。按图11-11的接口电路将12位数据送到DAC1208去转换,D/A转换程序如下: MOV DPTR,#4001H ; 8位输入寄存器地址 MOV R1,#DIGIT ; 高8位数据地址 MOV A,R1 ; 取出高8位数据 MOVX DPTR,A ; 高8位数据送DAC1208 DEC DPL ; DPTR修改为4位输入寄存器地址 INC R1 ; 低4位数据地址 MOV A,R1 ; 取出低4位数据 MOVX DPTR,A ; 低4位数据送DAC1208,MOV DPTR
21、,#6000H ; DAC寄存器地址 MOVX DPTR,A ; 12位同步输出完成12位D/A转换 11.1.4 MCS-51与12位DAC1230系列的接口 DAC1230的内部结构和应用特性与DAC1208完全相似,只不过DAC1230系列的低4位数据线在片内与高4位数据线相连,在片外表现为8位数据线,故DAC1230比DAC1208少四个引脚,是20引脚的DIP封装。 DAC1230的内部结构及引脚分布如图11-12所示。 DAC1230系列D/A转换器与8位单片机的接口比DAC1208还要简单;但DAC1208系列与16位单片机连接更方便。,11-12,11.2 MCS-51与ADC
22、的接口 11.2.1 A/D转换器概述 A/D转换器(ADC)的作用就是把模拟量转换成数字量,便于计算机进行处理。 随着超大规模集成电路技术的飞速发展,A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制任务的需要,大量结构不同、性能各异的A/D转换芯片应运而生。 A/D转换器的分类 根据转换原理可将A/D转换器分成两大类。一类是直接型A/D转换器,另一类是间接型A/D转换器。 A/D转换器的分类如下:,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A/D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
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