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MCS-51 单片机的系统扩展技术(五)单片机的系统扩展技术(五) 5 数模转换接口数模转换接口 在工作控制和智能化仪表中, 通常由微型计算机进行实时控制及实时数据处理。 计算机 所加工的信息总是数字量, 而被控制或测量对象的有关参量往往是连续变化的模拟量, 如温 度、速度、压力等等,与此对应的电信号是模拟电信号。计算机要处理这种信号,首先必须 将模拟量转换成数字量,这一转换过程就是“模数转换(A/D) ” 。 由计算机运算处理的结果(数字量)往往也需要转换为模拟量,以便控制对象,这一过 程即为“数模转换” (D/A) 。 A/D、D/A 转换技术发展极为迅速,目前常用的 A/D 或 D/A 芯片种类也非常多,本教 程介绍的是比较经典的一些芯片的用法,目的在于帮助读教掌握这类芯片接口的一般方法, 以及进一步理解数字系统和模拟系统的区别。当然,这些芯片本身也有一定的实用价值。 一、DAC 电路原理 D/A 转换是将数字量信号转换成模拟量信号的过程。D/A 转换的方法比较多,这里仅举 一种权电阻 D/A 转换法的方法,说明 D/A 转换的过程。 权电阻 D/A 转换电路实质上是一只反相求和放大器, 图 22 是 4 位二进制 D/A 转换的示 意图。电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器组成。 R2R4R8RRF+-基准电压位切换开关权电阻二进制输入模拟量输出运算放大器D3D2D1D0图 22 D/A 转换的原理 权电阻的阻值按 8:4:2:1 的比例配置,按照运放的“虚地”原理,当开关 D3-D0 合 上时,流经各权电阻的电流分别是 VR/8R、VR/4R、VR/2R 和 VR/R。其中 VR为基准电压。 而这些电流是否存在则取决于开关的闭合状态。输出电压则是: VO=-(D3/R+D2/2R+D1/4R+D0/8R)VRRF 基中 D3-D0 是输入二进制的相应位,其取值根据通断分别为 0 或 1。显然,当 D3-D0 在 0000-1111 范围内变化时,输出电压也随这发生变化,这样,数字量的变化就转化成了电 压(模拟量)的变化了。这里,由于仅有 4 位开关,所以这种变化是很粗糙的,从输出电压 为 0 到输出电压为最高值仅有 16 档。显然,增加开关的个数和权电阻的个数,可以将电压 的变化分得更细。一般,至少要有 8 个开关才比较实用。8 个开关,就意味着输出量从最小 (0)到最大一共被分成 256 档了。 上面的这种 D/A 转换技术对于权电阻的精度要求是相当高的,由于权电阻的大小并不相同,所以制造很困难,因此,最常用的是另一种结构是被称之为 R-2R 型电络 DAC 的结 构。关于这种 DAC 转换的原理,不再分析,只要知道数字量是可以转换为模拟量就行。 二、DAC 接口电路 D/A 转换器有各种现成的集成电路。 对使用者而言, 关键是选择好合用的芯片以及掌握 芯片与计算机的正确的连接方法。下面以常用的 DAC0832 为例作一说明。 DAC0832 是 CMOS 工艺制造的 8 位单片 D/A 转换器, 其引脚图和逻辑图如图 23 所示。 DAC0832 主要由两个 8 位寄存器和一个 8 位 D/A 转换器组成。使用两个寄存器的好处 是能简化某些应用中的硬件接口电路设计。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1017131112141516181920CS WR1 AGND D3 D2 D1 D0 VREF RFB DGNDVCC ILE WR2 XFER D4 D5 D6 D7 IOUT2 IOUT1DAC08328位 输入 寄存器寄存器DAC8位8位 D/A 转换器ILECS WR WR2 XFERDGNDVCCAGNDRFBVREFIOUT1IOUT2数据 输入(模拟地)(数字地)LE2LE2=1 跟随 =0 锁存&图 23 DAC0832 的引脚图及内部结构框图 该 D/A 转换器为二十引脚双列直插封装,各引脚含义如下: DI0-DI7:数字量输入端。 ILE:数据锁存允许信号,高电平有效; CS :输入寄存器选择信号,低电平的效; 1WR:输入寄存器的写选通信号 1,低电平有效。和CS、ILE 配合,构成第一级输入锁 存; 2WR:输入寄存器的写选通信号 2,低电平有效; XFER:数据转移控制信号,输入低有效,和2WR配合构成第二级锁存; VR:基准电压输入线; RFB:反馈信号输入线,在芯片内部已有反馈电阻; IOUT1和 IOUT2:电流输出线。IOUT1和 IOUT2的和为常数,IOUT1随 DAC 寄存器的内容线性 变化; VCC:工作电源; DGND:数字地; AGND:模拟信号地。D/A 转换芯片输入的是数字量,输出为模拟量,模拟信号容易受 到干扰,所以采用高精度的 VR和独立的模拟地,以获得最好的效果。当然,这两种地最终 还是要接在一起的,在布置印制板时,将这两路地线在电源处进行一点接地的处理。 DAC0832 是电流型输出,应用时要外接运算放大器使之成为电压型输出。 三、DAC0832 的应用 (1)单缓冲方式应用 图 24 是 DAC0832 的典型应用系统,系统只有一路输出,采用单缓冲方式。在这种方 式下,将二级寄存器的控制信号并接即可。输入数据在控制信号的作用下,直接进入 0832 的控制寄存器。 图 24 中,ILE 接+5V,片选信号CS和传送信号XFER都连到地址线 A0,这样输入寄存 器和 DAC 寄存器的将被同时选中。写选通线1WR和2WR都和 8031 的写信号WR相连,CPU 对 0832 执行一次写操作,则把一个数据直接写入 DAC 寄存器。0832 的输出模拟信号随之 对应变化。 D/A 转换器的基准电压由稳压管提供, 如果要求更高, 可以使用一些高精度的稳压源 (如 TL431)来提供。 下面的一些程序将在运放输出端产生程控波形。 锯齿波发生器: START:MOV DPTR,#0EFFFH ;0832 的端口地址 MOV A,#00H ;初值送 0(无输出) LOOP: MOVX DPTR,A ;将 A 中的值送到 0832 转换 INC A ;A 中的值加 1 AJMP LOOP ;循环 P2.1 P2.0P2.5P2.3 P2.2P2.4P2.7 P2.6INT1 T0 T1 WR RD XTAL2 XTAL1 GNDGNDAGND103图 24 DAC0832 的应用 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7P0.1ALE/PROG PSENP0.5P0.7 EA/VPPP0.6P0.3 P0.4P0.2VCC P0.0RST RXD TXD INT08031LSB DI0 DI1 DI2MSBDI7DI6DI5DI4DI37 6 5 4 16 15 14 131172VCCVCCVCCXFERCSWR2 WR1ILEIout2Iout11112-+VoutRfb98Vref接基准电压源19182上面的程序中,A 的值从一开始的 0 开始加,由 0 变到 FFH,输出电压也随之由 0V 变 到最大输出,然后 A 中的值(FFH)加 1 之后变成 0,输出电压又加到 0,这样就形成了一 个锯齿波。 (2)双缓冲方式应用 DAC0832 也可以方便地工作于双缓冲模式,这适用于同时输出两路或多路模拟信号, 并且这些信号必须同步的情形,详情请参考有关资料。 56 模数转换接口模数转换接口 模数转换电路的种类很多,选择 A/D 转换器件主要从速度、精度和价格等方面进行考虑。根据 A/D 转换器的工作原理,可以分为下面的三种类型: (1)并行 A/D 变换器:速度高,价格也很昂贵,用于高速(如视频处理)场合。 (2)逐次逼近型 A/D 转换器:精度、速度、价格方面比较折衷,是最常用的一种 A/D 转换器件。 (3)双积分型 A/D 转换器:精度高,抗干扰能力强,价格低,但是速度慢,常用于测 量仪表等场合。 A/D 技术发展很快,各种新型的 A/D 层出不穷,A/D 的选择要考虑很多因素,和使用 者的基本功、见识等有很大的关系。本教程主要是通过典型芯片的介绍,让读者了解单片机 与 AD 转换芯片接口的一般的方法,目的还是在于加深对单片机系统的理解。 一、MCS-51 配置 ADC0809 扩展 A/D 转换器 ADC0809 是最常用的 8 位 A/D 转换器, 属逐次逼近型。 ADC0809 由单一+5V 电源供电, 片内有带锁存功能的 8 路模拟电子开关, 可对 0-5V 8 路的输入模拟电压信号分时进行转换, 完成一次换约需 100us,输出具有 TTL 三态锁存缓冲器,可直接与 MCS-51 单片机的总线相 连。 (1)ADC0809 内部结构与外特性 ADC0809 是 CMOS 工艺逐次逼近型 A/D 转换器,其字长为 8 位,可 8 路输入模拟量分 时转换的组成芯片。图 25 是 ADC0809 的外部引脚配置图,图 26 是 ADC0809 的内部结构 框图。 12 3 4 5 6 7 8 9 101112 13 14IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START EOC D2 OE CLK VCC REF(+) GND D1IN2 IN1ADDA ADDB ADDCALE D7 D6 D5 D4 D0 REF(-) D3282726 25 24 2322 21 20 19 18 17 16 15IN0ADC08098位模拟 多路开关8位 A/D 转换 器三态输出 锁存 器地址 锁存与译 码STARTCLKIN0A B C ALEOEEOC D7D6D0IN7 IN6VREF(+) VREF(-)ADC0809图 26 ADC0809 的内部结构框图 图 25 ADC0809 的引脚图 从图 5-26 可以看出,ADC0809 片内集成了 8 路模拟多路开关、地址锁存器与译码、8 位 A/D 转换器以及 8 位三态输出锁存器四部份组成。各引脚的功能含义如下: D0D7:8 位二进制数字量输出端口; IN0IN7:8 路模拟量输入端口 VCC:+5V 工作电压源。 GND:接地端; VREF(+)和 VREF(-) :基准参考电压,决定了输入模拟量的量程范围; CLK:时钟信号输入端,时钟频率决定了转换速度,转换一次需要 64 个时钟周期。 START:A/D 转换启动信号输入端口,高电平有效; ALE:地址锁存允许信号输入端口,ALE 的下降沿将地址打入锁存器; EOC:A/D 转换结束信号输出端口,开始转换时为低电平,一旦转换结束输出高电平; OE:完成转换后数字量输出允许控制信号输入端口,高电平有效,用以打开三态数据 锁存器的输出。 A、B、C:地址输入端口。用三位编码组成 38 译码输出,选通 8 路模拟电子开关, 实现 IN0IN7 的 8 路选 1 工作。A、B、C 三位地址的输入与 8 路通道的对应关系如下: 表 6 ABC 三位地址的输入与 8 路通道的对应关系 C 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 地址 编码 A 0 1 0 1 0 1 0 1 选中通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 二、MCS-51 单片机配置 ADC0809 的硬件接口 图 27 是 ADC0809 与 MCS-51 单片机的接口电路图。 地址线与数据线的连接:ADC0809 的输出部份有三态缓冲器,可以直接和数据总线相 连;ADC0809 的地址选择信号线 ADDA、ADDB、ADDC 可以与地址线中的任意三根相连 (图中与 AD0、AD1、AD2 相连) ,这样 8 个输入端所对应的地址就是从: 000
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