1,第11章 AT89S51单片机与D/A、 A/D 转换器的接口,1,2,2,第11章 目录 11.1 AT89S51单片机与DAC的接口 11.1.1 D/A转换器简介 11.1.2 AT89S51单片机与8位D/A转换器0832的接口设计 11.1.3 AT89S51单片机与12位D/A转换器AD667的接口设计 11.1.4 AT89S51与串入的12位D/A转换器AD7543的接口设计 11.2 AT89S51单片机与ADC的接口 11.2.1 A/D转换器简介 11.2.2 AT89S51与逐次比较型8位A/D转换器ADC0809的接口 11.2.3 AT89S51与逐次比较型12位A/D转换器AD1674的接口,3,11.2.4 AT89S51与双积分型A/D转换器MC14433的接口 11.3 89S51单片机与V/F转换器的接口 11.3.1 用V/F转换器实现A/D转换的原理 11.3.2 常用V/F转换器LMX31简介 11.3.3 V/F转换器与MCS-51单片机接口 11.3.4 LM331应用举例,4,内容概要 在单片机测控系统中，被测量的温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器先转换模拟电信号，必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。 模拟量转换成数字量的器件为A/D转换器（ADC）。 单片机处理完毕的数字量，有时需转换为模拟信号输出。器件称为D/A转换器（DAC）。 本章介绍典型的ADC、DAC集成电路芯片，以及与单片机的硬件接口设计及软件设计。,5,11.1 AT89S51单片机与DAC的接口 介绍单片机系统如何输出模拟量。 目前商品化DAC芯片较多，设计者只需要合理的选用合适的芯片，了解它们的功能、引脚外特性以及与单片机的接口设计方法即可。由于现在部分的单片机芯片中集成了D/A转换器，位数一般在10位左右，且转换速度也很快，所以单片的DAC开始向高的位数和高转换速度上转变。 低端的产品，如8位的D/A转换器，开始面临被淘汰的危险，但是在实验室或涉及某些工业控制方面的应用，低,5,6,端的8位DAC以其优异性价比还是具有相当大的应用空间的。 11.1.1 D/A转换器简介 1概述 购买和使用D/A转换器时，要注意D/A转换器选择的几个问题。 （1）D/A转换器的输出形式 有两种输出形式。一种是电压输出，即给D/A转换器输入的是数字量，而输出为电压。另一种是电流输出。,6,7,对电流输出的D/A转换器，如需要模拟电压输出，可在其输出端加一个由运算放大器构成的I-V转换电路，将电流输出转换为电压输出。 （2）D/A转换器与单片机的接口形式 单片机与D/A转换器的连接，早期多采用8位数字量并行传输的并行接口，现在除并行接口外，带有串行口的D/A转换器品种也不断增多。除了通用的UART串行口外，目前较为流行的还有I2C串行口和SPI串行口等。所以在选择单片D/A转换器时，要考虑单片机与D/A转换器的接口形式。,7,8,2主要技术指标 指标很多，使用者最关心的几个指标如下。 （1）分辨率 指单片机输入给D/A转换器的单位数字量的变化，所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（n为D/A转换器的二进制位数）。习惯上用输入数字量的二进制位数表示。位数越多，分辨率越高，即D/A转换器对输入量变化的敏感程度越高。 例如，8位的D/A转换器，若满量程输出为10V，根据分辨率定义，则分辨率为10V/2n，分辨率为:,8,9,10V/256=39.1mV ，即输入的二进制数最低位的变化可引起输出的模拟电压变化39.1mV，该值占满量程的0.391%，常用符号1LSB表示。 同理： 10位D/A转换 1 LSB = 9.77mV = 0.1%满量程 12位D/A转换 1 LSB = 2.44mV = 0.024%满量程 16位D/A转换 1 LSB = 0.076mV = 0.00076%满量程 使用时，应根据对D/A转换器分辨率的需要来选定D/A转换器的位数。,9,10,（2）建立时间 描述D/A转换器转换快慢的一个参数，用于表明转换时间或转换速度。其值为从输入数字量到输出达到终值误差(1/2)LSB时所需的时间。 电流输出的转换时间较短，而电压输出的转换器，由于要加上完成I-V转换的运算放大器的延迟时间，因此转换时间要长一些。快速D/A转换器的转换时间可控制在1s以下。,10,11,（3）转换精度 理想情况下，转换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、基准电压、电阻、制造工艺等各种因素存在着误差。严格讲，转换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转换精度会有所不同。 例如，某种型号的8位DAC精度为0.19%，而另一种型号的8位DAC精度为0.05%。,11,12,11.1.2 AT89S51与8位D/A转换器0832的接口设计 1DAC0832芯片介绍 （1）DAC0832的特性 美国国家半导体公司的DAC0832芯片是具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与AT89S51单片机连接，主要特性如下。 分辨率为8位。 电流输出，建立时间为1s。,12,13, 可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入。 单一电源供电（+5V+15V）。 低功耗，20mW。 （2）DAC0832的引脚及逻辑结构 引脚如图11-1所示，DAC0832的逻辑结构如图11-2所示。,13,14,14,图11-1 DAC0832的引脚图,15,15,图11-2 DAC0832的逻辑结构,16,引脚功能： DI0DI7：8位数字信号输入端，与单片机的数据总线P0口相连，用于接收单片机送来的待转换为模拟量的数字量，DI7为最高位。 ：片选端，当 为低电平时，本芯片被选中。 ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效。 ：第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。当 =0，ILE=1， =0时，待转换的数据信号被锁存到第一级8位输入寄存器中。,16,17,：数据传送控制，低电平有效。 ：DAC寄存器写选通控制端，低电平有效。当 =0， =0时，输入寄存器中待转换的数据传入8位DAC寄存器中。 IOUT1：D/A转换器电流输出1端，输入数字量全为“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，在+5V+15V范围内。,17,18,DGND：数字信号地。 AGND：模拟信号地，最好与基准电压共地。 DAC0832内部电路如图11-2所示。 “8位输入寄存器”用于存放单片机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由 加以控制； “8位DAC寄存器”用于存放待转换的数字量，由 控制； “8位D/A转换电路”受“8位DAC寄存器”输出的数字量控制，能输出和数字量成正比的模拟电流。因此，需外接I-V转换的运算放大器电路，才能得到模拟输出电压。,18,19,2AT89S51单片机与DAC0832的接口电路设计 设计接口电路时，常用单缓冲方式或双缓冲方式的单极性输出。 （1）单缓冲方式 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AT89S51单片机控制的锁存方式。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，可采用单缓冲方式。 单缓冲方式的接口电路如图11-3所示。,19,20,20,图11-3 单缓冲方式下单片机与DAC0832的接口电路,21,图11-3所示的是单极性模拟电压输出电路，由于DAC0832是8位（28=256）的D/A转换器，由基尔霍夫定律列出的方程组可解得0832输出电压vo与输入数字量B的关系为 显然，输出的模拟电压vo和输入的数字量B以及基准电压VREF成正比，且B为0时，vo也为0，输入数字量为255时，vo为最大的绝对值输出，且不会大于VREF。,21,22,图11-3中， 和 接地，故DAC0832的“8位DAC寄存器”（见图11-2）工作于直通方式。 “8位输入寄存器”受 和 端控制，而且 由译码器输出端FEH送来（也可由P2口的某一条口线来控制）。因此，单片机执行如下两条指令就可在 和 上产生低电平信号，使DAC0832接收AT89S51送来的数字量。 MOV R0，#0FEH ；DAC端口地址FEHR0 MOVX R0，A ；单片机的 和译码器FEH输出端有效,22,23,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。试根据图11-3，分别写出产生锯齿波、三角波和矩形波的程序。 在图11-3中，运算放大器A输出端Vout直接反馈到Rfb，故这种接线产生的模拟输出电压是单极性的。产生上述三种波形的参考程序如下。 锯齿波的产生 ORG 2000H START： MOV R0，#0FEH ；DAC地址FEH R0 MOV A，#00H ；数字量A,23,24,LOOP： MOVX R0，A ；数字量D/A转换器 INC A ；数字量逐次加1 SJMP LOOP 当输入数字量从0开始，逐次加1进行D/A转换，模拟量与其成正比输出。当A = FFH时，再加1则溢出清0，模拟输出又为0，然后又重新重复上述过程，如此循环，输出的波形就是锯齿波，如图11-4所示。 实际上，每一上升斜边要分成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。因此 “INC A”指令后插入NOP指令或延时程序，则可改变锯齿波频率。,24,25,25,图11-4 DAC0832产生的锯齿波输出,26, 三角波的产生。 ORG 2000H START： MOV R0，#0FEH MOV A，#00H UP： MOVX R0，A；产生三角波的上升边 INC A JNZ UP DOWN：DEC A ；A=0时减1为FFH， 产生三角波的下降边,26,27,MOVX R0，A JNZ DOWN SJMP UP 输出的三角波如图11-5所示。 图11-5 DAC0832产生的三角波输出,27,28, 矩形波的产生 ORG 2000H START： MOV R0，#0FEH LOOP： MOV A，#data1 ；#data1为上限电平对应的数字量 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 ；#data2为下限电平对应的数字量 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,28,29,图11-6 DAC0832产生的矩形波输出 输出的矩形波如图11-6所示。 DELAY1、DELAY2为两个延时程序，分别决定输出的矩形波高、低电平时的持续宽度。矩形波频率也可用延时方法改变。,29,30,（2）双缓冲方式 多路的D/A转换要求同步输出时，必须采用双缓冲同步方式。此方式工作时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的。单片机必须通过 来锁存待转换的数字量，通过 来启动D/A转换（见图11-2）。 因此，双缓冲方式下，DAC0832应该为单片机提供两个I/O端口。AT89S51单片机和DAC0832在双缓冲方式下的连接如图11-7所示。,30,31,31,图11-7 单片机和两片DAC0832的双缓冲方式接口电路,32,由图11-7可见，1#DAC0832因 和译码器FDH相连而占有FDH和FFH两个I/O端口地址（由译码器的连接逻辑来决定），而2#DAC