江苏开放大学文本单片机应用技术_10_外围设备与接口_讲义10-外围设备与接口.pdf_大学文库

第 10 单元外围设备与接口 2 单片机是面向控制的。在工业控制和参数测量时，经常遇到一些如温度、速度、流量、压力等物理量，这些连续变化的物理量称为模拟量。计算机只能处理数字量。一般非电模拟量要先转换为模拟电量（电压或电流），再转换为数字量，计算机才能对其进行分析处理。将模拟量转换成数字量的装置称为模/数（A/D）转换器。对于控制过程来说，最终目的是要根据当时现场情况进行控制，所以计算机还应该发出信号送到控制目标。为此需要通过数/模（D/A）转换器把计算机中的数字量变成模拟电压或电流。将数字量转换成模拟量的装置称为数/模（D/A）转换器。一般 A/D、D/A 转换器都用集成电路实现，可以很方便地和单片机相连。 MCS-51 单片机应用系统的类型有多种多样，如智能仪表、控制单元、数据采集系统、分布式监测系统等。输入/输出设备是单片机应用系统中的重要组成部分，原始的数据信息需通过输入设备输入到计算机，计算机的处理结果通过输出设备显示、打印和实现各种控制功能。单片机应用系统中常用的外部设备有七段显示器、键盘、打印机等。本章介绍数/模和模/数转换原理及应用，介绍 LED 数码显示器及接口，按键、键盘及接口等。 10．1 数/模（D/A）转换接口的扩展 10．1．1 数/模（D/A）转换方法实现 D/A 转换的方法有脉冲调幅、调宽、T 型电阻式等。在集成电路中，通常采用 T 型电阻网络实现数字量往模拟电流的转换，再利用运算放大器来完成模拟电流到模拟电压的转换。图 10-1 是采用 T 型电阻网络的 D/A 转换器。整个网络只需要 R 和 2R 两种电阻。对图中的一个支路中，如果开关倒向左边，支路中的电阻就接到真正的地，如果开关倒 R0 -+ K0 K1 K2 K3 图 10-1 采用 T 型电阻网络的 D/A 转换器 V0 VREF 2R 2R 2R 2R 2R R R R 2 0 2 1 2 2 2 3 A B C D

单木机技米及应用向右边，电阻就接到虚地。所以不管开关倒向哪一边，都可认为是按“地”。但只有开关倒向右边时，才能给运算放大器输入端提供电源。 T型电阻树络巾，节点A的左边为两个2R的电阻并联，它门的等效电阻为R,节点B 左边也是两个2R的电阻并联，结果等效电阻也是R,以此类推，在D点等效于一个数值为 R的电阻连在参考电压VF上。可以算出C点、B点，A点的电位分别为V/2、-V匹/4、 -VeEr/8。当右边弟二个支路的开关K:倒向右边时，运算放大器得到的输入电流为V/2R。右边第·个支路的开关K:倒向右边时，运算放大器得到的输入电流为V/4R。同样，可以算出，K1、Kn国向右边时，箱入电流分别为-V/8R、-V/16R。让开关K、K、K1,K对应于1位二进制数，当一个二进制数据为1111时，流入运算放大器的电流为： I=-Va_VuL_Vut_Vo 2R 4R 8R 16R -+片+=-g1+ 2R +Σ+48 2R 2+2 27 括号内各项分别对应二进制数2°、2、22、2。相应的输出电瓜： 2R 由上式可见，输出电压除了和输入的二进制数有关以外，还和运算放大器的反馈电阳R、标准电压Vr有关。在D/A转换接口设计中主耍考虑的问题是D/A转换芯片的选择、数字量的输入码及模拟量的梭性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。衡量D/A转换性能的主要技术指标是： 1,分拼幸；输出模拟量的最小变化量，即最低位增1时所引起的输出量变化，输出模拟量与拾入数字量的位数n有关，分辨率可表示为2。位数越多，分辨率越高。 2,线性误差：实际转换特性偏离埋想转换特性的最大值称位线性误差，D/A转换器的转换特性应该是线性的。但实际上输出特性不是理想线性。线性误差一般用模拟量和理热俏的最大差值折合成的数字输入量表示。 3.满刻度误差：输入全为1时，输出电压与理想值之问的误差 4.转换时间：从转换器输入数字量到输出稳定模拟电压所需要的时间，除以上性能指标外，D/A转换器与CPU接口是杏容易，也是衡量D/A转换器性能的一个标准。根据能否直接和总线相连，D/A转换花片可以分为两类。一类芯片内部没有数据输入将存器，这类芯片内部结构简单，价格比较低廉，比如AD7520、DAC0802等，但在单片机应用系统中使用这种芯片必须外加数据箱入锁存器。另一类芯片内部有数据输入膏存器

单片机技术及应用 3 向右边，电阻就接到虚地。所以不管开关倒向哪一边，都可认为是接“地”。但只有开关倒向右边时，才能给运算放大器输入端提供电源。 T 型电阻网络中，节点 A 的左边为两个 2R 的电阻并联，它们的等效电阻为 R，节点 B 左边也是两个 2R 的电阻并联，结果等效电阻也是 R，以此类推，在 D 点等效于一个数值为 R 的电阻连在参考电压 VREF上。可以算出 C 点、B 点、A 点的电位分别为-VREF/2、-VREF/4、 -VREF/8。当右边第二个支路的开关 K3倒向右边时，运算放大器得到的输入电流为 VREF/2R。右边第一个支路的开关 K2倒向右边时，运算放大器得到的输入电流为 VREF/4R。同样，可以算出，K1、K0倒向右边时，输入电流分别为-VREF/8R、-VREF/16R。让开关 K3、K2、K1、K0对应于 1 位二进制数，当一个二进制数据为 1111 时，流入运算放大器的电流为： 16R V 8R V 4R V 2R V I REF REF REF REF      ) 8 1 4 1 2 1 (1 2R VREF      ) 2 1 2 1 2 1 (1 2R V 1 2 3 REF      括号内各项分别对应二进制数 2 0、2 1、2 2、2 3。相应的输出电压： O R0 V  I  2R VREF   × ) 2 1 2 1 2 1 R (1 0 1 2 3    由上式可见，输出电压除了和输入的二进制数有关以外，还和运算放大器的反馈电阻 R0、标准电压 VREF有关。在 D/A 转换接口设计中主要考虑的问题是 D/A 转换芯片的选择、数字量的输入码及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。衡量 D/A 转换性能的主要技术指标是： 1．分辨率：输出模拟量的最小变化量，即最低位增 1 时所引起的输出量变化。输出模拟量与输入数字量的位数 n 有关，分辨率可表示为 2 -n。位数越多，分辨率越高。 2．线性误差：实际转换特性偏离理想转换特性的最大值称位线性误差。D/A 转换器的转换特性应该是线性的。但实际上输出特性不是理想线性。线性误差一般用模拟量和理想值的最大差值折合成的数字输入量表示。 3．满刻度误差：输入全为 1 时，输出电压与理想值之间的误差。 4．转换时间：从转换器输入数字量到输出稳定模拟电压所需要的时间。除以上性能指标外，D/A 转换器与 CPU 接口是否容易，也是衡量 D/A 转换器性能的一个标准。根据能否直接和总线相连，D/A 转换芯片可以分为两类。一类芯片内部没有数据输入寄存器，这类芯片内部结构简单，价格比较低廉，比如 AD7520、DAC0802 等，但在单片机应用系统中使用这种芯片必须外加数据输入锁存器。另一类芯片内部有数据输入寄存器

单岸机故术及应用 DAC832内部有两级输入缓冲镇存器，一个T型电阻网锋，为电流输出型芯片，T型电阻网路需要外接运算放大器，才能得到电压输出。LE是弟一级输入缓冲锁存器（输入寄存器)的懒存信号，XER(通道控制信号)是第二级缓冲懒存器(DAC将存器)的镜存信号。当LE为高电平时，CS和WRI为低电平时，LE1为高，输入寄存器的绘出迹箱入而变化。当WR1由“低”变“高”时，LE1变为低，数据被锁存到输入寄存卷巾，输入寄存器的翰出线不再随外部数据的变化而变化。对第二级锁存器，当XFER和WR2同时为低电平时，L2为高，8位DAC寄存器的输出随输入而变化，当WR2出“低”变“高，12变为低，符输入寄存器的数据锁存到DAC 寄存器中，并送入D/A转换器进行转换。二.DAC0332的工作方式 DAC0832有两级可控制的输入缓冲锁存器。根据对两级输入缓冲锁存器的不可控制方法，DAC0832有单缓冲、双援冲、直通三种工作方式。 1.单缓冲方式单缓冲方式是使输入寄存器和DAC寄存器中的一个处于直通状态，另一个处于可控状态，或者使两个寄存器同时选通顾存。在单缓冲方式下，只需对DAC0832执行一次写操作，数据写入输入寄存器后就直接经过DAC寄存器进入D/A转换器进行转换。此方式适用于只有一路模拟最输出或几路模拟量同步输出的情况。 2,双缓冲方式双缓冲方式下，输入寄存器和DAC脊存器分别处于可控状态。双缓冲方式下的数据马入要分两次进行，第一次将待转换的数据与入输入寄存器，第二次冉对DΛC寄存器进行一次写操作，这一次的马操作是“虚拟马”，即写入何数据并无意义，仅是为了使WR信号再次有效，从而使DAC寄存卷写选通有效，把第一次写入柏入寄存器的数据锁存到DAC寄存器，并送入D/A转换器进行转换，双缓冲方式适用于以下情况： (1)在D/A转换的同时接受下·个转换数据，从面提高转换速度： (2)多路同步转换。方法是先分别对各路DAC0832写特特换数据，并锁存到各自的输入寄存器中，然后再对各路DACD832的DAC寄存器同时发逃通信号，使各路输入膏存器中的数据同时送入DAC寄存器，实现多路D/A同步转换输出。 3.直通方式在直通方式下，输入寄存器和DAC寄存器都一直处于选证状态，输入的数据直接送到 D/A转换器进行转携。此方式适用于连续反馈控制电路中。 10,1,3DAC0832和MCS-51的接口方法

单片机技术及应用 5 DAC0832 内部有两级输入缓冲锁存器，一个 T 型电阻网络，为电流输出型芯片。T 型电阻网络需要外接运算放大器，才能得到电压输出。ILE 是第一级输入缓冲锁存器（输入寄存器）的锁存信号，XFER（通道控制信号）是第二级缓冲锁存器（DAC 寄存器）的锁存信号。当 ILE 为高电平时，CS 和 WR1为低电平时，LE1 为高，输入寄存器的输出随输入而变化。当 WR1由“低”变“高”时，LE1 变为低，数据被锁存到输入寄存器中，输入寄存器的输出端不再随外部数据的变化而变化。对第二级锁存器，当 XFER 和 WR2 同时为低电平时，LE2 为高，8 位 DAC 寄存器的输出随输入而变化，当 WR2 由“低”变“高”，LE2 变为低，将输入寄存器的数据锁存到 DAC 寄存器中，并送入 D/A 转换器进行转换。二．DAC0832 的工作方式 DAC0832 有两级可控制的输入缓冲锁存器。根据对两级输入缓冲锁存器的不同控制方法，DAC0832 有单缓冲、双缓冲、直通三种工作方式。 1．单缓冲方式单缓冲方式是使输入寄存器和 DAC 寄存器中的一个处于直通状态，另一个处于可控状态，或者使两个寄存器同时选通锁存。在单缓冲方式下，只需对 DAC0832 执行一次写操作，数据写入输入寄存器后就直接经过 DAC 寄存器进入 D/A 转换器进行转换。此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情况。 2．双缓冲方式双缓冲方式下，输入寄存器和 DAC 寄存器分别处于可控状态。双缓冲方式下的数据写入要分两次进行，第一次将待转换的数据写入输入寄存器，第二次再对 DAC 寄存器进行一次写操作，这一次的写操作是“虚拟写”，即写入何数据并无意义，仅是为了使 WR 信号再次有效，从而使 DAC 寄存器写选通有效，把第一次写入输入寄存器的数据锁存到 DAC 寄存器，并送入 D/A 转换器进行转换。双缓冲方式适用于以下情况：（1）在 D/A 转换的同时接受下一个转换数据，从而提高转换速度；（2）多路同步转换。方法是先分别对各路 DAC0832 写待转换数据，并锁存到各自的输入寄存器中，然后再对各路 DAC0832 的 DAC 寄存器同时发选通信号，使各路输入寄存器中的数据同时送入 DAC 寄存器，实现多路 D/A 同步转换输出。 3．直通方式在直通方式下，输入寄存器和 DAC 寄存器都一直处于选通状态，输入的数据直接送到 D/A 转换器进行转换。此方式适用于连续反馈控制电路中。 10．1．3 DAC0832 和 MCS-51 的接口方法

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