第13章MCS-51与DA、AD的接口 在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统 中,控制或测量对象的有关变量,往往是连续变 化的模拟量,如温度、压力、流量、速度等物理 量。这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到 单片机中进行处理。单片机处理的结果,也常常 需要转换为模拟信号。若输入的是非电信号,还 需经过传感器转换成模拟电信号。实现模拟量转 换成数字量的器件称为模数转换(ADC),数字量 转换成模拟量的器件称为数模转换器(DAC)
第13章 MCS-51与D/A、A/D的接口 在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统 中，控制或测量对象的有关变量，往往是连续变 化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理 量。这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到 单片机中进行处理。单片机处理的结果，也常常 需要转换为模拟信号。若输入的是非电信号，还 需经过传感器转换成模拟电信号。实现模拟量转 换成数字量的器件称为模数转换(ADC)，数字量 转换成模拟量的器件称为数模转换器（DAC）
13.1MCS-51与DAC的接口 ◆D/A转换器概述 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。转换过程是先将各位数码按其权的大小转换 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。 ◆MCS-51与8位DAC0832的接口 DAC0832芯片是具有两个输入数据寄存器的8位 DAC,它能直接与MCS-51单片机相连接,其分辨率为8 位;电流输出;稳定时间为1μs;可双缓冲、单缓冲或直 接数字输入;只需在满量程下调整其线性度;单一电源供 电(+5~+15∨);低功耗,20mW。其逻辑结构如图 13-1所示
13.1 MCS-51与DAC的接口 ◆ D/A转换器概述 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。转换过程是先将各位数码按其权的大小转换 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。 ◆MCS-51与8位DAC0832的接口 DAC0832芯片是具有两个输入数据寄存器的8位 DAC，它能直接与MCS-51单片机相连接，其分辨率为8 位；电流输出；稳定时间为1µs；可双缓冲、单缓冲或直 接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供 电（＋5～＋15V）；低功耗，20 mW。其逻辑结构如图 13-1所示
8位输入 位DAC 位DA 寄存器 寄存器 转换电路 E-19 agnD WRI DGND DACO832 图13-1DAC0832原理框图 MCS-51与DAC0832的接口电路MCS-51与 DAC0832接口时,可以有三种连接方式:直通 方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 由于直通方式下工作的DAC0832常用于不带 微机的控制系统中,下面仅对单缓冲方式和双缓 冲方式作以介绍
◆ MCS-51与DAC0832的接口电路 MCS-51与 DAC0832接口时，可以有三种连接方式：直通 方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 由于直通方式下工作的DAC0832常用于不带 微机的控制系统中，下面仅对单缓冲方式和双缓 冲方式作以介绍。 VCC ILE WR2 XFER DI4 DI0 DI1 DI2 DI3 DI7 DI6 DI5 IOUT1 IOUT2 AGND VREF Rfb DGND WR1 CS 7 3 1 6 2 4 9 10 8 5 DAC0832 18 17 16 15 14 13 12 11 19 20 Rfb 8位输入 寄存器 8位DAC 寄存器 8位D/A 转换电路 LE1 LE2 图13-1 DAC0832原理框图
(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 路模拟量输岀,或虽是多路模拟量输岀但并不要求多路输岀同步的情况下, 就可采用单缓冲方式 单缓冲方式的接口电路如图13-2所示。 DACO832 WR2 XFER P00-0.7 锁存器 FEH ALE DI7-DIO 图13-2单缓冲方式下的DAC0832
➢ (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13-2所示。 DAC0832 VREF 9 Rfb OA WR 8031 ALE P0.0~0.7 EA 锁 存 器 译 码 器 DI7~DI0 8 VOUT 11 12 19 ILE IOUT1 IOUT2 +5V G WR2 WR1 CS 2 XFER 0FEH VREF 图 13-2单缓冲方式下的DAC0832
(2)对于多路D/A转换,要求同步进行D/A转换输出时,必须采用双缓冲同步方 式。在此种方式工作时,数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的。 1#DAc0832 存 码 P00 XFER. Lon WRI =DAc0832 E 图13-38031和两片DAC0832的接口(双缓冲)
➢ (2) 对于多路D/A转换，要求同步进行D/A转换输出时，必须采用双缓冲同步方 式。在此种方式工作时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的。 图13-3 8031和两片DAC0832的接口（双缓冲）
13.2MCS-51与ADC器件接口 ◆A/D转换原理 在微型计算机的数据采集系统和控制系统中,大多采 用低、中速的大规模集成A/D转换芯片。对于低、中速A /D转换器,这类芯片常用的转换方法有计数一比较式 双斜率积分式和逐次逼近式3种。计数比较式器件简单 价格便宜,但转换速度慢,较少采用。双斜率积分式精度 高,但速度慢。由于逐次逼近式A/D转换技术能很好地 兼顾速度和精度,故它在16位以下的A/D转换器件中得 到了广泛的应用。 逐次逼近式A/D转换电路框图如图13-4所示。它主 要由逐次逼近寄存器SAR、数字/模拟电压转换器、比较 器、时序及控制逻辑等部分组成
13.2 MCS-51与ADC器件接口 ◆A/D转换原理 在微型计算机的数据采集系统和控制系统中，大多采 用低、中速的大规模集成A／D转换芯片。对于低、中速A ／D转换器，这类芯片常用的转换方法有计数—比较式、 双斜率积分式和逐次逼近式3种。计数比较式器件简单、 价格便宜，但转换速度慢，较少采用。双斜率积分式精度 高，但速度慢。由于逐次逼近式A／D转换技术能很好地 兼顾速度和精度，故它在16位以下的A／D转换器件中得 到了广泛的应用。 逐次逼近式A／D转换电路框图如图13-4所示。它主 要由逐次逼近寄存器SAR、数字/模拟电压转换器、比较 器、时序及控制逻辑等部分组成
我们参阅图13-4,我们以4位A/D转换器为例,用图13-5 说明其逐次逼近过程的原理。 模拟输入电压 电压 比较器 预测 模拟 DA转换器 基准电源 预测 数字量 顶测预测 SAR (1000)(0100)(0110)(0111 时序及控制逻辑 时间 转换命令 状态线 ·图13-4逐次逼近式AD转换电路框图 图13-5逐次逼近过程原理图
我们参阅图13-4，我们以4位A／D转换器为例，用图13-5 说明其逐次逼近过程的原理。 模拟输入电压 比较器 Vx Vf 基准电源 数字量 输出 D/A转换器 SAR 时序及控制逻辑 转换命令 状态线 第一次 预测 第二 次 预测 第三次 预测 第四次 预测 电压 模拟 电压 终值 时间 D3 D2 D1 D0 •图13-4 逐次逼近式A/D转换电路框图 图13-5 逐次逼近过程原理图
◆A/D转换器及其与MCS-51的接口 ADC0809是与微处理器兼容的8通路8位A /D转换器。它主要由逐次逼近式A/D转换器 和8路模拟开关组成。 ADCo809的特点是:可直接与微处理器 相连,不需另加接口逻辑;具有锁存控制的8路 模拟开关,可以输入8个模拟信号;分辨率为8 位,总的不可调误差为±1LSB:输入、输出引 脚电平与TL电路兼容;当模拟电压范围为0 5V时,可使用单一的+5V电源;基准电压可以 有多种接法,且一般不需要调零和增益校准。 图13-6是ADC0809引脚及其在系统中的典 型连接方法
◆A／D转换器及其与MCS-51的接口 ADC0809是与微处理器兼容的8通路8位A ／D转换器。它主要由逐次逼近式A／D转换器 和8路模拟开关组成。 ADC0809的特点是： 可直接与微处理器 相连，不需另加接口逻辑；具有锁存控制的8路 模拟开关，可以输入8个模拟信号；分辨率为8 位，总的不可调误差为±1LSB；输入、输出引 脚电平与TTL电路兼容；当模拟电压范围为0～ 5V时，可使用单一的+5V电源；基准电压可以 有多种接法，且一般不需要调零和增益校准。 图13-6是ADC0809引脚及其在系统中的典 型连接方法
IN3 IN2 IN4口 INI CLOCK IN5 INO REF(+)EOC IN6 ADDA INT IN7口 ADDB START START口 ADDO EOC ALE D3口8 D7 ADDA CLOCKC1o VCC口 D4 数字输出模拟输入 EF(+) 17口D0 GNDE13 Dl口14 15B D2 a)ADC0809引脚 b)ADC0809在系统中的典型连接方法 图13-6ADC0809引脚及其在系统中的典型连接方法
ADC0809 GND REF(+) VCC CLOCK OE D3 EOC START IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 D2 D4 D0 D6 D7 ALE ADDC ADDB ADDA 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 D1 REF(-) D5 IN0 IN1 IN2 START CLOCK D0 D7 ADDA ADDB ADDC IN0 IN7 数 字 输 出 模 拟 输 入 图13-6 ADC0809 引脚及其在系统中的典型连接方法 a) ADC0809 引脚 b) ADC0809 在系统中的典型连接方法
图13-7是ADC0809与8051系列单片机的接口电路,ADCo809输出端 有三态锁存器,可以与单片机直接接口 叫 START 叫ALE 模 ADC GND CLOCK 图13-7ADC0809与8031的接口 对图13-7的接口,可编出相应的程序。在主程序中要对外部中断进行预 置,然后启动ADco809进行A/D转换。设由INO路开始,8路模拟量轮流输 入。转换结束后,转入中断服务子程序,把转换结果读入8031的累加器,并 存入相应缓冲存储单元50H-57H,再由主程序对这些数据进行处理或移入外部 RAM各自的缓冲区中
图13-7是ADC0809与8051系列单片机的接口电路，ADC0809输出端 有三态锁存器，可以与单片机直接接口。 IN0 IN7 D7 D0 CLOCK 分 频 器 模 拟 量 输 入 ADC 0809 8051 8031 A B C EOC GND START OE ALE ALE P0.0 P0.7 P2.0 P2.6 RD WR INT0 (0~5V) 图13-7 ADC0809与8031的接口 对图13-7的接口，可编出相应的程序。在主程序中要对外部中断进行预 置，然后启动ADC0809进行A/D转换。设由IN0路开始，8路模拟量轮流输 入。转换结束后，转入中断服务子程序，把转换结果读入8031的累加器，并 存入相应缓冲存储单元50H-57H,再由主程序对这些数据进行处理或移入外部 RAM各自的缓冲区中