9-1 D/A转换器接口及应用

9-2 A/D转换器接口及应用

第第 99 章 数章 数 // 模及模模及模 // 数转换器接口数转换器接口

扩展 I/O 电路的功能：

1 、速度协调；2 、输出数据锁存；3 、输入数据三态；4 、数据转换： 模拟量→数字量：由 A/D 转换完成； 数字量→模拟量：由 D/A 转换完成。

单片机和被控实体间的接口示意图

举例 1 ：温度测控系统

放大

A/ D单

片

机打印输出

光隔驱动

电热箱 温度传感器 模 数设定值

控制信号

电热丝

电源

双向可控硅

调节电压 控温

~

举例 2 ：速度测控系统

A/ D PI D D/ A ＝/ M

G

转速给定

P0 P1

纸长拨盘给定

转速反馈

纸长反馈

脉冲发生器

测量转速

电机可控硅触发器

单片机系统+ -

单片机控制系统原理框图

举例 3 ：红外线自动门控制系统原理图

BISS

0001

60K20K

103

2M

10K

10u

1M

1M

47K

103

47u

电压检测模块

电机温度检测 P3.3/INT1

手 动 / 自 动 切换

手动关按钮

P3.4

P3.0

2.2u

D

S

G红外传感器

+5VGND

3.3K

103

103

470u

+5V

330K

330K102

10n

VC

VDD

2OUT

2IN-

1IN+

1IN-

1OUT

220K

IB

RR1

A

V0

RC1

RC2

RR2

VSS

+5V

行程开关 2

行程开关 3

手动开按钮

光电隔离

电机正转继电器 J1

电机过热报警

转速检测模块

A/D 转换

蜂鸣报警

行 程 开 关4

行程开关 1

电压过高报警速度异常报警

速度变换继电器 J3

电机反转继电器 J2ADC

0809

P1.0

P1.3

P1.2

P1.1

P1.4

P1.5

P1.6

P2.0

P2.1

P2.3

P2.2

P3.2/INT0

P3.1

P0WRRDALEP1.7

10K×6

LED

AT89C51

VCC

红外线传感器集成芯片 BISS0001 特点

（ 1 ）用 CMOS 工艺，功耗低。（ 2 ）具有独立的高输入阻抗运算放

大器，可与多种传感器匹配。（ 3 ）双向鉴幅器可有效抑制干扰信

号。（ 4 ）内设延时和封锁定时器，性能

稳定，调节范围宽。（ 5 ）内置参考电源。（ 6 ） 工 作 电 压 范 围 宽 （ 3V ～

5V）。

BISS0001

1

2

3

4

5

6

7

8 9

10

11

12

13

14

15

16A

V0

RR1

RC1

RC2

RR2

Vss

VRF/RESET Vc

IB

VDD

2OUT

2IN-

1IN+

1IN-

1OUT

9-19-1 D/AD/A 转换器接口及应用转换器接口及应用9-1-1 D/A 转换概述

一、 D/A（ Digit to Analog ）转换器： 为把数字量转换成模拟量，在 D/A转换芯片中要有解码网络：① 权电阻网络；②倒 T 型电阻网络。

T 型电阻网络型 D/A 转换器：

D/A 转换器的原理： 把输入数字量中每位都按其权值分别转换成模拟量，并通过运算放大器求和相加。根据克希荷夫定律，如下关系成立：

I0=20 I1=21 I2=22 I3=23

n 位数字量与模拟量的关系式：VO =—VREF×（数字码 / 2n ）

(VREF —— 参考电压 )

二、 D/A 输出形式：① 电压；② 电流 运算放大器 电压。

注：因使用反相比例放大器来实现电流到电压的转换，所以输出模拟信号 (VO)的极性与参考电压 (VREF) 极性相反。

三、注意区分 D/A 内部是否带有锁存器：

与 P1、 P2 接口：不需加锁存器，直接接口。 无锁存器 与 P0 接口：因 P0 的特殊功能，需加锁存器。D/A 内 如： DAC800、 AD7520、 AD7521 等。 有锁存器：最好与 P0 直接接口。 如： DAC0832、DAC1230 等。

四、性能指标：1 、分辨率（ Resolution ）是指 D/A 转换器能分辨的

最小输出模拟增量，取决于输入数字量的二进制位数。 2 、建立时间（ Establishing Time ）是描述 D/A 转

换速度的快慢。3 、转换精度（ Conversion Accuracy ）指满量程时DAC 的实际模拟输出值和理论值的接近程度。

4 、偏移量误差（ Offset Error ）偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。

5 、线性度（ Linearity ）线性度是指 DAC 的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。

主要技术指标：1 、分辨率（ Resolution ）： 对D/A 转换器输入量变化敏感程度进行描述，与输入数字量的位数有关。• 若数字量的位数为 n ，则分辨率为 2－ n。• 数字量位数越多，分辨率就越高。• 应用时，应根据分辨率的需要选定转换器的位数。注： BCD 码输出的 A/D 转换器用位数表示分辨率。2 、建立时间（ Establishing Time ）：（转换速

度） 描述 D/A 转换速度的快慢。• 输出形式为电流的转换器比电压的建立时间短。• D/A 转换速度远高于 A/D 转换。3 、转换精度（ Conversion Accuracy ）： 指满量程时 DAC 的实际模拟输出值和理

论值的接近程度。

一、内部结构：一、内部结构： DAC 0832DAC 0832 ：： 8位双缓冲器结构的 D/A 转换器。

9-1-2 D/A 转换芯片DAC0832

DAC 0832DAC 0832 内部结构框图内部结构框图（请见（请见 P242P242图图9.39.3 ））

DI0 ～ 7 ：转换数据输入（ 8 位）； CS ：片选信号（输入）；ILE ：数据锁存允许信号（输入）； XFER ：数据传送控制信号（输入）；WR1 ：第一写信号（输入），与 ILE共同控制输入寄存器是数据直通方式还是 数据锁存方式；WR2 ：第 2写信号（输入），与 XFER共同控制 DAC寄存器是数据直通方式还是 数据锁存方式；

8 位DAC

DAC寄存器

输入寄存器 -

+IOUT2

IOUT1

Rfb

VODI0 ～

7

AGND

ILE

CS

与

与

与

WR1

WR2

XFER

LE1LE2

LE1LE1（（ LELE22 ）） ==

00 ：锁存；：锁存；11 ：直通。：直通。

DAC 的应用：  DAC 用作单极性电压输出；  DAC 用作双极性电压输出；  DAC 用作控制放大器。

双极性输出电压与输入数字量的关系输入数字量 B

b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0

Vout （理想值）+VREF 时 -VREF 时

1 1 1 1 1 1 1 1 |VREF|-LSB -|VREF|+LSB

┆ ┆ ┆1 1 0 0 0 0 0 0 |VREF|/2 -|VREF|/2

┆ ┆ ┆1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

┆ ┆ ┆0 1 1 1 1 1 1 1 -LSB LSB

┆ ┆ ┆0 0 1 1 1 1 1 1 -|VREF|/2-LSB |VREF|/2+LSB

┆ ┆ ┆0 0 0 0 0 0 0 0 -|VREF| |VREF|

双极性 DAC 的接法 :

双极性 DAC 的另一种接法 :

控制放大器用 DAC0832:

二、二、 DAC 0832DAC 0832 与单片机的接与单片机的接口：口：有 3 种工作方法：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。

11 、直通方式：、直通方式： 输入寄存器和 DAC寄存器共用一个地址，同时选通输出； WR1 和WR2 同时进行，并且不与 CPU 相接。 特点：转换速度快。

80C51

CS

DAC0832

WR1

P1

XFER

8

WR2

D7 0～

+-

VO

MOV P1， A

举例：例： D/A 转换程序，用 DAC0832 输出 0～+5V 锯齿波， 电路为直通方式。设 VREF=-5V ，若DAC0832地址 为 00FEH ，脉冲周期要求为 100ms。

100ms

DACS：MOV DPTR，#00FEH； 0832 I/O地址MOV A，#00H ；开始输出 0V

DACL：MOVX @DPTR，A ；D/A 转换INC A ；升压ACALL DELAY ；延时延时 100100ms/256ms/256 ：：决定决定

锯齿波的周期锯齿波的周期AJMPDACL ；连续输出

DELAY …： ；延时子程序

22 、单缓冲方式：、单缓冲方式： 输入寄存器和 DAC寄存器共用一个地址，同时选通输出，输入数据在控制信号作用下，直接进入 DAC寄存器中； WR1 和WR2 同时进行，并且与 CPU的WR 相连， CPU 对 0832执行一次写操作，将数据直接写入 DAC寄存器中。 适用：只有一路模拟信号输出或几路模拟信号非同步输出。

80C51 CS

DAC0832

WR1

P1

XFER

WR2

D7 0～ +-

VO

74LS373P0

WR

ALE

80C51

G A7 0～

A0

8

单缓冲方式下的 DAC0832

80C51

举例：例： D/A 转换程序，用 DAC0832 输出 0～+5V 三角波， 电路为单缓冲方式。设 VREF=-5V ，若DAC0832地 址为 00FEH ，脉冲周期要求为（ 100ms）。

100ms

ORG 2000HSTAR：MOV DPTR，#00FEH；DAC0832地址

MOV A，#00H ；开始输出 0VUP ： MOVX @DPTR， A ；D/A 转换

INC A ；产生上升段电压JNZJNZ UPUP ；上升到 A 中为 FFH（ A≠0跳）

DOWN：DEC A ；产生下降段电压MOVX @DPTR， AJNZJNZ DOWNDOWN ；下降到 A 中为 00HSJMPSJMP UPUP ；重复

注：注：若想改变波形的周期（频率），只需在若想改变波形的周期（频率），只需在 SJMP UPSJMP UP前插入延时程序即前插入延时程序即可。可。

C51 程序：#include<absacc.h>#include<reg51.h>#define DAC0832 XBYTE[0x00FE]#define uchar unsigned char#define unit unsigned int void stair(void) {

uchar i; while(1) { for(i=0;i<=255;i=i++)

/* 形成锯齿波输出值，最大255*/ {DAC0832=i; /*D/A 转换输出 */ }}

}

33 、双缓冲器方式：、双缓冲器方式： 输入寄存器和 DAC寄存器分配有各自的地址，可分别选通用同时输出多路模拟信号。 适用：同时输出几路模拟信号的场合，可构成多个 0832同步输出电路。

80C51

CSDAC0832

WR1

P1

XFER

WR2

D7 0～ +-

VO

74LS3738P0

WR

ALE

80C51

G A7 0～

A0

CS

DAC0832

WR1

XFER

WR2

D7 0～

+-

VO

A1

A2

A1

1#

2#

X

Y

图形显示器

A2

举例：例：用DAC0832 实现驱动绘图仪，电路为双缓冲方式。 1# 和 2#DAC0832地址分别为 00FEH 和 00FDH。 则绘图仪的驱动程序为：

ORG 2000HMOV DPTR，#00FEH ；选中 1#0832 （的输入寄存器）： A0=0

MOV A，#DataxMOVX @DPTR，A ；Datax写入 1#0832 输入寄存器MOV DPTR，#00FDH ；选中 2#0832 （的输入寄存器）： A1=0

MOV A，#DatayMOVX @DPTR，A ；Datay写入 2#0832 输入寄存器MOV DPTR，#00FBH ；选中 1#和2#0832的DAC寄存器：

A2=0

MOVX @DPTR，A ；1# 和 2#输入寄存器的内容同时 传送到 DAC寄存器中

C51 程序：#include<absacc.h>#include<reg51.h>#define INPUTR1 XBYTE[0x00FE]#define INPUTR2 XBYTE[0x00FD] #define DACR XBYTE[0x00FB]#define uchar unsigned char void dac2b(data1,data2) uchar data1,data2;{

INPUTR1=data1; /* 数据送到一片 DAC0832*/INPUTR2=data2; /* 数据送到另一片 DAC0832*/DACR=0; /*启动两路 D/A同时转换 */

}

三、 DAC1208 内部框图

80C51与DAC1208 的接口

80C51

华工考研题： PC/XT的D/A 接口使用 DAC0832 。其有关信号

接线如图所示，其输出电压 Vo 和输入数字量 DI7-DI0 之间呈线性且如表所示。现要求 Vo从零开始按图示波形周期变化（周期可自定）。试用汇编语言编写其控制部分程序。

译码器

放

大

DB7-DB0

+5V

A9-A0

AEN

I OW

POT0

POT1

DI 7-DI 0I LE

CS

XFERWR1

WR2

I OUT1

I OUT2

DAC0832

v0/ V

t

+5V

0

-5Vv0

输入 输出

00H7FHFFH

-5V0V+5V

9-29-2 A/DA/D 转换器接口及应用转换器接口及应用

A/D 接口设计要点：1 ．选择合适的系统采样速度；2 ．减小 A/D 转换的孔径误差；3 ．合理选用 A/D 转换器。

一、转换原理：一、转换原理：A/D 转换是把模拟量信号转化成与其大小成比例的数字信号。A/D 转换电路主要分成：1 、双积分式（速度慢，精度高：用于速度要求不高的场合）；2 、逐次逼近式（速度较快，精度较高：常用）。 常用芯片：常用芯片： MC14433（ 3 ½ 位） 双积分式 ICL7135（ 4 ½ 位） ICL7109（ 12 位） ADC0808、 ADC0809（ 8 位） 逐次逼近式 ADC1210（ 12 位） AD574（ 12 位）

1 、双积分型 A/D 转换器工作原理：

双积分型 A/D 转换是一种间接 A/D

转换技术。首先将模拟电压转换成积分时间，然后用数字脉冲计时方法转换成计数脉冲数，最后将此代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成二进制或 BCD 码输出。因此，双积分型 A/D 转换器转换时间较长，一般要大于 40～ 50ms 。

双积分 ADC 电路原理图

MC14433与 80C51 直接连接的接口

80C51MC14433

ICL7109与 80C51 的接口电路图

80C51

2 、逐次逼近 A/D 转换原理：

时序与控制逻辑电路

D/ A转换器输出缓冲器

N位寄存器

比较器

时钟

启动EOC

VX

VN

OE

N位数字量输出

A/ D逐次逼近 转换器原理图

N 位寄存器用来存放 N 位二进制数码。当 VX≥VN ，则保留 DN-1=1 ，否则清 0 。其余类推。

1 、结构： 一个 8位逐次逼近式 A/D 转换器、 8路模拟转换开关、 3-8地址锁

存译码器和三态输出数据锁存器（详见 P249）。

2 、引脚：（ 1 ） 8路模拟量分时分时输入信号端：

IN0～ IN7；（ 2 ） 8位数字量输出信号端：

D0～D7；

（ 3 ）通道选择地址信号输入端： ADDA、 ADDB、 ADDC；

（ 4 ）基准参考电压为 VR（+ ）和 VR（ - ）： 决定输入模拟量的范围。 典型值分别为 +5V 和 0V。（ 5 ）转换结束信号 EOC： 0 ：正在进行转换； 1 ：一次转换完成。（ 6 ）时钟信号输入端： CLK （其内部无时钟电路）。

多路转换开关

A B C

IN0

IN1

IN7

A/D 转换

二、二、 ADC0809ADC0809 与单片机的接口：与单片机的接口： ADC 0809/0808 为 8路输入通道、 8位逐次逼近式 A/D 转换器，可分时转换 8路模拟信号。

3、 ADC 0809 与单片机连接：

转换数据的传送：① 定时传送方式；（不需接 EOC脚）②查询方式；（测试 EOC脚的状态）③中断方式。（ EOC脚接 INT脚）注：（ 1 ）不能用无条件方式；（ 2 ） 2个 ALE 不能相接。

涉及 2个问题：（ 1 ） 8路模拟信号通道选择；（ 2） A/D 转换完成后转换数据的传送。

ADC0809 的口地址： FEFFH；8 路模拟通道的地址： FEF8H～FEFFH。

IN0 ～ 7

AD0 ～ 7

ALE

INT

WR

P2.0

RD

D0 ～ 7

ADDABC

CLK

EOC

START

ALE

OE

≥1

1

MCS-51MCS-51

ADC0809ADC0809

8

3

≥1

A/D 转换程序：（延时等待方法）MOV DPTR，#0FEFFH ；ADC0809地址

MOV A，#00H ；选中 IN0

MOVX @DPTR，A ；启动 A/D 转换LCALL DELAY ；等待转换结束MOVX A，@DPTR ；读转换结果RET

不用接 EOC脚，采用定时传送方式。

例： P252 应用举例

初始化程序：（中断方式） MOV R0，#0A0H ；数据存储区首地址 MOV R2，#08H ； 8路计数器 SETB IT1 ；边沿触发方式 SETB EA ；中断允许 SETB EX1 ；允许外部中断 1 中断 MOV DPTR，#0FEF8H ；指向 ADC0809首

地址LOOP：MOVX @DPTR，A ；启动 A/D 转换HERE：SJMP HERE ；等待中断 DJNZ R2， LOOP ；巡回，未完继续

CLR EA ；结束，关中断 SJMP $ ；结束停止

设有一个 8 路模拟量输入的巡回检测系统，采样数据依次存放在外部 RAM 0A0H～ 0A7H 单元中， ADC0809 的 8个通道地址为 0FEF8H～0FEFFH。

中断服务程序：MOVX A，@DPTR ；读数MOVX @R0， A ；存数INC DPTR ；指向下一模拟通道INC R0 ；指向数据存储区下一单元RETI

C51 程序：#include<absacc.h>#include<reg51.h>#define uchar unsigned char#define IN0 XBYTE[0xFEF8] /* 设置 ADC0809 的通道 0 地址

*/sbit ad_busy=P3^3; /*即 EOC状态 */void ad0809(uchar idata * x) /*采样结果放指针中的 A/D采集函数

*/{ uchar i;

uchar xdata * ad_adr; ad_adr=&IN0; for(i=0;i<8;i++) /*处理 8 通道 */ { *ad_adr=0; /*启动转换 */

i=i; /* 延时等待 EOC 变低 */i=i;while(ad_busy==0); /*查询等待转换结束 */x[i]=*ad_adr; /* 存转换结果 */ad_adr++; /* 下一通道 */

}}void main(void){ static uchar idata ad[10];

ad0809(ad); /*采样ADC0809 通道的值 */}

三、 AD574A 与 MCS-51 单片机接口

80C51

AD574A逻辑控制真值表

1、D/A 转换原理、内部结构、信号输出形式 和主要技术指标。2、DAC0832 内部结构、管脚、 3 种工作方 法及其对应接口的特点、电路和应用程序。3、 A/D 转换原理和常用 ADC 芯片。4、 ADC0809 的内部结构及管脚、转换数据 传送方式及其对应接口图和程序。

小 结

应用举例：1 、用 8 位DAC 芯片组成双极性电压输出电路，其参考电

压为 -5V～+5V ，求对应以下偏移码的输出电压：①0100 0000 ②1111 1110

解： VOUT1=-VREF.

VOUT2=-(VREF+2VOUT1)

① VOUT1=-VREF. =-1.25V～+1.25V

VOUT2=-(VREF+2VOUT1) =-2.5V～+2.5V

② VOUT1=-VREF. =-4.96～+4.96V

VOUT2=-(VREF+2VOUT1) =-4.92V～+4.92V

256

254

256

D

256

64

2 、某 12位 A/D 转换器的输入电压为 0 ～+5V ，求出当输入模拟量为下列值时输出的数字量：

①1.25V ②3.75V

解：

①

②

12

)()(

2

5

2

n

REFREF VVq量化单位：

q

VVD

D

V inin

in .5

2

2

5 12

12数字量

HBq

D 400000100000000102425.1

即

HCBq

D 00001100000000307275.3

即

3 、某梯度炉温变化范围为 0 ～ 1600℃ ，经温度变送器输出电压为 1 ～ 5V ，再经ADC0809 转换， ADC0809 的输入范围为 0 ～ 5V ，试计算当采样数值为 9BH 时，所对应的梯度炉温是多少？

解： 9BH=155D

04.3255

155)05(0809 xAADC 的输入值

CAx

81615

104.31600,对应梯度炉温

（一）问答题（一）问答题

（二）填空题（二）填空题

（三）选择题（三）选择题

练 习 题