AT89S52单片机与DAC、ADC的接口 .ppt

1,第10章 AT89S52单片机与DAC、ADC的接口,1,2,2,第10章 AT89S52单片机与DAC、ADC的接口10.1 单片机扩展D/A转换器概述10.2 单片机扩展并行8位DAC0832的设计 10.2.1 DAC0832简介 10.2.2 单片机与8位D/A转换器0832的接口设计10.3 AT89S52单片机与12位D/A转换器AD667的接口设计 10.3.1 12位D/A转换器AD667简介 10.3.2 AD667与AT89S51单片机的接口设计 10.3.3 AD667使用中的技术细节10.4 AT89S51与串行输入的12位D/A转换器AD7543的接 口设计,3,10.4.1 AD7543简介 10.4.2 单片机扩展AD7543的接口设计10.5 单片机扩展A/D转换器概述10.6 单片机扩展并行8位A/D转换器ADC0809 10.6.1 ADC0809简介 10.6.2 单片机与ADC0809的接口设计10.7 AT89S52单片机扩展12位串行ADC-TLC2543的设计 10.7.1 TLC2543的特性及工作原理 10.7.2 单片机扩展TLC2543的设计10.8 AT89S52与双积分型A/D转换器MC14433的接口 10.8.1 MC14433 A/D转换器简介,4,10.8.2 单片机与MC14433的接口设计10.9 AT89S52单片机与V/F转换器的接口 10.9.1 用V/F转换器实现A/D转换的原理 10.9.2 常用V/F转换器LMX31简介 10.9.3 V/F转换器与单片机的接口设计 10.9.4 V/F转换的应用设计,5,内容概要 在单片机测控系统中，对非电物理量如温度、压力、流量等的测量，须经传感器先转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），然后再将模拟电信号转换成数字量后才能在单片机中进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为ADC（A/D转换器）。单片机处理完毕的数字量，有时要根据控制需求转换为模拟信号输出。数字量转换成模拟量的器件称为DAC（D/A转换器）。本章从应用的角度，介绍典型的ADC、DAC芯片与AT89S52单片机的接口设计。,6,10.1 单片机扩展D/A转换器概述单片机只能输出数字量，但是对于某些控制场合，常常需要输出模拟量，例如直流电动机的转速控制。下面介绍单片机如何扩展DAC。目前集成化的DAC芯片种类繁多，设计者只需要合理选用芯片，了解它们的性能、引脚外特性以及与单片机的接口设计方法即可。由于现在部分单片机芯片中集成了DAC，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。而低端的并行8位DAC，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，低端8位DAC以其优异的性价比还是具有较大的应用空间。,6,7,1D/A转换器简介 购买和使用D/A转换器时，要注意有关D/A转换器选择的几个问题。（1）D/A转换器的输出形式 D/A转换器有两种输出形式：电压输出和电流输出。电流输出的D/A转换器在输出端加一个运算放大器构成的I-V转换电路，即可转换为电压输出。（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位的并行传输的接口，现在除了并行接口外，带有串行口的D/A转换器品种也不断增多，目前多采用较为流行SPI串行接口。在选择单片D/A,7,8,转换器时，要根据系统结构考虑单片机与D/A转换器的接口形式。2主要技术指标D/A转换器的指标很多，设计者最关心的几个指标如下。（1）分辨率 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,9,量的位数表示。显然，二进制位数越多，分辨率越高，即D/A转换器输出对输入数字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10V/256=39.1mV，即输入的二进制数最低位数字量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,9,10,16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。（2）建立时间 建立时间是描述D/A转换器转换速度的参数，用于表明转换时间长短。其值为从输入数字量到输出达到终值误差(1/2)LSB（最低有效位）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转换的时间，因此建立时间要长一些。快速D/A转换器的建立时间可控制在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误差，严格地讲，转换精度与分辨率并不完全一致。两个相同位数的不同的DAC，分辨率则相同，但转换精度会有所不同。例如，由于制作工艺上的差异，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%。10.2 单片机扩展并行8位DAC0832的设计 美国国家半导体公司的DAC0832芯片是具有两级输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与AT89S52单片机连接。,11,12,10.2.1 DAC0832简介1DAC0832芯片介绍（1）DAC0832的特性其主要特性如下。分辨率为8位。电流输出，建立时间为1s。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）。（2）DAC0832的引脚及逻辑结构 DAC0832的引脚如图10-1所示，DAC0832的片内逻辑结构如图10-2所示。,12,13,13,图10-1 DAC0832的引脚,14,图10-2 DAC0832的逻辑结构,15,各引脚的功能如下。DI0DI7：8位数字信号输入端，与单片机的数据总线P0端口相连，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。ILE=1，CS*=0，WR1*=0时，即M1=1（LE1*=0），待转换的数字量被锁存到第一级“8位输入寄存器”中。XFER*=0，WR2*=0时，即M3=1（LE2*=0），待转换的第一级8位输入寄存器中数字量被锁存到第二级的“8位DAC寄存器”中，并经“8位D/A转换电路”转换为电流输出。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。,15,16,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。DGND：数字信号地。AGND：模拟信号地，最好与基准电压（为模拟信号）共地。DAC0832内部的三部分电路如图10-2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LE1*=0（M1=1）加以控制；“8位DAC寄存器”为第二级寄存器，由LE2*=0（M3=1）控制，用于将“8位输入寄,16,17,存器”输出的数字量锁存，并送入“8位D/A转换电路”转换，输出和数字量成正比的模拟电流。因此，DAC0832通常需要外接I-V转换的运算放大器电路，才能得到模拟输出电压。10.2.2 AT89S52单片机与8位D/A转换器0832的接口设计 设计AT89S52单片机与DAC0832的接口电路时，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 单缓冲方式是指DAC0832内部的两个寄存器有一个处于直通方式，另一个处于受AT89S52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,18,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10-3所示。图10-3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德方程组可解得DAC0832输出电压vo与输入数字量B的关系为:,18,显然，DAC0832输出的模拟电压vo的绝对值与输入的数字量B以及基准电压VREF成正比，且B为0时，vo也为0，B为255时，vo为最大的绝对值输出，且不会大于VREF。,19,图10-3 单缓冲方式下AT89S52单片机与DAC0832的接口电路,20,20,图10-3中，DAC0832的WR2*和XFER*接地，故DAC0832第二级的“8位DAC寄存器”（见图10-2）工作于直通方式。“8位输入寄存器”受和端控制（ILE已经为高），而且由译码器输入为FEH时，输出端为低来控制（也可由P2口的某一条口线来控制）。因此，AT89S51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接收单片机送来的数字量。,21,21,MOVR0，#0FEH；DAC的8位输入寄存器端口地址FEHR0MOVXR0，A；AT89S51单片机将待转换的数字量送DAC，；且和译码器FEH输出端有效现举例说明单缓冲方式下DAC0832的应用。【例10-1】DAC0832用作波形发生器。试根据图10-3的电路，分别写出产生锯齿波、三角波和矩形波的程序段。在图10-3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。,22,锯齿波的产生 ORG2000HSTART：MOVR0，#0FEH；DAC地址FEH R0MOVA，#00H；数字量ALOOP：MOVXR0，A；数字量D/A转换器 INCA；数字量逐次加1SJMP LOOP,22,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10-4所示。,23,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。,23,图10-4 DAC0832产生的锯齿波输出,24,三角波的产生 输出的三角波如图11-5所示。,24,图11-5 DAC0832产生的三角波输出,参考程序如下。,25,25,vO,矩形波的产生 输出的矩形波如图10-6所示。,26,图10-6 DAC0832产生的矩形波输出,27,输出的矩形波如图10-6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。,27,28,（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LE1*来锁存待转换的数字量，通过LE2*来启动D/A转换（见图10-2）。因此，双缓冲方式下，DAC0832应该为单片机提供两个I/O端口。AT89S52单片机和DAC0832在双缓冲方式下的连接如图10-7所示。,28,29,29,图10-7 单片机和两片DAC0832的双缓冲方式接口电路,30,由图10-7可见，译码器的FDH（即译码器输入为FDH时）和FEH分别为1#与2#DAC0832的第一级“8位输入寄存器”的端口地址，而FFH共同控制1#和2#DAC0832进行D/A转换的第二级“8位DAC寄存器”端口地址。若把图10-7中DAC输出的模拟电压Vx和Vy来控制X-Y绘图仪，则应把Vx和Vy分别加到X-Y绘图仪的X通道和Y通道，而X-Y绘图仪由X、Y两个方向的步进电机驱动，其中一个电机控制绘笔沿X方向运动；另一个电机控制绘笔沿Y方向运动。因此对X-Y绘图仪的控制有一基本要求：就是两路模拟信号,30,31,要同步输出，使绘制的曲线光滑。如果不同步输出，例如先输出X通道的模拟电压，再输出Y通道的模拟电压，则绘图笔先向X方向移动，再向Y方向移动，此时绘制的曲线就是阶梯状的。通过本例，也就不难理解为什么DAC设置双缓冲方式的目的所在。【例10-2】设AT89S52单片机内部RAM中有两个长度为20的数据块，其起始地址为分别为addr1和addr2，根据图10-7，编写把addr1和addrr2中的数据从1#和2#DAC0832同步输出的程序。程序中addr1和addr2中的数据，即为绘图仪所绘制曲线的x、y坐标点。,32,由图10-7可知，DAC0832各端口地址为：FDH：1#DAC0832第一级“8位输入寄存器”的端口地址FEH：2#DAC0832第一级“8位输入寄存器”的端口地址FFH：1#和2#DAC0832共同的第二级“8位DAC寄存器”端口地址 程序首先使单片机工作寄存器0区的R1指向addr1；1区的R1指向addr2；0区工作寄存器的R2存放数据块长度；0区和1区工作寄存器区的R0指向DAC端口地址。参考程序如下：,32,33,33,34,34,3DAC0832的双极性的电压输出 除了需要DAC0832为单极性模拟电压输出外，在有些场合则要求DAC0832双极性模拟电压输出，只需改变DAC0832的外部连线，即可实现双极性模拟电压输出，下面简单介绍。,35,在需要双极性电压输出的场合下，可以按照图10-8所示接线。图中，DAC0832 的8位数字量由单片机送来，A1和A2均为运算放大器，vo通过2R电阻反馈到运算放大器A2 的“-”输入端，G点为虚拟地，其他的电路连接如图10-8所示。由基尔霍夫定律列出的方程组可解得：,35,图10-8 双极性DAC的接法,36,36,由上式可知，当单片机输出给DAC0832的数字量B128时，即数字量最高位b7为“1”，输出的模拟电压vo为正；当单片机输出给DAC0832的数字量B128时，即数字量最高位为“0”，则vo的输出电压为负。,37,10.3 AT89S52单片机与12位D/A转换器AD667的接口设计 当8位DAC分辨率不够时，可采用高于8位分辨率的DAC，例如，10位、12位、14位和16位（例如AD669）的DAC。AD667是一种分辨率为12位的并行输入、为双缓冲输入，电压输出型D/A转换器，建立时间3s；通过改变片外引脚的连接连接，可输出模拟电压+5V、+10V、2.5V、5V和10V；内含高稳定的基准电压源，可方便地与4位、8位或16位微处理器接口；双电源工作电压为12V15V。,37,38,10.3.1 12位D/A转换器AD667简介1引脚介绍 AD667为标准28脚双列直插式封装，图10-9所示为双列直插式封装引脚图。,39,39,图10-9 AD667引脚图,40,40,表10-1为AD667的引脚功能说明,41,2.内部功能结构 图10-10所示为AD667内部功能结构框图。,41,图10-10 AD667内部功能结构框图,42,AD667的总线接口逻辑由4个独立的可寻址锁存器组成，其中第一级锁存器由3个4位的锁存器组成，第二级锁存器为1个“12位DAC锁存器”，可以直接从4位、8位或16位微处理器总线分一次或几次加载12位数字量；一旦数字量被装入第一级的12位（3个4位）输入数据锁存器，就可以控制把12位数字量一次送入第二级的“12位DAC锁存器”并输出，这种双缓冲结构可以避免仅一级寄存器时，3个4位锁存器的不同步的输入，而产生错误的“毛刺”模拟量输出。4个锁存器由4个地址输入A0A3以及共同控制，所有的控制信号都是低电平有效，对应关系如表10-2所示。,42,43,43,44,10.3.2 AD667与AT89S52单片机的接口设计【例10-3】图10-11为AT89S51单片机与AD667的接口电路。,44,图10-11 AD667与AT89S52单片机的接口电路,45,单片机把AD667所占的3个端口地址（第一级的低4位和中4位锁存器，高4位锁存器，第二级的12位锁存器）视为外部数据存储器的3个单元，对其进行选通，完成对AD667数据传送锁存及转换的功能。假定低8位数据存于20H单元，高4位数据存入21H的低4位，实现D/A转换的参考程序段：,45,46,上述程序中，待转换的12位数字量中的低8位数据，高4位数据已经被存于片内RAM的20H单元和21H的低4位。10.3.3 AD667使用中的技术细节D/A转换器AD667配置灵活、性价比高，在实际使用中，有关的技术细节，还是需要了解并掌握的。1.模拟电压输出范围的配置AD667通过片外引脚的不同电路连接，可获得不同的输出电压量程范围。单极性工作时，可以获得05V和010V的电压。双极性工作时，可获得2.5V、5V和10V的电压。具体量程配置可由引脚1、2、3、9的不同连接实现，如表10-3,46,47,48,所示。由于AD667内置的量程电阻与其他元器件具有热跟踪性能，所以AD667的增益和偏置漂移非常小。（1）单极性电压输出 图10-12为010V单极性电压输出电路原理图。a.电路调零 在电路运行之前，为保证转换精度，首先要进行电路调零和增益调节。数字输入量全为“0”时，调节50k电位器RP1，使其模拟电压输出端（VOUT）电压为0.000V。在大多数情况下，并不需要调零，只要把脚4与脚5相连（接地）即可。,49,图10-12 010V单极性电压输出的电路原理图,50,b增益调节 数字输入量全为“1”时，调节100电位器RP2，使其模拟电压输出为9.9976V，即满量程的10.000V减去1LSB（约为2.44mV）所对应的模拟输出量。（2）双极性电压输出 图10-13所示为-5V+5V双极性电压输出的电路图。建议任何未使用的数据和控制引脚最好与电源地相连，以改善抗噪声干扰特性。AD667使用正逻辑的二进制输入编码，大于2.0V的输入电压表示逻辑“1”，而小于0.8V的输入电压表示逻辑“0”。单极性输出时，输入编码采用直接二进制编码，全“0”数据输入000H产生零模拟输出；全“1”数据输入FFFH产生比满量程少1LSB的模拟输出。,50,51,图10-13 5V双极性电压输出电路原理图,52,双极性输出时，输入编码采用偏移二进制编码，数据输入为000H时，产生负的满量程输出；数据输入为FFFH时，产生比满量程少1LSB的模拟输出；数据输入为800H时，模拟输出为0。其中1LSB为最低位对应的模拟电压。双极性输出时输入与输出关系如图10-14所示。,52,图10-14 双极性输出与输入关系,53,输入数字量N与输出模拟电压VOUT的关系为式中，VR为输出电压量程。在电路运行之前，为保证转换精度，首先要进行偏置调节和增益调节。a偏置调节 数字输入量全为“0”时，调节100的电位器RP1，使其模拟电压输出端电压为5.000V。b增益调节 数字输入量全为“1”时，调节100电位器RP2，使其模拟输出电压值为4.9976V，即正满量程电压输出5.000V减去1LSB（约为2.44mV）所对应的模拟输出量。,54,2.内部/外部基准电压源的使用AD667有内置低噪声基准电源，其绝对精度和温度系数都是通过激光修正的，具有长期的稳定性。片内基准电源可提供片内D/A转换器所需的基准电流，还可通过缓冲电路驱动外部电路，一般可向外部负载提供0.1mA的驱动电流。3.接地与动态电容的接法AD667把模拟地AGND与电源地PGND分开，可以减少器件的低频噪声和增强高速性能。把地回路分开的目的是为了尽量减少低电平信号路径中的电流。AGND是输出放大器中的地端，应与系统中的模拟输出电压基准地直接相连，任何由,55,输出放大器驱动的负载都应该接在模拟地引脚上。电源地PGND可以与模拟电源的接地点就近连接。最后AGND与PGND在一点上进行连接，一般连接到电源地PGND上。另外，AD667的电源引脚到模拟地引脚间应加上适当的去耦电容。在输出放大器反馈电阻两端加一个20pF的小电容，可以明显改善输出放大器的动态性能。,56,10.4 AT89S51与串行输入的12位D/A转换器AD7543的接口设计10.4.1 AD7543简介 AD7543是美国AD公司的专为通用异步串行口（UART）设计的12位价廉的D/A转换器。AD7543可直接与AT89S52的串行口相连，其内部结构如图10-15所示。AD7543片内由12位串行输入并行输出移位寄存器（寄存器A）和12位DAC输入寄存器（寄存器B）组成。在选通信号的前沿或后沿（可选择）定时把SRI引脚上的串行数据装入寄存器A，一旦寄存器A装满，在加载脉冲的控制下，寄存器A的数据,56,57,57,图10-15 AD7543的片内结构,58,便装入寄存器B中，并转换为模拟量输出。AD7543的DIP封装形式的引脚如图10-16所示。,58,图10-16 AD7543的引脚,59,59,各引脚功能如下:OUT1：AD7543的电流输出引脚1。OUT2：AD7543的电流输出引脚2。AGND：模拟地。STB1、STB2、STB*、STB4：寄存器A的4个选通控制信号。LD1*、LD2*：寄存器B加载1与加载2输入。当LD1*和LD2*为低电平时，寄存器A的内容送到寄存器B。SRI：单片机输入到寄存器A的串行数据输入引脚。DGND：数字地。CLR*：寄存器B清除输入，用于异步地将寄存器B复位至000H。VDD：+5V电源。,60,各引脚功能如下:OUT1：AD7543的电流输出引脚1。OUT2：AD7543的电流输出引脚2。AGND：模拟地。STB1、STB2、STB*、STB4：寄存器A的4个选通控制信号。LD1*、LD2*：寄存器B加载1与加载2输入。当LD1*和LD2*为低电平时，寄存器A的内容送到寄存器B。SRI：单片机输入到寄存器A的串行数据输入引脚。DGND：数字地。CLR*：寄存器B清除输入，用于异步地将寄存器B复位至000H。VDD：+5V电源。VREF：基准电压输入。Rfb：DAC反馈电阻输入引脚。,61,10.4.2 AT89S52扩展AD7543的接口设计【例10-4】AT89S52与AD7543的接口电路如图10-17所示。,61,图10-17 AD7543与AT89S51的接口电路,62,图10-17中的单片机串行口直接与AD7543相连，串行口选用方式0，其TXD端移位脉冲的负跳变将RXD输出的串行位数据移入AD7543，利用地址译码器的输出信号产生，从而将AD7543移位寄存器A中的内容移入到寄存器B中，并启动D/A转换。由于AD7543的12位数据是高至低逐位串行输入的，而AT89S52的串行口方式0是低至高逐位串行输出的，因此在数据传输到AD7543之前必须重新装配。下面是单片机的驱动程序，假设AD7543的端口地址为“addrH”，数据缓冲器单元地址为dbufh(高4位)和dbufl(低8位)。,62,63,63,64,10.5 单片机扩展A/D转换器概述 A/D转换器（ADC）把模拟量转换成数字量，单片机才能进行数据处理。随着超大规模集成电路技术的飞速发展，大量结构不同、性能各异的A/D转换芯片应运而生。1A/D转换器简介 目前单片ADC芯片较多，对设计者来说，只需合理的选择芯片即可。现在部分的单片机片内也集成了A/D转换器，位数为8位、10位或12位，且转换速度也很快，但是在片内A/D转换器不能满足需要的情况下，还是需要外扩。因此，作为外部扩展A/D转换器的基本方法，还是应当掌握。尽管A/D转换器的种类很多，但目前广泛应用在单片机应用,64,65,系统中的主要有逐次比较型转换器和双积分型转换器，此外-式转换器也逐渐得到重视和应用。逐次比较型A/D转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的A/D转换器。双积分型A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，与逐次比较型A/D转换器相比，转换速度较慢，近年来在单片机应用领域中已得到广泛应用。-式ADC具有积分式与逐次比较型ADC的双重优点。它对工业现场的串模干扰具有较强的抑制能力，不亚于双积分ADC，它比双积分ADC有较高的转换速度，与逐次比较型ADC相比，有较高的信噪比，分辨率高，线性度好。由于上述,66,优点，-式ADC也逐渐得到重视，已有多种-式A/D芯片可供用户选用。A/D转换器按照输出数字量的有效位数分为4位、8位、10位、12位、14位、16位并行输出以及BCD码输出的位、位、位等多种。目前，除了并行的A/D转换器外，带有同步SPI串行接口的A/D转换器的使用也逐渐增多。串行接口的A/D转换器具有占用单片机的端口线少、使用方便、接口简单等优点，已经得到广泛的使用。较为典型的串行A/D转换器为美国TI公司的TLC549（8位）、TLC1549（10位）以及TLC1543（10位）和TLC2543（12位）等。,66,67,A/D转换器按照转换速度可大致分为超高速（转换时间1ns）、高速（转换时间1s）、中速（转换时间1ms）、低速（转换时间1s）等几种不同转换速度的芯片。目前许多新型的A/D转换器已将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二/十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内，为用户提供了极大方便。2A/D转换器的主要技术指标（1）转换时间或转换速率。转换时间是指A/D转换器完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。（2）分辨率。分辨率是衡量A/D转换器能够分辨出输入模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率取决于A/D转换器的位数，所以,67,68,习惯上用输出的二进制位数表示。例如，某型号A/D转换器的满量程输入电压为5V，可输出12位二进制数，即用212个数进行量化，分辨能力为1LSB，即5V/212=1.22mV，其分辨率为12位，或能分辨出输入电压1.22mV的变化。但是对于双积分型BCD码输出的A/D转换器MC14433，其满量程转换电压为2V档时，其输出的十进制数范围为00001999，能分辨出1mv的变化。如果把分辨率换算成二进制位数表示，位的A/D转换器（千位仅有0和1两个十进制数字，称其为半位，而百、十、个位均可能有10个十进制数字09出现，为完整的位，所以称其为三位半），其分辨率大约为11位，因为1999最接近于211=2048。,68,69,量化过程引起的误差称为量化误差。量化误差是由于有限位数字量对模拟量进行量化而引起的误差。量化误差理论上规定为一个单位分辨率的 1/2LSB，提高A/D转换器的位数既可提高分辨率，又能够减少量化误差。（3）转换精度。定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，可用绝对误差或相对误差表示。要注意一个问题，两片具有相同位数的A/D转换器，它们的转换精度未必相同。,69,70,10.6 单片机扩展并行8位A/D转换器ADC0809 10.6.1 ADC0809简介1ADC0809功能及引脚 ADC0809是一种逐次比较型8路模拟输入、8位数字量并行输出的A/D转换器，其引脚见图10-18。,70,71,71,图10-18 ADC0809的引脚图,72,共28引脚，双列直插式封装。引脚功能如下：IN0IN7：8路模拟信号输入端。D0D7：转换完毕的8位数字量输出端。A、B、C与ALE：控制8路模拟输入通道的切换。A、B、C分别与单片机的三条地址线相连，三位编码对应8个通道地址端口。C、B、A=000111分别对应IN0IN7通道的地址。各路模拟输入之间切换由软件改变C、B、A引脚的编码来实现。OE、START、CLK：OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。VR（+）、VR（）：基准电压输入端。,72,73,2ADC0809结构及转换原理 结构如图10-19所示。采用逐次比较法完成A/D转换，单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8选1模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道。完成一次转换需100s左右（转换时间与CLK脚的时钟频率有关），具有输出TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对05V的模拟信号进行转换。,73,74,74,图10-19 ADC0809结构框图,75,10.6.2AT89S52单片机与ADC0809的接口设计 先了解单片机如何控制ADC开始转换，如何得知转换结束以及如何读入转换结果的问题。单片机读取ADC的转换结果时，可采用查询和中断控制两种方式。查询方式是在单片机把启动信号送到ADC之后，执行其他程序，同时对ADC0809的EOC脚不断进行检测，以查询ADC变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。中断控制方式是在启动信号送到ADC之后，单片机执行,75,76,其他程序。ADC0809转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换完毕的数据。中断控制方式效率高，所以特别适合于转换时间较长的ADC。1.查询方式【例10-5】单片机采用查询方式控制ADC0809进行A/D转换的接口设计与软件编程。ADC0809与单片机的查询方式接口电路如图10-20所示。,76,77,77,图10-20 ADC0809与AT89S52查询式接口,78,图10-20所示的基准电压是提供给A/D转换器在转换时所需要的基准电压，这是保证转换精度的基本条件。基准电压要单独用高精度稳压电源供给，其电压的变化要小于1LSB。否则当被变换的输入电压不变，而基准电压的变化大于1LSB，也会引起A/D转换器输出的数字量变化。由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE引脚的频率是AT89S51单片机时钟频率的1/6（但要注意，每当访问外部数据存储器时，将少一个ALE脉冲）。如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE引脚的输出频率为1MHz，再二分频后,78,79,为500kHz，符合ADC0809对时钟频率的要求。当然，也可采用独立的时钟源输出，直接加到ADC的CLK脚。由于ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚D0D7可直接与单片机的P0口相连。地址译码引脚C、B、A分别与地址总线的低三位A2、A1、A0相连，以选通IN0IN7中的一个通道。,79,80,在启动A/D转换时，由单片机的写信号WR*和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号 和P2.7引脚经一级“或非门”后产生的正脉冲作为OE信号，用来打开三态输出锁存器。下面的程序是采用软件延时的方式，分别对8路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果转储到数据存储区的转换程序。,80,81,81,82,2.中断方式 ADC0809与AT89S52单片机的中断方式接口电路只需要将图10-20所示的EOC引脚经过一“反门”连接到AT89S52单片机的外中断输入引脚INT1*即可。采用中断方式可大大节省单片机的时间。当转换结束时，发出EOC脉冲向单片机提出中断申请，单片机响应中断请求，由外部中断1的中断服务程序读A/D结果，并启动ADC0809的下一次转换，外部中断1采用跳沿触发方式。参考程序：,82,83,83,84,10.7 AT89S51扩展12位串行ADC-TLC2543的设计 TLC2543是美国TI公司分辨率为12位的串行SPI接口的A/D转换器，转换时间为10s。TLC2543用4根线与单片机进行串行通信，这4根线分别是片选信号、I/O时钟、串行数据输入、串行数据输出。采用SPI接口的特点是快速、高效，操作起来比I2C要简单一些。由于TLC2543与单片机的接口电路简单，且价格适中，分辨率较高，因此在智能仪器仪表中有着较为广泛的应用。与TLC2543类似的串行SPI接口的A/D转换器还有：TLC1549（10位，转换时间21s）与TLC549（8位，转换时间17s）,85,10.7.1 TLC2543的特性及工作原理 TLC2543片内有1个14路模拟开关，用来选择11路模拟输入以及3路内部测试电压中的1路进行采样。为了保证测量结果的准确性，该器件具有3路内置自测试方式，可分别测试“REF+”正基准电压值，“REF-”负基准电压值和“REF+/2”的值，TLC2543的模拟量输入范围为REF+REF-，一般的输入模拟量变化范围为0+5V，所以此时REF+脚接+5V，REF-脚接地。,86,1.TLC2543的引脚 TLC2543的引脚见图10-21，各引脚功能如下。AIN0AIN10：11路模拟量输入端。CS*：片选端。DATAINPUT：串行数据输入端。由4位的串行地址输入来选择模拟量输入通道。DATA OUT：A/D转换结果的三态串行输出端。为高时处于高阻抗状态，为低时处于转换结果输出状态。EOC：转换结束端。I/O CLOCK：I/O时钟端。,87,图10-21 TLC2543引脚,88,REF+：正基准电压端。基准电压的正端（通常为Vcc）被加到REF+，最大的输入电压范围为加在本引脚与REF-引脚的电压差。REF-：负基准电压端。基准电压低端（通常为地）加此端。Vcc：电源。GND：地。,89,2.TLC2543工作过程 工作过程分为两个周期：I/O周期和实际转换周期。（1）I/O周期 I/O周期由外部提供的I/O CLOCK定义，延续8、12或16个时钟周期，取决于选定的输出数据长度。器件进入I/O周期后同时进行两种操作。TLC2543的工作时序如图10-22所示。在I/OCLOCK的前8个脉冲的上升沿，以MSB前导方式从DATAINPUT端输入8位数据到输入寄存器。其中前4位为模拟通道地址，控制14通道模拟多路器从11个模拟输入和3个内部自测电压中，选通1路,90,图10-22 TLC2543的工作时序,91,到采样保持器，该电路从第4个I/OCLOCK脉冲下降沿开始，对所选的信号进行采样，直到最后一个I/O CLOCK脉冲下降沿。I/O脉冲时钟个数与输出数据长度（位数）有关，输出数据的长度由输入数据的D3、D2可选择为8位、12位或16位。当工作于12位或16位时，在前8个脉冲之后，DATAINPUT无效。在DATA OUT端串行输出8位、12位或16位数据。当 保持为低时，第1个数据出现在EOC的上升沿，若转换由 控制，则第1个输出数据发生在 的下降沿。这个数据是前1次转换的结果，在第1个输出数据位之后的每个后续位均由后续的I/OCLOCK脉冲下降沿输出。,92,（2）转换周期 在I/O周期最后一I/OCLOCK脉冲下降沿后，EOC变低，采样值保持不变，转换周期开始，片内转换器对采样值进行逐次逼近式A/D转换，其工作由与I/OCLOCK同步的内部时钟控制。转换结束后EOC变高，转换结果锁存在输出数据寄存器中，待下一I/O周期输出。I/O周期和转换周期交替进行，从而可减少外部的数字噪声对转换精度影响。,93,3.TLC2543命令字 每次转换都必须向TLC2543写入命令字，以便确定被转换信号来自哪个通道，转换结果用多少位输出，输出的顺序是高位在前还是低位在前，输出结果是有符号数还是无符号数。命令字写入顺序是高位在前，格式如下：（1）通道地址选择位用来选择输入通道。00001010分别是11路模拟量AIN0AIN10的地址；地址1011、1100和1101所选择的自测试电压分别是（VREF+）-（VREF-）/2、VREF-、VREF+。1110是掉电地址，选,94,掉电后，TLC2543处于休眠状态，此时电流小于20A。（2）数据长度（D3D2）位用来选择转换的结果用多少位输出。D3D2为0：12位输出；D3D2为01：8位输出；D3D2为11：16位输出。（3）数据的顺序位（D1）用来选择数据输出的顺序。D1=0，高位在前；D1=1，低位在前。（4）数据的极性位（D