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1、第09章 单片机应用系统中的模拟量输入与输出,9.1 A/D转换 9.1.1 并行A/D转换 9.1.2 串行A/D转换 9.2 D/A转换 9.3 直流电机控制 9.4 全自动洗衣机水量控制Proteus仿真,具有模/数转换器和数/模转换器的单片机应用系统。,概 述,模拟信号：在时间上和数值上连续的信号。,数字信号：在时间上和数值上不连续的（即离散的）信号。,u,u,模拟信号波形,数字信号波形,t,t,A/D转换器的基本原理,1、模拟信号和数字信号,A/D变换,模数转换则是将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。实现这种转换功能的电路称为模数转换器（ADC）。,2、模数
2、转换概述,典型数字控制系统框图,A/D转换器的基本原理,模拟电子开关S在采样脉冲CLKS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。,3、A/D转换器的基本原理,显然，模数转换一般要分采样、保持、量化和编码四个步骤进行。,A/D转换器的基本原理,采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程，就是把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。,1) 采样、保持,ut,t,s(t),t,ts,tw,s(t),t,采样
3、电路示意图,采样信号,采样 脉冲,输入模拟信号,采样保持信号,采样脉冲的频率fs(1/Ts)越高，采样越密，采样值就越多，其取样信号vs的包络线就越接近于输入模拟信号的波形。 采样定理：为了能不失真地恢复原模拟信号，采样频率应不小于输人模拟信号频谱中最高频率的两倍，即 fs2fimax。,A/D转换器的基本原理,2）采样-保持电路：,由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压值在一段时间内不变，直到下一次采样开始。这就要在采样后加上保持电路，实际采样-保持是做成一个电路。,量化、编码电路也要由取样脉冲S(t)控制，使它分别在 t1-t5时刻开始对Vo转换，也就是在保持时
4、间内(Ts-tw)内完成量化和编码。,A/D转换器的基本原理,经过采样和保持而抽取的电压值仍然属模拟量的范畴，由于任何一个数字量的大小只能是某个最小数量单位(1LSB)的整数倍，因此用数字量表示取样电压值时，先要把其采样电压化为最小单位的整数倍。,3）量化和编码,量化：,所取得的最小单位，用表示， 1LSB。,量化单位,把量化后的电压值再转化成对应的代码，如二进制、十进制码等的过程。,编码：,量化,编码,A/D转换器的基本原理,电路组成,二、逐次逼近型模数转换器,电压比较器：将输入的电压信号UI与UR 进行比较，当UIUR 时，输出C01(C0=0)；当UIUR 时，输出C00 (C0 =1)
5、 ； C0和C0 分别连接各个边沿JK触发器的J、K端。,4位脉冲发生器：用它来产生4各的负向节拍脉冲CLK0-CLK3；用这4个节拍脉冲来控制其他电路完成逐次比较。 该发生器通常由4位环形计数器构成。,JK触发器：作用是在4个的负向节拍脉冲CP0-CP3=0的推动下，记忆每次比较的结果，并向DAC提供输入数码。,3D存储器：作用是在节拍脉冲的触发下，记忆最后的比较结果，并行输出二进制代码。,d2,d0,d1,A/D转换器的基本原理,工作原理,DAC输出的比较电压,d2,d0,d1,A/D转换器的基本原理,逐次逼近型ADC,A/D转换器的基本原理,相对精度是指A/D转换器实际输出数字量与理论输
6、出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。如相对精度不大于(1/2)LSB，就说明实际输出数字量与理论输出数字量的最大误差不超过(1/2)LSB。,三、A/D转换器的主要技术指标,1、分辨率,A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V(28-1)20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。,2、相对精度,A/D转换器的基本原理,转换速度是指A/D转换器完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳
7、定的数字输出信号所经过的这段时间。,3、转换速度,A/D转换器的基本原理,A/D转换器的主要类型,（1）双积分型A/D转换器 特点：电路简单、抗干扰能力强、精度高、速度慢。,（2）逐次逼近型A/D转换器 特点：转换速度快、分辨率高、抗干扰能力差。,A/D转换器的基本原理,CLOCK:101280KHz,9.1 A/D转换原理与接口,1ADC0809芯片简介,28只引脚,ADC0809逐次比较型模数转换芯片,分辨率为位 转换时间00S 工作量程为05V 功耗为15m 工作电压为+5V 具有锁存控制的8路模拟开关 输出与TTL电平兼容,8路模拟输入信号用三根地址线A,B,C选通IN0IN7； 引脚
8、START启动AD转换，CLK转换节拍，VR参考电压，EOC结束标志， OE输出使能，ALE地址锁存使能,ADC0809结构 : 模拟开关/ 地址译码器/ADC/ 输出锁存器,第8章 单片机接口技术,工作时序,控制逻辑,ALE产生正脉冲，锁存ADDA、ADDB、ADDC通道选通端数据，通过内部地址译码，选通对应通道,START端口输入正脉冲信号，信号的上升沿清除内部寄存器数据，下降沿启动AD转换；,AD转换启动后，EOC从高电平变成低电平，在AD转换过程中，EOC保持低电平，转换结束，EOC从低变成高电平。,向OE引脚输入正脉冲，打开三态输出锁存器，内部数据输出到D0D7数据总线；,第8章 单
9、片机接口技术,实例5：用查询法实现0通道信号采集，结果以16进制显示,A、B、C三个地址线均接地选通0通道,ST（ALE）、EOC、OE分别接IO端口,CLOCK接虚拟信号发生器（5KHz）,第8章 单片机接口技术,2、ADC0832,ADC0832是8引脚双列直插式双通道A/D转换器。 5V电源供电，输入电压在05V之间，工作频率为250KHZ，转换时间为32S，一般功耗仅为15mW,图8-3 ADC0832引脚,ADC0832引脚功能如下： 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND 芯片参考0 电位（
10、地）。 DI 数据信号输入，选择通道控制。 DO 数据信号输出，转换数据输出。 CLK 芯片时钟输入。 Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。,DI端使用DI端选择的输入通道。在第1个时钟脉冲的下降沿之前DI端必须是高电平，表示启动信号。在第2、3个脉冲的下降沿之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。 当DI依次输入为1、0时，只对CH0 进行单通道转换。 当DI依次输入为1、1时，只对CH1进行单通道转换。 当DI依次输入为0、0时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。 当DI依次输入为0、1时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行
11、输入。 作为单通道模拟信号输入时，ADC0832的输入电压Vi的范围是05V。当输入电压Vi=0时，转换后的值VAL=0x00；而当Vi=5V时，转换后的值VAL=0Xff,即十进制数的255。所以转换后的输出值（数字量D）为: V 式中，D为转换后的数字量；V为输入的模拟电压。,9.1.2 ADC0809与单片机的接口,8路模拟量输入的巡回检测系统，使用中断方式采样数据，把采样转换所得的数字量按序存于片内RAM的30H37H单元中。采样完一遍后停止采集。,汇编参考程序： ORG 0000H ; 上电后程序从00000H开始 LJMP START ;转移到主程序 ORG 000BH ;定时器T
12、0的中断入口地址 LJMP INTT0 ;转到中断子程序 ORG 0100H ; 主程序从0100H开始 START: MOV R0,#30H ;设立数据存储区指针 MOV R2,#08H ;设置8路采样计数值 SETB IT0 ;设置外部中断0为边沿触发方式 SETB EA ;CPU开放中断 SETB EX0 ;允许外部中断0中断 MOV DPTR,#0FEF8H ;送入口地址并指向IN0 LOOP: MOVX DPTR,A ;启动A/D转换，A的值无意义 HERE: SJMP HERE ;等待中断,中断服务程序： INTT0: MOVX A,DPTR ;读取转换后的数字量 MOV R0,A
13、 ;存入片内RAM单元 INC DPTR ;指向下一模拟通道 INC R0 ;指向下一个数据存储单元 DJNZ R2,INT ;8路未转换完，则继续 CLR EA ;已转换完，则关中断 CLR EX0 ;禁止外部中断0中断 RETI ;中断返回 INT: MOVX DPTR,A ;再次启动A/D转换 RETI ;中断返回 END,用查询方式实现转换，参考程序如下： ORG 0000H ;主程序入口地址 LJMP MAIN ;跳转主程序 ORG 1000H MAIN: MOV R0, #30H MOV R2, #08H MOV DPTR, #0FEF8H MOV A, #00H L0: MOVX
14、 DPTR, A L1: JB P3.3 , L1 ;查询/INT1是否为0 MOVX A, DPTR ;/INT1为0，则转换结束,读出数据 MOV R0, A INC R0 INC DPTR DJNZ R2, L0 SJMP $,9.1.3 ADC0832与单片机的接口,ADC0832的读时序,地址,时钟时序,第1个CLK下降沿，DI=1，开始 第2、3个CLK下降沿，DI输入通道选择编号 第4-11个CLK下降沿，DO输出转换数据,例2 设图8-6接口电路用于一个模拟量输入的检测系统。Ui为待转换的模拟输入电压，要求对Ui连续采样10次，每次采样值经串行A/D转换电路（ADC0832）转
15、换成数字量，并按顺序依次存于片内RAM的30H39H单元中。采样完10次后停止。 汇编语言数据采集串行A/D转换参考程序： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0100H MAIN：MOV R7,#0AH MOV R1,#30H L1: LCALL A_D ;调用将模拟信号转换成数字信号子程序A_D MOV R1,A INC R1 DJNZ R7,L1 SJMP $ END,A_D: MOV R7, #8 ;设循环次数 SETB P3.4 ; 置CS=1，一个转换周期开始 CLR P1.0 ;为第一个脉冲作准备 CLR P3.4 ; CS置0，片选有效 SETB P1.1 ; P1.1置1，规定的起始信号 SETB P1.0 ;第一个脉冲 CLR P1.0 ; 第一个脉冲的下降沿，此前P1.1必须是高电平 SETB P1.1 ; P1.1置1， 通道选择信号 SETB P1.0 ; 第二个脉冲，第2、3个脉冲下降之前，DI必须分别输入两位数据用于选择通道，这里选通道CH0 CLR P1.0 ; 第二个脉冲下降沿 CLR
