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1、MCS-51 单片机的系统扩展技术（五）单片机的系统扩展技术（五） 5 数模转换接口数模转换接口 在工作控制和智能化仪表中， 通常由微型计算机进行实时控制及实时数据处理。 计算机 所加工的信息总是数字量， 而被控制或测量对象的有关参量往往是连续变化的模拟量， 如温 度、速度、压力等等，与此对应的电信号是模拟电信号。计算机要处理这种信号，首先必须 将模拟量转换成数字量，这一转换过程就是“模数转换（A/D） ” 。 由计算机运算处理的结果（数字量）往往也需要转换为模拟量，以便控制对象，这一过 程即为“数模转换” （D/A） 。 A/D、D/A 转换技术发展极为迅速，目前常用的 A/D 或 D/A
2、芯片种类也非常多，本教 程介绍的是比较经典的一些芯片的用法，目的在于帮助读教掌握这类芯片接口的一般方法， 以及进一步理解数字系统和模拟系统的区别。当然，这些芯片本身也有一定的实用价值。 一、DAC 电路原理 D/A 转换是将数字量信号转换成模拟量信号的过程。D/A 转换的方法比较多，这里仅举 一种权电阻 D/A 转换法的方法，说明 D/A 转换的过程。 权电阻 D/A 转换电路实质上是一只反相求和放大器， 图 22 是 4 位二进制 D/A 转换的示 意图。电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器组成。 R2R4R8RRF+-基准电压位切换开关权电阻二进制输入模拟量输出运算放大器D3D2
3、D1D0图 22 D/A 转换的原理 权电阻的阻值按 8：4：2：1 的比例配置，按照运放的“虚地”原理，当开关 D3-D0 合 上时，流经各权电阻的电流分别是 VR/8R、VR/4R、VR/2R 和 VR/R。其中 VR为基准电压。 而这些电流是否存在则取决于开关的闭合状态。输出电压则是： VO=-（D3/R+D2/2R+D1/4R+D0/8R）VRRF 基中 D3-D0 是输入二进制的相应位，其取值根据通断分别为 0 或 1。显然，当 D3-D0 在 0000-1111 范围内变化时，输出电压也随这发生变化，这样，数字量的变化就转化成了电 压（模拟量）的变化了。这里，由于仅有 4 位开关，
4、所以这种变化是很粗糙的，从输出电压 为 0 到输出电压为最高值仅有 16 档。显然，增加开关的个数和权电阻的个数，可以将电压 的变化分得更细。一般，至少要有 8 个开关才比较实用。8 个开关，就意味着输出量从最小 （0）到最大一共被分成 256 档了。 上面的这种 D/A 转换技术对于权电阻的精度要求是相当高的，由于权电阻的大小并不相同，所以制造很困难，因此，最常用的是另一种结构是被称之为 R-2R 型电络 DAC 的结 构。关于这种 DAC 转换的原理，不再分析，只要知道数字量是可以转换为模拟量就行。 二、DAC 接口电路 D/A 转换器有各种现成的集成电路。 对使用者而言， 关键是选择好合
5、用的芯片以及掌握 芯片与计算机的正确的连接方法。下面以常用的 DAC0832 为例作一说明。 DAC0832 是 CMOS 工艺制造的 8 位单片 D/A 转换器， 其引脚图和逻辑图如图 23 所示。 DAC0832 主要由两个 8 位寄存器和一个 8 位 D/A 转换器组成。使用两个寄存器的好处 是能简化某些应用中的硬件接口电路设计。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1017131112141516181920CS WR1 AGND D3 D2 D1 D0 VREF RFB DGNDVCC ILE WR2 XFER D4 D5 D6 D7 IOUT2 IOUT1DAC08328位 输入
6、寄存器寄存器DAC8位8位 D/A 转换器ILECS WR WR2 XFERDGNDVCCAGNDRFBVREFIOUT1IOUT2数据 输入(模拟地)(数字地)LE2LE2=1 跟随 =0 锁存&图 23 DAC0832 的引脚图及内部结构框图 该 D/A 转换器为二十引脚双列直插封装，各引脚含义如下： DI0-DI7：数字量输入端。 ILE：数据锁存允许信号，高电平有效； CS ：输入寄存器选择信号，低电平的效； 1WR：输入寄存器的写选通信号 1，低电平有效。和CS、ILE 配合，构成第一级输入锁 存； 2WR：输入寄存器的写选通信号 2，低电平有效； XFER：数据转移控制信号，输入低
7、有效，和2WR配合构成第二级锁存； VR：基准电压输入线； RFB：反馈信号输入线，在芯片内部已有反馈电阻； IOUT1和 IOUT2：电流输出线。IOUT1和 IOUT2的和为常数，IOUT1随 DAC 寄存器的内容线性 变化； VCC：工作电源； DGND：数字地； AGND：模拟信号地。D/A 转换芯片输入的是数字量，输出为模拟量，模拟信号容易受 到干扰，所以采用高精度的 VR和独立的模拟地，以获得最好的效果。当然，这两种地最终 还是要接在一起的，在布置印制板时，将这两路地线在电源处进行一点接地的处理。 DAC0832 是电流型输出，应用时要外接运算放大器使之成为电压型输出。 三、DAC
8、0832 的应用 （1）单缓冲方式应用 图 24 是 DAC0832 的典型应用系统，系统只有一路输出，采用单缓冲方式。在这种方 式下，将二级寄存器的控制信号并接即可。输入数据在控制信号的作用下，直接进入 0832 的控制寄存器。 图 24 中，ILE 接+5V，片选信号CS和传送信号XFER都连到地址线 A0，这样输入寄存 器和 DAC 寄存器的将被同时选中。写选通线1WR和2WR都和 8031 的写信号WR相连，CPU 对 0832 执行一次写操作，则把一个数据直接写入 DAC 寄存器。0832 的输出模拟信号随之 对应变化。 D/A 转换器的基准电压由稳压管提供， 如果要求更高， 可以使
9、用一些高精度的稳压源 （如 TL431）来提供。 下面的一些程序将在运放输出端产生程控波形。 锯齿波发生器： START：MOV DPTR，#0EFFFH ；0832 的端口地址 MOV A，#00H ；初值送 0（无输出） LOOP： MOVX DPTR，A ；将 A 中的值送到 0832 转换 INC A ；A 中的值加 1 AJMP LOOP ；循环 P2.1 P2.0P2.5P2.3 P2.2P2.4P2.7 P2.6INT1 T0 T1 WR RD XTAL2 XTAL1 GNDGNDAGND103图 24 DAC0832 的应用 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P
10、1.5 P1.6 P1.7P0.1ALE/PROG PSENP0.5P0.7 EA/VPPP0.6P0.3 P0.4P0.2VCC P0.0RST RXD TXD INT08031LSB DI0 DI1 DI2MSBDI7DI6DI5DI4DI37 6 5 4 16 15 14 131172VCCVCCVCCXFERCSWR2 WR1ILEIout2Iout11112-+VoutRfb98Vref接基准电压源19182上面的程序中，A 的值从一开始的 0 开始加，由 0 变到 FFH，输出电压也随之由 0V 变 到最大输出，然后 A 中的值（FFH）加 1 之后变成 0，输出电压又加到 0，这
11、样就形成了一 个锯齿波。 （2）双缓冲方式应用 DAC0832 也可以方便地工作于双缓冲模式，这适用于同时输出两路或多路模拟信号， 并且这些信号必须同步的情形，详情请参考有关资料。 56 模数转换接口模数转换接口 模数转换电路的种类很多，选择 A/D 转换器件主要从速度、精度和价格等方面进行考虑。根据 A/D 转换器的工作原理，可以分为下面的三种类型： （1）并行 A/D 变换器：速度高，价格也很昂贵，用于高速（如视频处理）场合。 （2）逐次逼近型 A/D 转换器：精度、速度、价格方面比较折衷，是最常用的一种 A/D 转换器件。 （3）双积分型 A/D 转换器：精度高，抗干扰能力强，价格低，但
12、是速度慢，常用于测 量仪表等场合。 A/D 技术发展很快，各种新型的 A/D 层出不穷，A/D 的选择要考虑很多因素，和使用 者的基本功、见识等有很大的关系。本教程主要是通过典型芯片的介绍，让读者了解单片机 与 AD 转换芯片接口的一般的方法，目的还是在于加深对单片机系统的理解。 一、MCS-51 配置 ADC0809 扩展 A/D 转换器 ADC0809 是最常用的 8 位 A/D 转换器， 属逐次逼近型。 ADC0809 由单一+5V 电源供电， 片内有带锁存功能的 8 路模拟电子开关， 可对 0-5V 8 路的输入模拟电压信号分时进行转换， 完成一次换约需 100us，输出具有 TTL
13、三态锁存缓冲器，可直接与 MCS-51 单片机的总线相 连。 （1）ADC0809 内部结构与外特性 ADC0809 是 CMOS 工艺逐次逼近型 A/D 转换器，其字长为 8 位，可 8 路输入模拟量分 时转换的组成芯片。图 25 是 ADC0809 的外部引脚配置图，图 26 是 ADC0809 的内部结构 框图。 12 3 4 5 6 7 8 9 101112 13 14IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START EOC D2 OE CLK VCC REF(+) GND D1IN2 IN1ADDA ADDB ADDCALE D7 D6 D5 D4 D0 REF(-) D32827
14、26 25 24 2322 21 20 19 18 17 16 15IN0ADC08098位模拟 多路开关8位 A/D 转换 器三态输出 锁存 器地址 锁存与译 码STARTCLKIN0A B C ALEOEEOC D7D6D0IN7 IN6VREF(+) VREF(-)ADC0809图 26 ADC0809 的内部结构框图 图 25 ADC0809 的引脚图 从图 5-26 可以看出，ADC0809 片内集成了 8 路模拟多路开关、地址锁存器与译码、8 位 A/D 转换器以及 8 位三态输出锁存器四部份组成。各引脚的功能含义如下： D0D7：8 位二进制数字量输出端口； IN0IN7：8 路
15、模拟量输入端口 VCC：+5V 工作电压源。 GND：接地端； VREF（+）和 VREF（-） ：基准参考电压，决定了输入模拟量的量程范围； CLK：时钟信号输入端，时钟频率决定了转换速度，转换一次需要 64 个时钟周期。 START：A/D 转换启动信号输入端口，高电平有效； ALE：地址锁存允许信号输入端口，ALE 的下降沿将地址打入锁存器； EOC：A/D 转换结束信号输出端口，开始转换时为低电平，一旦转换结束输出高电平； OE：完成转换后数字量输出允许控制信号输入端口，高电平有效，用以打开三态数据 锁存器的输出。 A、B、C：地址输入端口。用三位编码组成 38 译码输出，选通 8 路
16、模拟电子开关， 实现 IN0IN7 的 8 路选 1 工作。A、B、C 三位地址的输入与 8 路通道的对应关系如下： 表 6 ABC 三位地址的输入与 8 路通道的对应关系 C 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 地址 编码 A 0 1 0 1 0 1 0 1 选中通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 二、MCS-51 单片机配置 ADC0809 的硬件接口 图 27 是 ADC0809 与 MCS-51 单片机的接口电路图。 地址线与数据线的连接：ADC0809 的输出部份有三态缓冲器，可以直接和数据总线相 连；ADC0809 的地址选择信号线 ADDA、ADDB、ADDC 可以与地址线中的任意三根相连 （图中与 AD0、AD1、AD2 相连） ，这样 8 个输入端所对应的地址就是从： 000
