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1、1第11章 AT89S51单片机与DAC、ADC的接口12 2【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AT89S51单片机的接口设计。311.1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
2、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。341D/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
3、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。452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），习惯上用输入数字量的位
4、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。56同理：10位D/A转换1LSB=9.77mV=0.1%满量程12位D/A转换1LSB=2.44mV=0.024%满量程16位D/A转换1LSB=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
5、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。67（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
6、一种型号的8位DAC精度为0.05%。11.2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AT89S51单片机连接。7811.2.1DAC0832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11-1所示，DAC0832的片内逻辑结构如图11-2所示。89 9图11-1DAC0832的引脚10图11-2DAC0832的逻辑
7、结构11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。1112IOUT2：D/A转换器电
8、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11-2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
9、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。121311.2.2AT89S51单片机与8位D/A转换器0832的接口设计设计AT89S51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）DAC0832的单极性的电压输出单缓冲方式是指DAC0832内部的两个寄存器有一个处于直通方式，另一个处于受AT89S51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11-3所示。1314图11-3单缓冲方式下AT89S51单片机与DAC0832的接口电路
10、15图11-3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:15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。图11-3中，DAC0832的WR2*和XFER*接地，故DAC0832第二级的“8位DAC寄存器”（见图11-2）工作于直通方式。“8位输入寄存器”受CS*和WR1*端控制（ILE已经为高），而且CS*由译码器输入为FEH时，输出1616
11、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WR1*和CS*上产生低电平信号，使DAC0832接收AT89S51单片机送来的数字量。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11-1】DAC0832用作波形发生器。试根据图11-3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11-3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。17
12、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11-4所示。1718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“INCA”指令后插入NOP指令或延时程序，则可改变锯齿波频率。18图11-4DAC0832产生的
13、锯齿波输出19三角波的产生输出的三角波如图11-5所示。19图11-5DAC0832产生的三角波输出参考程序如下。2020vO 矩形波的产生输出的矩形波如图11-6所示。21图11-6DAC0832产生的矩形波输出22DELAY1、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。2223（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11-2）。因此，双缓冲方式下，DAC0832
14、应该为单片机提供两个I/O端口。AT89S51单片机和DAC0832在双缓冲方式下的连接如图11-7所示。232424图11-7单片机和两片DAC0832的双缓冲方式接口电路25由图11-7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11-7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
15、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。2526l【例11-2】设AT89S51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11-7，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
16、、y坐标点。由图11-7可知，DAC0832各端口地址为：lFDH：1#DAC0832第一级“8位输入寄存器”的端口地址lFEH：2#DAC0832第一级“8位输入寄存器”的端口地址lFFH：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：26272728282DAC0832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。29在需要用到双极性电压输出的场合下，可以按照图11-8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11-8所示。由基尔霍夫定律列出的方程组可解得：29图11-8双极性DAC的接法3030由上式可知，当单片机输出给DAC
