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1、单片机与数模及模数转换器接口第九章单片机与数模及模数转换器接口电.模报信号 JD/A |一模但畜.出当以单片机为核心组成实时测控系统时， 通常 需要对被控对象的状态进行测试和对控制条件 进行监测，因此需要通过前向输入通道将被测信 号输入单片机系统中。在科学研究和生产过程中，测控系统的被测 参数可以是温度、压力、速度等非电量，也可以 是电流、电压、功率和开关量等电量。这些参数 信号需通过各类传感器和变送器变换成相应的 模拟电量，然后经多路开关汇集送给 A/D转换 器，转换成相应的数字量送给单片机。 经过单片 机处理过的数字量，送给 D/A转换器，变换成 相应的模拟量对被控系统实施控制和调整，使之
2、处于最佳工作状态，如图8-1所示。图枭尊片机测控系统结为惟明知识要点：输入输出通道的基本知识，数字量输入输出通道和模拟量输入输出通 道的结构A/D转换器工作原理和MCS-51系列单片机 的连接以及程序设计方法。D/A转换器工作原理和MCS-51系列单片机 的连接以及程序设计方法。第一节 MCS-51单片机与DA转换器的接口和应用 一、概述被测信号分为数字量和模拟量两种。1 .数字量输入数字量包括N位并行数字量、开关量和频 率信号。N位并行数字量可以直接送入单片机的I/O接口。若N位数 字量并行输入，当N=8时，正好利用一个8位 I/O接口输入单片机内；当 NV8时，可利用一 个8位I/O接口输
3、入CPU ,然后将其他位屏蔽 即可得到N位数据；当N8时，输入方式有两 种：一种是利用多个8位I/O接口，另一种是利 用一个I/O接口多次选通输入。开关量开关量是输入信号为具有TTL电平的状态信 号，如继电器的吸合与断开、光电门的导通与截 止、限位开关、按钮、转换开关、接触器等电器的触点通断，其信号电平只有高、低两种电平。+5V图82开关量信号检测电路图8-2所示是一种开关量检测电路。开关量信 号经过了光电隔离，适当选择电阻值，使A点 电平符合TTL电平的要求，可以将A点接到单 片机I/O接口或经三态门接到单片机数据总线， 实现开关量信号输入。频率信号经放大、整形和隔离等处理，即可得到较为理
4、想的矩形波，这种矩形波可直接送入单片机系 统，如图83所示。频率信号2 .模拟量输入1前向入通道堵胸票需T A/pV.T前向*人马遭靖构水京网单MM单片机_ AD单片机小信号福氟电乐/ (mVt pV)大信号电源/（。10mA）/ （4-20ftbAAD单片机VF4 片机小信H电瀛bbA产Afv就大A.D.放大所谓模拟量，就是一些连续变化的物理量， 如温度、速度、电压、电流和压力等。这些被测 参数，单片机无法直接处理，需要把这些模拟量 通过各类传感器和变送器变换成相应的模拟电 量，然后经多路开关汇集送给 A/D转换器，转 换成相应的数字量送给单片机。模拟量输入通道一般由传感器、 放大器、多路
5、模拟开关、采样保持器和 A/D转换器组成，其 结构形式取决于被测对象的环境、输出信号的类 型、数量和大小等，见表8-1。说明：根据传感器输出信号的大小和类型, 选择前向输入通道结构。大信号模拟电压，能直接满足 A/D转换输 入要求，则可直接送入 A/D转换器，经过A/D 转换后再送入单片机。也可通过V/F转换成频率 信号送入单片机。但由于频率测量响应速度慢， 多用于一些非快速过程参量的测量，这种通道结 构的优点是抗干扰能力强，便于远距离传输。小信号模拟电压，则首先应将该信号电压放 大，放大到能满足A/D转换、V/F转换要求的输 入电压。以电流为输出信号的传感器或传感仪表则 首先应通过I/V转换
6、，将电流信号转换成电压信 号。最简单的I/V转换器就是一个精密电阻，当 信号电流流过精密电阻时，其电压降与流过的电 流大小成正比，从精密电阻两端取出的电压就是 I/V变换后的电压信号。二、A/D转换接口技术A/D转换接口技术的主要内容是合理选择 A/D转换器和其他外围器件，实现与单片机的正 确连接以及编制转换程序。A/D 转换器(Analog-Digital Converter)是一 种能把输入模拟电压或电流变成与其成正比的 数字量的电路芯片，即能把被控对象的各种模拟 信息变成计算机可以识别的数字信息。分类：计数器式A/D转换器、双积分式A/D 转换器、逐次逼近式 A/D转换器和并行A/D转
7、换器。计数器式A/D转换器结构很简单，但转换速度也很慢，所以很少采用。双积分式A/D转换器抗干扰能力强，转换 精度很高，但速度不够理想，常用于数字式测量 仪表中。逐次逼近式A/D转换器结构不太复杂，转 换速度也高。计算机中广泛采用其作为接口电 路。并行A/D转换器的转换速度最快，但因结 构复杂而造价较高，故只用于那些转换速度极高 的场合。1、概述1) A/D转换器的技术指标：-量化误差(Quantizing Error)与分辨率 (Resolution)。A/D转换器的分辨率表示输出数字量变化 一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量，习惯上以输出二进制位数或满量程与 2n之比(其中n 为ADC的
8、位数)表示。例如A/D转换器AD574A的分辨率为12位, 即该转换器的输出数据可以用 212个二进制数进 行量化，其分辨率为1LSB (1LSB=VFS/2 12)。如 果用百分数来表示分辨率时，其分辨率为1 /2nX 100%= 1/212X 100% =0.0244一个满量程VFS=10V的12位ADC能够分辨输 入电压变化的最小值为2.4mV。量化误差是由于有限数字对模拟数值进行 离散取值（量化）而引起的误差。因此，量化误 差理论上为一个单位分辨率，即士 （1/2）LSB。提 高分辩率可减少量化误差。转换精度（Conversion Accuracy）。A/D转换器转换精度反映了一个实际
9、A/D转换器在量化值上与一个理想 A/D转换器进行 模/数转换的差值，由模拟误差和数字误差组 成。模拟误差是比较器、解码网络中电阻值以及 基准电压波动等引起的误差；数字误差主要包括丢失码误差和量化误差， 丢失码误差属于非固定误差，由器件质量决定。转换时间与转换速率。A/D转换器完成一次转换所需要的时间为A/D转换时间，是指从启动A/D转换器开始到获 得相应数据所需时间（包括稳定时间）。通常， 转换速率是转换时间的倒数，即每秒转换的次 数。2） A/D转换器选择要点- 确定A/D转换器精度及分辨率。用户提出的测控精度要求是综合精度要求，它包括了传感器精度、信号调节电路精度和A/D 转换精度及输出
10、电路、伺服机构精度，而且还包 括测控软件的精度。应将综合精度在各个环节上 进行分配，以确定对 A/D转换器的精度要求， 据此确定A/D转换器的位数。通常A /D转换器 的位数至少要比综合精度要求的最低分辨率高 一位，而且应与其他环节所能达到的精度相适 应。- 确定A/D转换器的转换速率。通常根据被测信号的变化率及转换精度要 求，确定A/D转换器的转换速率，以保证系统 的实时性要求。用不同原理实现的转换器，其转 换速率是不一样的，如积分型的、跟踪比较型的 A/D转换器转换速率较慢，转换时间一般为几毫 秒到几十毫秒，一般用于温度、压力、流量等缓 变参量的检测。计算机中广泛采用逐次逼近式 A/D转换
11、器为中速转换器，常用于工业多通道单 片机测控系统等。并行 A/D转换器的转换速度 最快，故常用于如实时瞬态记录等转换速度极高 的场合。- 确定环境参数。根据使用环境条件，确定 A/D转换芯片要求 的一些环境：工作温度、功耗和可靠性等级等。 2、A/D转换典型芯片 ADC08098位8通道逐次逼近式 A/D转换器， CMOS工艺，可实现8路模拟信号的分时采集， 片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址 锁存用译码电路，其转换时间为 100us左右。1) ADC0809的内部逻辑结构ADC 0809内部逻辑结构如图所示。START CLK8位 A/DB tt开关三克出 存Dg孤棋粗量嫡入图9.1
12、3 ADC 则学内部曹,辅构图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用一个 A/D转换器进行 转换。地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 3 个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道 选择。2）信号引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装,其引脚排列见图9.14.tNj5ADC 080一 ADDA ADDB -ADDC2120 ISSTART6ECX：一 7OE9CLOCK- BVccHGNfJ- 131615明九14 4DCMOQ引御图对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN0IN7 一模拟量输入通道信号单极 性，电压范围0-5V,若信号过小还需进行放大,
13、模拟量输入在 A/D转换过程中其值不应变化， 对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保 持电路。- A、B、C地址线A为低位地址，C为高位地址，模拟通道 的选择信号，引脚图中为ADDA,ADDB 和 ADDC。其地址状态与通道对应关系见表 9-1 通道选择费CBA逸桦的通道000IN.001IN,010IN,011in4100101IN1110IN.111IN,- ALE地址锁存允许信号对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送 入地址锁存器中。- START转换启动信号START上跳沿时，所有内部寄存器清 “0”； START下跳沿时，开始进行 A/D转换； 在A/D转换期间，START应保持
14、低电平。本信 号有时简写为ST。- D7D0数据输出线为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数 据线直接相连。D0为最低位，D7为最高位。- OE输出允许信号用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0,输出数据线呈高电阻；OE=1 ,输出转换得到的数据。- CLK时钟信号ADC 0809的内部没有时钟电路，所需时 钟信号由外界提供。通常使用频率为 500kHz的 时钟信号。- EOC转换结束信号EOC=0,正在进行转换；EOC=1 ,转换结束。使用中该状态信号既可作为查询的状态 标志，又可以作为中断请求信号使用。- Vcc + 5V 电源- V ref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比 较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+ 5V（Vref （+）=+ 5V, Vref （一）=0V）。3） 单片机与ADC0809接口三个问题：要给START线送一个100ns宽的起动 正脉冲；获取EOC线上的状态信息，因为它是 A/D转换的结束标志；要给“三态输出锁存器”分配一个端口地 址，也就是给OE线上送一个地址译码器输出信 号。S 9.16 ADC G8O9的部分信号鑫镇地纳赖律ALE寄存9.17 信号的时间配合OEWkM2 22PO.7ADC08U9iiPOOALE/一丫询料-VrffW-
