MCS-51单片机的模拟量输入输出.ppt
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1、第第1111讲讲 MCS-51MCS-51的模拟量输入输出的模拟量输入输出电气工程系赵志衡E-mail:1课程主要内容ADC及DAC的基本原理及性能指标A/D转换的实现(ADC0809)D/A转换的实现(DAC0832)2 非电物理量(温度、压力、流量、速度等),须非电物理量(温度、压力、流量、速度等),须经传感器转换成模拟电信号(电压或电流),再转经传感器转换成模拟电信号(电压或电流),再转换成数字量,才能在单片机中处理。换成数字量,才能在单片机中处理。A/DA/D转换器(转换器(ADCADC):模拟量:模拟量数字量的器件数字量的器件,D/AD/A转换器(转换器(DACDAC):数字量:数字
2、量模拟量的器件模拟量的器件。数字量,也常常需要转换为模拟信号。数字量,也常常需要转换为模拟信号。只需合理选用商品化的大规模只需合理选用商品化的大规模ADCADC、DACDAC芯片,了芯片,了解引脚及功能以及与单片机的接口设计。解引脚及功能以及与单片机的接口设计。概述概述3ADCADC的基本原理及性能指标的基本原理及性能指标 模拟量转换成数字量,便于计算机进行处理。模拟量转换成数字量,便于计算机进行处理。随着超大规模集成电路制造技术的飞速发展,大随着超大规模集成电路制造技术的飞速发展,大量结构不同、性能各异的量结构不同、性能各异的A/DA/D转换芯片应运而生。转换芯片应运而生。41.A/D1.A
3、/D转换器的分类转换器的分类 根据转换原理可将根据转换原理可将A/DA/D转换器分成转换器分成两大类两大类(1 1)直接型直接型A/DA/D转换器转换器(2 2)间接型间接型A/DA/D转换器。转换器。5常见的常见的A/D转换器工作原理转换器工作原理逐次逼近式A/D转换器将输入模拟信号与推测信号比较,调节推测信号逼近输入信号,直至两者相等双积分式A/D转换器采用输入模拟信号与标准电压反向积分的方法,完成模拟信号的转换V/F变换式A/D转换器 将输入模拟信号转化为线性对应的频率信号,通过测量频率实现模拟信号的转化6 应用特点应用特点 逐次比较型逐次比较型:精度、速度和价格都适中,是最常用精度、速
4、度和价格都适中,是最常用的的A/DA/D转换器件。转换器件。双积分型双积分型:精度高、抗干扰性好、价格低廉精度高、抗干扰性好、价格低廉,但转换速度但转换速度慢,得到广泛应用。慢,得到广泛应用。V/F转换型转换型:适于转换速度要求不太高,远距离信号传输。适于转换速度要求不太高,远距离信号传输。72.A/D2.A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标(1)(1)转换时间和转换速率转换时间和转换速率 完成一次转换所需要的时间。完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数转换时间的倒数为转为转换速率。换速率。逐次比较式:逐次比较式:0.40.4 s s,速率为速率为2.5M2.5M次次/s/s。(2
5、)(2)分辨率分辨率 用输出二进制位数或用输出二进制位数或BCDBCD码位数表示。码位数表示。例如例如AD574AD574,二进制二进制1212位,即用位,即用2 21212个数进行量化,个数进行量化,分辨率分辨率为为1LSB1LSB,百分数表示百分数表示1/21/21212=0.24=0.24。又如又如双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器MC14433MC14433,分辨率为三位半。分辨率为三位半。若满字位为若满字位为19991999,其,其分辨率为分辨率为1/1999=0.05%1/1999=0.05%。8 量化过程引起的误差为量化过程引起的误差为量化误差量化误差,是由于,是由于有限位
6、数字有限位数字对模拟对模拟量进行量化而引起的误差。量化误差量进行量化而引起的误差。量化误差理论上规定为理论上规定为1 1个单位分辨个单位分辨率率,提高分辨率可减少量化误差。,提高分辨率可减少量化误差。(3 3)转换精度)转换精度 定义为一个实际定义为一个实际ADCADC与一个理想与一个理想ADCADC在量化值上的差。可用在量化值上的差。可用绝对误差或相对误差表示。绝对误差或相对误差表示。l绝对精度绝对精度 在转换器中,任何数码所对应的实际模拟电压与在转换器中,任何数码所对应的实际模拟电压与其理想电压值之差的最大值称为绝对精度其理想电压值之差的最大值称为绝对精度l相对精度相对精度 绝对精度的百分
7、数表示绝对精度的百分数表示93.A/D转换器的选择转换器的选择 按输出代码的有效位数分按输出代码的有效位数分:8:8位、位、1010位、位、1212位等。位等。按转换速度分为按转换速度分为超高速超高速(1ns1ns)、)、高速高速(1 1 s s)中速中速(1ms1ms)、)、低速低速(1s1s)等。等。A/DA/D转换器的发展趋势:为适应系统集成需要,将转换器的发展趋势:为适应系统集成需要,将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二/十进制十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内,为用户提供方译码器和转换电路集成在一个芯片内,为用户提供方便。便。10(1 1
8、)A/DA/D转换器位数的确定转换器位数的确定 系统总精度涉及的环节较多:系统总精度涉及的环节较多:传感器变换精度、传感器变换精度、信号预处理电路精度和信号预处理电路精度和A/DA/D转换器及输出电路、控制转换器及输出电路、控制机构精度,还包括软件控制算法。机构精度,还包括软件控制算法。A/D转换器的位数至少要比系统总精度要求的最低分辨率高转换器的位数至少要比系统总精度要求的最低分辨率高1位,位数应与其他环节所能达到的精度相适应。位,位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行,太高无意义,且价高。只要不低于它们就行,太高无意义,且价高。8位以下:低分辨率,位以下:低分辨率,912
9、位:中分辨率,位:中分辨率,13位以上:高分位以上:高分辨率。辨率。11(2 2)A/DA/D转换器转换速率的确定转换器转换速率的确定 从启动转换到转换结束,输出稳定的数字量,需要一从启动转换到转换结束,输出稳定的数字量,需要一定的时间,这就是定的时间,这就是A/DA/D转换器的转换时间。转换器的转换时间。低速:转换时间从几低速:转换时间从几msms到几十到几十m ms s。中速:逐次比较型的中速:逐次比较型的A/DA/D转换器的转换时间可从几转换器的转换时间可从几 s s 100100 s s左右。左右。高速:转换时间仅高速:转换时间仅2020100ns100ns。适用于雷达、数字通讯、适用
10、于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态纪录、视频数字转换实时光谱分析、实时瞬态纪录、视频数字转换 系统等。系统等。12(3 3)是否加采样保持器)是否加采样保持器 直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他情况都要加采样保持器。其他情况都要加采样保持器。13(4)工作电压和基准电压)工作电压和基准电压选择使用单一选择使用单一+5V工作电压的芯片,与单工作电压的芯片,与单片机系统共用一个电源比较方便。片机系统共用一个电源比较方便。基准电压源是提供给基准电压源是提供给A/D转换器在转换时转换器在转换时所需要的参考电压,所需要的参考电压,在要求较高精度
11、时,在要求较高精度时,基准电压要单独用高精度稳压电源供给。基准电压要单独用高精度稳压电源供给。14ADC0809接口电路设计及软件编程ADC0809芯片结构ADC0809功能及管脚ADC0809与8031接口电路设计1及软件编程ADC0809与8031接口电路设计2及软件编程15ADC0809功能特点为功能特点为:分辨率为8位 ADC0809最大不可调误差1LSB 模拟输入电压范围为05V,单电源供电 锁存控制的8路模拟开关 转换速度取决于芯片的时钟频率,其范围101280kHz,当频率为500kHz时,转换速度为128us 16 逐次逼逐次逼近式近式8 8路模路模拟输入、拟输入、8 8位输出
12、的位输出的A/DA/D转换器。转换器。ADC080917 共共2828脚,双列直插式封装。主要引脚功能如下:脚,双列直插式封装。主要引脚功能如下:(1)IN0(1)IN0IN7IN7:8 8路模拟信号输入端。路模拟信号输入端。(2)D0(2)D0D7D7:8 8位数字量输出端。位数字量输出端。(3)C(3)C、B B、A A:控制控制8 8路模拟通道的切换,路模拟通道的切换,C C、B B、A=A=000 000111111分别对应分别对应IN0IN0IN7IN7通道,通道,ALEALE是其锁存信号。是其锁存信号。(4)OE(4)OE、STARTSTART、CLKCLK:控制信号端,控制信号端
13、,OEOE为输出允许端,为输出允许端,STARTSTART为启动信号输入端,为启动信号输入端,CLKCLK为时钟信号输入端。为时钟信号输入端。(5)(5)V VR R(+)(+)和和V VR R(-)(-):参考电压输入端。参考电压输入端。18ADC0809ADC0809结构框图结构框图19ADC0809功能及管脚ADC0809芯片管脚介绍START:为启动转换控制口,输入正脉冲将启动转换。ALE:为地址锁存控制口,输入正脉冲将锁存3位地址。EOC:为转换结束信号输出口,转换时为低电平,结束为高电平输出。OE:为转换结果输出允许控制口,上升沿控制结果输出到数据线上。REF(+)REF(-):为
14、参考电压输入端,一般接VCC和GND。CLK:为转换时钟输入端。IN0IN7:8路模拟量输入端2-12-8:数字量输出ADC0809管脚图20ADC0809操作时序ADC0809操作时序图21ADC0809编程要点选通模拟量输入通道发出启动信号用查询或中断方法等待转换结束初学建议采用延时方法等待转换结束读取转换结果22ADC0809与8031接口电路设计1AD接口设计转换时钟的提供转换完成判断,8031外接晶振6MHz模拟通道的选择ADC0809ADC0809与与80318031接口电路接口电路1 1原理图原理图23例1:ADC0809接口电路编程要求:设计程序实现对8路模拟信号的采样,并把数
15、据存储在RAM区30H37H中。;-;-;ADC0809ADC0809的的0707模拟通道对应地址模拟通道对应地址7FF8H7FFFH7FF8H7FFFH;-;-ORGORG0000H0000HMAIN:MAIN:MOVMOVR1,#30HR1,#30H;置数据存储区首地址置数据存储区首地址MOVMOVDPTR,#7FF8HDPTR,#7FF8H;指向指向ADC0809ADC0809的的0 0通道通道MOVMOVR7,#08HR7,#08H;置通道数置通道数LOOP:LOOP:MOVXMOVXDPTR,ADPTR,A;启动转换启动转换LCALLLCALLDELAY_130usDELAY_130
16、us;等待等待130us130usMOVXMOVXA,DPTRA,DPTR;读取转换结果读取转换结果MOVMOVR1,AR1,A;保存转换结果保存转换结果INCINCDPTRDPTR;指向下一个转换通道指向下一个转换通道INCINCR1R1;指向下一个存储空间指向下一个存储空间DJNZDJNZR7,LOOPR7,LOOP;判断判断8 8个通道采样是否完成?个通道采样是否完成?24例2:ADC0809与8031接口AD接口设计转换时钟的提供n n转换完成判断转换完成判断n n模拟通道的选择模拟通道的选择ADC0809ADC0809与与80318031接口电路接口电路2 2原理图原理图25例2编程
17、要求 编程实现对第0路模拟信号的采样并实时在数码上显示采样值,待显示的采样值存放在RAM区30H,31H中。;-;-;主程序代码,完成中断设置、启动主程序代码,完成中断设置、启动ADAD转换的功能转换的功能;-;-ORGORG0000H0000H;系统复位程序入口地址系统复位程序入口地址AJMPAJMPMAINMAIN;转向主程序转向主程序ORGORG0013H0013H;外部硬件中断外部硬件中断1 1程序入口地址程序入口地址AJMPAJMPINT1PINT1P;转向中断处理子程序转向中断处理子程序MAIN:MAIN:SETBSETBIT1IT1;设;设INT1INT1为边沿触发方式为边沿触发
18、方式SETBSETBEX1EX1;允许允许INT1INT1中断中断SETBSETBEAEA;开中断开中断MOVMOVR0,#30HR0,#30H;指向显示缓冲区首地址指向显示缓冲区首地址MOVMOVA,#00HA,#00H;指向模拟通道指向模拟通道0 0MOVMOVDPTR,#8000HDPTR,#8000H;指向指向ADC0809ADC0809MOVXMOVXDPTR,ADPTR,A;启动通道启动通道0 0转换转换WAIT:WAIT:AJMPAJMPWAITWAIT;等待转换完成中断等待转换完成中断26例2编程;-;-;中断处理程序代码,读取采样值,并显示在数码管上中断处理程序代码,读取采样
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