第10章MCS-51 AD-DA接口技术

第 十 章 MCS-51 单 片 机 、 接 口 D/A A/D
10.2 D/A转换接口的扩展
10.2.1 D/A转换器概述 10.2.2 梯形电阻式D/A转换器原理 10.2.3D/A芯片DAC0832的扩展 10.2.4 D/A芯片AD7520的扩展
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10.1 A/D转换器接口的扩展
在单片机的实时控制和智能仪器仪表等应用 系统中，被控制或被测量对象的有关参量往往 是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流 量和速度等物理量，这些模拟量必须转换成数 字量后才能输入到计算机进行处理。计算机处 理的结果，也常常需要转换为模拟信号，驱动 执行机构实现对被控对象的控制，或直接送入 二次仪表。若输入是非电量的模拟信号，还须 通过传感器转换成电信号并加以适当的放大。 实现模拟量转换成数字量的器件称为模数转换 器（ADC），数字量转换成模拟量的器件称为 数模转换器（DAC）。
第 十 章
Vx
10.1.2 双积分式A/D转换器原理
双积分A/D转换器是基于间接测量原理， 将被测电压值转换成时间常数，通过测量时间 常数来得到未知电压值。如图10-2所示的双 积分A/D转换器，由电子开关、积分器、比较 器和控制逻辑等部件组成。
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MCS-51
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间接型 ∑－△ 式A/D转换器
电压―频率转换型（V―F变换器）
表10-1 A/D转换器的分类
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目前应用较广泛的主要有以下几种类型： 逐次逼近式A/D转换器、双积分型A/D转 换器、∑－△ 式A/D转换器和V―F变换器。 逐次逼近式A/D转换器在转换精度、转换 速度和价格上都适中，是最常用的A/D转换器。 双积分型A/D转换器具有转换精度高、抗 干扰性好、价格低廉等优点，缺点是转换速度 慢，近年来在单片机应用系统中也得到了广泛 应用。
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双积分就是整个A/D转换过程需要二次 积分。在进行一次积分时，电子开关先把Vx 输入到积分器，积分器从 0V开始进行固定时 V 间 T0 的正向积分，积分输出终值与Vx成正 比，积分T0时间到后，电子开关将与Vx极性 相反的基准电压VR输入到积分器进行反向积 分，由于基准电压VR恒定，所以积分输出将 按T0期间正向积分的终值以恒定的斜率下降 ，由比较器检测积分输出过零时，停止积分 器工作。反向积分的时间T1与固定时间积分 的终值成比例关系，故可以通过测量反向积 分时间T1计算出Vx，而反向积分时间可由计 数器对时钟脉冲计数得到，即:
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1) A/D转换器位数的确定
A/D转换器位数的确定与整个测量控制系 统的测控范围和精度有关。系统精度涉及的环 节较多，包括传感器、信号调理电路、A/D转 换器、输出电路和执行机构等环节的精度。 因此，选取的A/D转换器的位数应与其他 环节所能达到的精度相适应，一般A/D转换器 的位数至少要比系统精度要求的最低分辨率高 一位。 一般把8位以下的为低分辨率A/D转换器， 9~12位中分辨率A/D转换器，13位以上的为高 分辨率A/D转换器。
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10.1.1 A/D转换器概述
1.A/D转换器的分类
根据A/D转换器的转换原理可将A/D转 换器分为两大类。一类是直接型A/D转换器 ，另一类是间接型A/D转换器。在直接型 A/D转换器中，输入的模拟电压不经任何中 间变量被直接转换成数字代码；在间接型 A/D转换器中，要先将输入的模拟电压转换 成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等 ），然后再把这个中间变量转换成数字代ห้องสมุดไป่ตู้ 输出。A/D转换器的分类如表10-1所示。
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10.1 A/D转换器接口的扩展
10.1.1 A/D转换器概述 10.1.2 双积分式A/D转换器原理 10.1.3 双积分式A/D MC14433的扩展 10.1.4逐次逼近式A/D转换器原理 10.1.5逐次逼近式A/D ADC0809的扩展
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电荷再分配型A/D转换器 反馈比较型
逐次逼近式A/D转换器 跟踪计数式A/D转换器 串联方式A/D转换器 并联方式A/D转换器 串并联方式A/D转换器 单积分型A/D转换器
直接型
非反馈比较型
电压―时间变换型
双积分型A/D转换器
多重积分型A/D转换器 脉宽调制积分型A/D转换器
2）A/D转换器转换速率的确定
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3）采样保持器的选择
原则上直流或缓慢变化的信号可以不用采 样保持器，其它情况都要用采样保持器。有些 型号的A/D转换器片内具有采样保持器可直接 使用，如果片内没有采样保持器，可以根据 A/D转换器的分辨率、转换时间、信号带宽的 关系式，确定是否要外加采样保持器。例如， A/D转换器的分辨率是8位，转换时间是 100ms时，允许不加采样保持器的信号频率是 0.12Hz；若分辨率是12位，该信号频率为 0.0077Hz。如果A/D转换器的分辨率是8位 ，转换时间是100us时，该频率为12Hz；若 分辨率是12位时，该频率为0.77Hz。
x
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T1 Vx VR T0
图10-2（b）给出了两种不同输入电压 ( Vx Vx ' )的积分情况，显然 Vx' 值小，在定时积分 T0 期间积分器输出值也就小，而下降斜率相同，故 ' 反向积分时间 T1 也就短。 由于双积分式A/D转换器需经过二次积分， 时间较长，所以这种类型的A/D转换速度较慢， 但精度可以做得比较高，因对周期变化的干扰信 号积分为零，故抗干扰性能也比较好。 目前双积分式A/D集成电路芯片型号较多， 常用的有MC14433（三位半，精度相当于11位 二进制数）和ICL7135（四位半，精度相当于 14位二进制数），这类A/D大部分应用于数字 显示仪表上。
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第十章 MCS-51单片机 A/D、 D/A接口
【学习目的和要求】
•了解和掌握双积分A/D转换器和逐次逼近 式A/D转换器的基本原理、接口扩展方法; •掌握梯形电阻式D/A转换器的基本原理、 内部结构与应用特性、工作方式及接口扩 展方法。
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图10-1所示为具有模拟输入量和模拟量或数 字量输出的MCS-51应用系统结构框图。
模拟信号 （非电量） 传感器 A/D 转换器 MCS-51 模拟信号 （电信号） D/A 转换器 模拟量 输出 数字量 输出
图10-1 MCS-51应用系统结构框图
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2. A/D转换器的主要指标
衡量A/D性能的主要参数如下： 1）分辨率：A/D转换器的分辨率常用输出二进制位 数或者BCD码位数表示。例如，A/D转换器AD574的 分辨率为12位，即该A/D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。用百分数表 12 示分辨率，则为 1/ 2 100% 0.0244% ; 用BCD码输出的A/D转换器常用位数表示分辨率 ，例如MC14433双积分型A/D转换器，分辨率为3位 半。满字位为1999，用百分数表示分辨率，则为: 1/1999 100% 0.05% ; 2）满刻度误差： 即输出全1时，输入电压与理想 输入量之差;
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∑－△ 式A/D转换器具有逐次逼近式和积 分型A/D转换器的双重优点，它既有较强的干 扰抑制能力，又有较高的转换速度，具有较高 的信噪比和线性度，而且不需要采样保持电路 。因此，这种A/D转换器近几年来得到了泛重 视，已有多种式A/D芯片投向市场。 V―F变换器适用于转换速度要求不高，需 要进行远距离信号传输的A/D转换场合。
电子开关
Vx
积分器 检零比较器
VR
+ +
计数器 数字量输出
控制门 时钟
（a）双积分A/D转换器框图
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积分输出电压
Vx
Vx'
固定斜率 反向积分 T1 时间
0 固定时间 T0 积分
T1'
T1
（b）双积分A/D转换器原理示意图
图10-2 双积分A/D转换器原理图
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3）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，通常 转换速率是转换时间的倒数。 4）转换精度：A/D转换器的精度指标是反映 实际A/D转换器与理想A/D转换器的差别。 因为理想A/D转换器存在量化误差，那么 实际的A/D转换器无疑必然也存在量化误差。 所以精度所对应的误差指标是不包括量化误差 的。 不同的A/D生产厂家或不同类型的产品其 精度指标表达方式可能不完全相同，有的给出 综合误差指标，有的给出分项误差指标，这些 指标大体有非线性误差、失调误差或零点误差 、增益误差或标度误差以及微分非线性误差等 。
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A/D转换器转换时间的倒数称为转换速率。 一般来说，低速A/D转换器适用于对温度、压 力、流量等缓慢变化参量的监测和控制；中速 A/D转换器常用于工业监测和控制；高速A/D 转换器适用于雷达信号处理、数字通信、实时 控制和频谱分析等系统。在信号处理系统中， A/D转换器的转换速率应根据采样定理来确定 A/D转换器的转换速率；在测控系统中，应根 据实时性要求来确定A/D转换器的转换速率。
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3. A/D转换器的选择
按输出代码的有效位数分为4位、8位、10 位、12位、14位、16位和BCD码输出的3位半 、4位半、5位半等多种； 按转换速度可分为超高速（转换时间 ≤ 1ns ）、高速（转换时间≤ 1us ）、中速（转换 时间≤1ms）和低速（转换时间≤1s）等几种不 同转换速度的芯片。 在设计数据采集系统、测控系统和智能仪 器仪表时，如何选择合适的A/D转换器以满足 应用系统的设计要求，是首先应该解决的问题 。
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4）工作电压和基准电压
A/D转换器的工作电压有单极性、双极性的，电压 幅度也各不相同。例如，+5V，+12V； 5v， 15V等。 一般选用单一+5V工作电压的ADC芯片，与单片机系统共 用一个电源比较方便。但工作电压极性和幅度的选择，还 需要考虑被测信号的极性、幅度等因素。 基准电压源是提供给A/D转换器在进行转换时所需要 的参考电压，这是保证转换精度的基本条件。选用片内带 有基准电压源的A/D转换器比较方便，而且节省PCB空间 。但在要求较高精度时，基准电压源应选择高精度稳压源 单独供给。 MCS-51系列单片机中有些型号片内具有A/D转换器 。对于这些内部具有ADC的单片机，一般就不需要扩展 A/D接口。对于内部不具有ADC的单片机，如需要，则可 以扩展通用A/D接口芯片。以下介绍几种典型的集成A/D 转换器件的转换原理、特性以及与MCS-51的接口方法。
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10.1.3 双积分式A/D MC14433的 扩展
MC14433是一种三位半的双积分式A/D 转换器。其最大输入电压为199.99mV和 1.999V两档（由输入基准电压决定），抗干扰 性能强，转换精度高，但转换速度慢，转换速 度约1~10次/秒，广泛应用于低速数据采集系 统和数字显示仪表中。