单片机与数模及模数转换器接口

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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

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,使之处于最佳工作状态,如图8-1所示。

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N<8时,可利用一个8位I/O接口输入CPU,然后将其他位屏蔽即可得到N位数据;当N>8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

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,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/212)。如果用百分数来表示分辨率时,其分辨率为

1/2n×100%=1/212×100%=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ADC0809

8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

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