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第 11 章 信号输入输出通道的接口技术

11.1 MCS-51 应用系统输入输出通道结构 11.2 模拟量 ADC 与 DAC 的性能指标及选择要点 11.3 模拟量输入通道的接口技术 11.4 模拟量输出通道的接口技术 11.5 数字量输入通道接口技术 11.6 数字量输出通道接口技术

模拟信号(非电量)

传感器转换成电信号

模拟信号(电信号)

A/D

数字信号

805187518031

隔离 功率驱动

隔离 功率驱动

D/A 功率驱动

隔离 功率驱动

开关量

数字量

频率信号

开关量控制装置

数字量控制装置

模拟量控制装置

频率量控制装置

11.1 MCS-51 应用系统输入输出通道结构

11. 2 ADC11. 2 ADC 及 及 DACDAC 的的性能指标和选性能指标和选择要点择要点

11 ．分辨率．分辨率 : : 转换位数转换位数 nn 22 ．转换速率（．转换速率（ A/D): A/D): 采样定理采样定理 稳定时间（稳定时间（ D/A)D/A) 33 ．输入电压范围（．输入电压范围（ A/D), A/D), 模拟量输出形式（模拟量输出形式（ D/A)D/A) 44 ．供电电源．供电电源 55 ．工作环境．工作环境

11.3 模拟量输入通道的接口技术

ADC 芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别，较为常见的 ADC 主要有逐次逼近型、双积分型和电压频率变换型三种。

双积分型 ADC ，一般精度高；对周期变化的干扰信号积分为零，因此抗干扰性好；价格便宜，但转换速度慢。

逐次逼近型 ADC ，在转换速度上同双积分型 ADC 相比要快得多。精度较高 (12 位及 12 位以上的 )，价格较高。 电压—频率 (V—F) 变换型 ADC ，突出的优点是高精度，其分辨率可达 16位以上；价格低廉，但转换速度不高。

11.3.1 MCS-51 与 5G14433( 双积分型 ) 的接口

一、 5G14433A/D 转换器的特性及结构

5G14433 是上海元件五厂生产的三位半 ADC ，它是一种双积分型 ADC ，具有精度高 ( 精度相当于 11 位二进制 ADC) 、抗干扰性能好等优点。其缺点是转换速度慢，约 1-10 次／ s 。在不要求高速转换的场合，例如温度测控系统中，被广泛采用。 5G14433 ADC 与 Motorola 公司的产品 MCl4433 可以互换。

5G14433ADC 的被转换电压量程为 199.9mV 或 1.999V 。转换结果以 BCD 码的形式分 4 次输出。

242322212019181716151413

123456789

101112

5G14433

VAG

VREF

VC

R1

R1/C1

C1

C01

C02

DUCLK1CLK0

VEE

VDD

Q3Q2Q1Q0DS1DS2DS3DS4OREOCVSS

(1)VAG ：模拟地。 (2)Vref ：外接基准电压 (2V 或 200mV) 输入端。 (3)Vx ：被测电压输入端。 (4)Rl 、 Rl ／ C 、 C ：外接积分阻容元件端。外接元件典型

值：①当量程为 2V 时， Cl=0.1luF ， R1=470k ； ②当量程为 200mV 时， Cl=0.1uF ， Rl=27k (5)C01 、 C02 ：外接失调补偿电容 C0 端， C0 的典型值为 0.

1uF 。 (6)DU ：更新转换结果输出的输入端。当 DU 与 EOC 连接时，

每次转换结果都被更新。 (7)CLKI 、 CLKO ：时钟振荡器外接电阻 Rc 端。 Rc 的典型

值为 470k ，时钟频率随着 Rc 的增加而下降。当 CLKO 为 66kHz 时， 5G14433 工作在最佳状况， CLKO 最高不超过 300kHz 。

(8)VEE ：模拟部分的负电源端，接 -5V 。 (9)Vss ：数字地。 VDD ：正电源端。

(10)EOC ：转换周期结束标志输出。每当转换周期结 束，EOC 端输出一个宽度为时钟周期一半的正脉冲。

(11)/OR ：过量称标志输出。当 1Vx1>Vref 时， /OR 端输出低电平。

(12)DSl—DS4 ：多路选通脉冲输出端。 DSl 对应千位， DS4对应个位。如图所示。

1/2CLK(周期） ≈16400个时钟脉冲周期

E0C

DS118个时钟脉冲周期

1/2位2个时钟脉冲周期

DS2

DS4

DS3

（最高位）

（最低位）

(13)Q0—Q3 ： BCD 码数据输出线。其中 Q0 为最低位，Q3 为最高位。当 DS2 、 DS3 、 DS4 选通期间，输出三位完整的 BCD 码 ( 百位、十位、个位 ) ；但在 DSl 选通期间，输出端 Q0—Q3 除了表示千位为 0 或 1 外，还表示了转换结果的正负极性和欠量程还是过量程，其含义：

DS1 Q3 Q2 Q1 Q0 输出结果状态

—————————————— 1 1 x x 0 千位数为 0

1 0 x x 0 千位数为 1 1 x 1 x 0 输出结果为正 1 x 0 x 0 输出结果为负 ——————————————————————— 1 0 x x 1 输入信号过量程 1 1 x x 1 输入信号欠量程

二、 5G14433 和 MCS—51 的接口 由于 5G14433 的结果输出是动态的， Q0—Q3 和 DSl—DS4 都不是总线式的，因此必须通过并行接口和 MCS—51 相连。图为 5G14433 和 8031P1 口相连的接口逻辑。

12345678

13

20212223191817161497 8

Q0Q1Q2Q3DS1DS2DS3DS4EOCDU

P1.0

P1.7

INT1

0.1μ 470K

6 5 4

1312

24+5V

5G1403

5G14433

300K11 10

1K21

-5V

2

3

1

0.47μ

0.2μ

VX

0.1μ

+5V

EA

3

将 A ／ D 转换结果存人 8031内部 RAM 的 20H 、 21H单元，按如下格式存放：

设 8031内部 RAM 可寻址位 10H设为量程错标志位。

读取 A ／ D 转换的结果。 程序清单如下：

PINT1: MOV A ， P1 ；读 P1 口

JNB ACC ． 4 ， PINTl ；查 DSl

符号 × × 千位 百位

D7 D4 D3 D0

20H

07H 04H

千位 个位

D7 D4 D3 D0

21H

JB ACC.0 ， PERR ; 判超量程 JB ACC.2 ， PLl ; 判极性 SETB 07H ； 为负，符号位置 1 AJMP PL2

PLl ： CLR 07H ； 为正，符号位清 0

PL2 ： JB ACC.3 ， PL3 ； 判千位 SETB 04H ； 千位为 1 AJMP PL4

PL3 ： CLR 04H ； 千位为 0

PL4 ： MOV A ， P1 JNB ACC.5 ， PL4 ；查 DS2 MOV R0 ， #20H XCHD A ， @R0 ； 保存百位

PL5 ： MOV A ， P1

JNB ACC.6 ， PL5 ；查 DS3 SWAP A INC R0 MOV@R0 ， A ； 保存十位PL6 ： MOV A ， P1 JNB ACC.7 ， PL6 ； 查 DS4 XCHD A ， @R0 ；保存个位 RET

PERR ： SETB l0H ； 置 1 量程错标志 RET

11.3.2 MCS-51 与 ADC0809( 逐次逼近型 ) 的接口

一、 ADC0809 的性能指标及结构原理

ADC0809 是一种典型的 A ／ D 转换器，是8 位 8 通道的 A ／ D 转换器，转换时间 100us ，输入电压范围： 0-5V 。

其引脚如下图所示。

IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALE2-1MSB2-2

2-3

2-4

2-8(LSB)REF(-)2-6

2827262524232221201918171615

1234567891011121314

ADC0809

IN3IN4IN5IN6IN7

STARTEOC

2-5

OECLKVCC

REF(+)GND

2-7

（ 1） Vcc: +5V 工作电压， GND: 数字地 （ 2） REF(+）， REF(-):参考电压正负端 （ 3） CLK: 时钟信号输入端 (内部 500KHZ) (4) EOC: 转换结束信号输出端 (5) 数据输出线： D0---D7 (6) 地址线： START:A/D 转换启动信号输入端 ALE: 地址锁存允许信号输入端 OE: 输出允许控制端

A 、 B 、 C 通道选择地址输入线

C B A 被选通的通道

C B A 被选通的通道

0 0 0 IN0 1 0 0 IN4

0 0 1 IN1 1 0 1 IN5

0 1 0 IN2 1 1 0 IN6

0 1 1 IN3 1 1 1 IN7

二、 二、 MCS-51MCS-51 与与 ADC0809ADC0809 的接口的接口

ADC0809ADC0809 与与 805l805l 之间的接口电路如下图所示。之间的接口电路如下图所示。 AA

DC0809DC0809 时钟信号由单片机的时钟信号由单片机的 ALEALE 信号２分频获信号２分频获

得（假设得（假设 fosc=6MHZ)fosc=6MHZ) 。。 ADC0809ADC0809 通道地址由通道地址由 P0 P0

口的低口的低 33 位直接与位直接与 ADC0809ADC0809 的的 AA 、、 BB 、、 CC 相连。相连。

ADC0809ADC0809 通道地址通道地址 :IN0: 7FF8H:IN0: 7FF8H IN1: 7FF9HIN1: 7FF9H … … IN7: 7FFFHIN7: 7FFFH

ALE

P0.7

P0.0

P2.7

P3.3

WR

RD

DCK

QQ CLK REF

REF

(+)(-)

位模

拟输

入

8

IN7

IN0

CBA

D7~D0

START ALE

OE

EOC

≥1

≥1

74LS373 G A7...

A2A1A0OC

ADC0809

~

1

例例 11-1 11-1 采用查询方法。通过查询采用查询方法。通过查询 (P3.3)(P3.3) 的状的状态判断态判断 AA ／／ DD 转换是否结束。分别对转换是否结束。分别对 88 路模路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果存储到外拟信号轮流采样一次，并依次把结果存储到外部部 RAMRAM 中以中以 #DATA#DATA 为首地址的为首地址的 88 个存储单个存储单元中。元中。

MAIN ： MOV R1 ， #DATA ；数据区地址指针指向首单元

MOV DPTR #7FF8H ； P2.7=0,且指向通道 0

MOV R7 ， #08H ；通道数计数器 LOOP: MOVX @DPTR,A ；启动 A ／ D 转换 LOOP1: NOP

JB P3.3, LOOP ；查询转换结束信号 EOC

MOVX A ， @DPTR ；读取转换结果 MOV @R1 ， A ；存转换结果 INC DPTR ；指向下一通道 INC Rl ；修改数据区指针 DJNZ R7, LOOP ； 8 个通道全采样完否 ? ……

11.4 模拟量输出通道的接口技术 一、芯片内设有数据锁存器 ---直接相连。如： DAC0830,0831,0832, AD558, DAC 888, AD7522

二、芯片内没有有数据锁存器 --- 通过并行或串行口相连。

如： DAC1020, DAC1220 等11.4.1 MCS-51 与 DAC0832 的接口一、 DAC0832 的特点及结构原理分辨率： 8 位稳定时间： 1us供电电源： +5v---+15v

DAC0832 是带有两级数据输人缓冲锁存器的 8 位 D／ A 转换器。其引脚如图所示。

12345678910

20191817161514131211

CSWR1

AGNDD13D12D11D10VREF

Rfb

DGND

VCC

ILE

WR2XFERD14D15D16D17IOUT2

IOUT1

(LSB)(MSB)

输入寄存器地址： ILE 为 1 ， /CS 为 0, /WR1为 0DAC寄存器地址： /WR2 为 0 ， /XFER 为 0

8位D/A转换器

8位输入锁存器

8位DAC锁存器

DI0~7

81211

2010

3

Rfb

VREF

IOUT1

IOUT2

Rfb

AGND

VCC

DGND

ILE LE1 LE2

CS

WR1

XFER

WR2

二、 DAC0832 与 MCS－ 51 的接口 单片机与 DAC0832 的接口，可根据需要按单级缓冲器方式、

二级缓冲器方式和直通方式联接。1 、单缓冲器连接方式

DAC0832 以单缓冲器方式与 8051 的接口电路图所示。

P00~7

P2.7

WR

8031

DI0~

DI7

CS

WR1

WR2

Rfb

IOUT1

AGNDIOUT21

0832

10

8

9

11

312

2

3

+12V

VOUT (0~5V)

-12V

510

8V

+5VVCC ILE

76

5

14Ω

1K

0.1

XRER

-

+G24

0.1

输入寄存器地址与 DAC寄存器地址均为 7FFFH 用该连接产生一个锯齿波信号的程序如下：用该连接产生一个锯齿波信号的程序如下：STARTSTART ： ： MOV DFTRMOV DFTR ，， #7FFFH#7FFFH MOV A, #00HMOV A, #00H

LOOPLOOP ： ： MOVX @DPTR,AMOVX @DPTR,A INC AINC A AJMP LOOPAJMP LOOP

上述程序输出的波形如下图所示。上述程序输出的波形如下图所示。

２、双缓冲器连接方式２、双缓冲器连接方式 采用双缓冲器连接方式时，采用双缓冲器连接方式时， DAC0832DAC0832 的数字量输入锁存的数字量输入锁存

和和 DD ／／ AA 转换输出分两步完成。首先，将数字量输入到各转换输出分两步完成。首先，将数字量输入到各路路 DD ／／ AA 转换器的输入寄存器，然后，控制各路转换器的输入寄存器，然后，控制各路 DD ／／ AA 转转换器，使各路换器，使各路 DD ／／ AA 转换器输入寄存器中的数据，同时进转换器输入寄存器中的数据，同时进入入 DACDAC寄存器，并转换输出。所以，在这种工作方式下，寄存器，并转换输出。所以，在这种工作方式下，DAC0832DAC0832 占用两个占用两个 II ／／ OO 地址，输入寄存器和地址，输入寄存器和 DACDAC 寄存寄存器各占一个器各占一个 II ／／ OO 地址。地址。

这种方式适用于几个模拟量同时输出的系统，每一路模拟这种方式适用于几个模拟量同时输出的系统，每一路模拟量输出需一片量输出需一片 DAC0832DAC0832 ，也可用多片，也可用多片 DAC0832DAC0832 构成多路构成多路模拟量同步输出的系统。模拟量同步输出的系统。

图为二路模拟量同步输出的 8031 系统。图中， 1#DAC0832 输入寄存器地址为 ODFFFH， 2#DAC0832 输入寄存器的地址为 OBFFFH，1#和 2#DAC0832 的第二级寄存器地址同为 7FFFH。两片 DAC0832的输出分别接图形显示器的 X、 Y 偏转放大器的输入端。

CS¯¯

¯¯¯¯

¯¯¯¯XFER

DI0~7

ILERFBIOUT1

IOUT2

AGNDDGND

WR1

WR2DAC08321#

1211

89

+12V

_

+5 G24

VREF(-5V)

2

3

4

6

5

-12V

+5VVCC

CS¯¯

¯¯¯¯

¯¯¯¯

¯¯¯¯

¯¯¯¯

XFER

DI0~7

ILERFBIOUT1

IOUT2

AGNDDGND

WR1

WR2

DAC08322#

1211

89

+12V

_

+5 G24

VREF(-5V)

2

3

4

6

5

-12V

VCC

P2.5

P2.7

WR

P0.0~0.7

8031

P2.6

16

2628

27

0~5V

0~5VX

Y

图形显示器

8031执行下面的程序段，将使图形显示器的亮点移动到一个新的位置：

①MOV DPTR ， #0DFFFH ②MOV A ， #DATAX ③MOVX @DPTR ， A ; 数据 X打人 1# 输入寄存器 ④MOV DPTR ， #0BFFFH ⑤MOVA ， #DATAY ⑥MOVX @DPTR ， A ; 数据 Y打人 2# 输入寄存器 ⑦MOV DPTR ， #7FFFH ⑧MOVX @DPTR ， A 1#2# 输入寄存器的内容 同时打人各自的 DAC寄存器中