8位A／D转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及256R电阻阶梯网络等组成。2．ADC0809与8051接口A／D转换器芯片与单片机的接口是数字量输入接口，其原理与并行I／O输入接口相同，需要有三态门“挂上”数据总线。现以12位A／D转换芯片AD574A为例进行说明。在8051系统中使用AD574A芯片，其转换数据应分两次读出，并按高8位和低4位分次。......
2023-11-17
D/A转换器接口-单片机基础及应用
【摘要】：因为DAC0832是电流输出型D／A转换器，为得到电压的转换输出，使用时需在两个电流输出端接运算放大器，RFB即为运算放大器的反馈电阻。DAC0832的内部结构框图如图8－39所示，电阻解码网络包含在图中的8位D／A转换器中。2．DAC0832单缓冲连接方式D／A转换器与单片机的接口是数字量输出接口，与并行I／O输出接口一样，必须通过数据缓冲（锁存）器“挂”到数据总线上。所以D／A转换器接口的重点是缓冲器问题。
测控系统中的一些控制对象需要模拟信号进行驱动，例如电动机、变频压缩机、音响、电视机等，于是就把单片机输出的数字量转换为模拟量，以满足模拟控制的需要，于是在模拟输出通道中就要有D／A转换器，D／A转换器也常写为DAC（Digital to Analog Converter）。
1．D／A转换芯片
D／A转换芯片很多，现以DAC0832为例进行说明，它是美国国家半导体公司DAC0830系列中的一个芯片。
DAC0832为8位D／A转换芯片，单一+5V电源供电，基准电压的幅度范围为±10V，电流建立时间为1μs，采用CMOS工艺，低功耗（20mW），芯片为20引脚双列直插式封装。引脚排列如图8－38所示，各引脚名称及其功能说明如下：
DI7～DI0：转换数据输入。
：片选信号（输入），低电平有效。
ILE：数据锁存允许信号（输入），高电平有效。
：第一写信号（输入），低电平有效。该信号与ILE信号共同控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式。当ILE=1且
=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1且
=1时，为输入寄存器锁存方式。
图8－38 DAC0832引脚排列图
：数据传送控制信号（输入），低电平有效。
WR2：第二写信号（输入），低电平有效。与
信号合在一起控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式；当
=0且
=0时，为DAC直通方式；当
=1且
=0时，为DAC寄存器锁存方式。
IOUT1：电流输出1。当数据为全1时，输出电流最大；当数据为全0时，输出电流最小。
IOUT2：电流输出2。
RFB：反馈电阻端，即运算放大器的反馈电阻端，电阻（15kΩ）已固化在芯片中。因为DAC0832是电流输出型D／A转换器，为得到电压的转换输出，使用时需在两个电流输出端接运算放大器，RFB即为运算放大器的反馈电阻。
VREF：基准电压，是外加高精度电压源，与芯片内的电阻网络相连接，该电压可正可负，范围为－10～+10V。基准电压决定D／A转换器的输出电压范围，例如VREF接+10V，则输出电压范围是0～－10V。
DGND：数字地。
AGND：模拟地。
DAC0832的D／A转换采用T型电阻解码网络，转换电路为R－2R倒T型电阻网络，网络中的电阻阻值只有R和2R两种，容易实现集成化。其转换过程是先将各位数码按权的大小转换为相应的模拟分量，然后再以叠加方法把各分量相加，其和即为转换结果。DAC0832的内部结构框图如图8－39所示，电阻解码网络包含在图中的8位D／A转换器中。
图8－39 DAC0832内部结构框图
由图8－39可知，输入通道由输入寄存器和DAC寄存器构成两级数据输入锁存，由3个“与”门电路组成控制逻辑，产生
和
信号，分别对两个输入寄存器进行控制。当LE1
时，数据进入寄存器被锁存；当
时，锁存器的输出跟随输入。这样在使用时就可根据需要，对数据输入采用两级锁存（双锁存）形式、单级锁存（另一级直通）形式或直通输入（两级直通）形式。
两级输入锁存，可使D／A转换器在转换前一个数据的同时，将下一个待转换数据预先送到输入寄存器中，以提高转换速度。此外，在使用多个D／A转换器分时输入数据时，两级缓冲可以保证同时输出模拟电压。
2．DAC0832单缓冲连接方式
D／A转换器与单片机的接口是数字量输出接口，与并行I／O输出接口一样，必须通过数据缓冲（锁存）器“挂”到数据总线上。下面从数据转换的角度做一些说明。
D／A转换有一个过程，所需要的时间称为建立时间，不同D／A转换芯片建立时间的长短不同，从几纳秒到几微秒不等。转换时被转换数据由单片机通过输出指令送出，送出数据在数据总线上的存在时间比较短，例如8051只有1个机器周期左右。为了在两者之间进行时间协调，在单片机与D／A转换器之间必须加数据缓冲（锁存）器，先把单片机送出的数据放在缓冲器中保存，供转换器使用。所以D／A转换器接口的重点是缓冲器问题。处于简化接口的原因，许多D／A转换器芯片自带缓冲器。
DAC0832自带了两级缓冲器，所以DAC0832与8051的接口十分简单，并且有单缓冲和双缓冲两种连接方式。
所谓单缓冲连接方式，就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个（多为DAC寄存器）处于直通状态，另一个处于受控的锁存状态。在实际应用中，若只有一路模拟量输出，或虽是多路模拟量输出但并不要求输出同步，就应当采用单缓冲方式，其连接如图8－40所示。
为使DAC寄存器处于直通方式，应使
。因此，可以把这两个信号端固定接地，或如图8－40所示把
和
相连，把
和
相连。
图8－40 DAC0832单缓冲方式连接图
为使输入寄存器处于受控锁存状态，应把
接8051的
，ILE接高电平，把
接高位地址线或地址译码输出，以便对输入寄存器进行选择。
【例8－4】在一些控制应用中，需要有一个线性增长的电压（锯齿波）来控制检测过程、移动记录笔或移动电子束等。试利用DAC0832来实现锯齿波的生成。
【解】可通过在DAC0832的输出端接运算放大器，由运算放大器产生锯齿波来实现，其电路连接如图8－41所示。
图8－41中的DAC0832工作于单缓冲方式，其中输入寄存器受控，而DAC寄存器直通。假定输入寄存器地址为5000H。
图8－41 DAC0832产生锯齿波电路图
编写程序如下：
图8－42 D／A转换产生的锯齿波
由这个例题可见，在单缓冲方式下完成一次D／A转换只需3条基本指令，即地址指向受控的寄存器、转换量装入累加器A和启动D／A转换。执行上述锯齿波程序，在运算放大器的输出端就能得到锯齿波（图8－42）。
对锯齿波的产生作如下几点说明：(www.chuimin.cn)
1）程序每循环一次，R0加1，因此，锯齿波的上升边是由256个小阶梯构成的。但由于阶梯很小，从宏观上来看就如图8－42中所画的线性增长的锯齿波。
2）可通过循环程序段的机器周期数，计算出锯齿波的周期，也可根据需要，通过延时的办法来改变波形的周期。若延迟时间较短，可用NOP指令来实现（本程序就是如此）；当需要延迟时间较长时，可以使用一个延时子程序。延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。
3）通过A加1可以得到正向锯齿波；若要得到负向锯齿波，改为A减1即可实现。
4）程序中A的变化范围是0～255，因此，得到的锯齿波是满幅度的。若要求得到非满幅度的锯齿波，可通过计算求得数字量的初值和终值，然后在程序中通过置初值判终值的办法即可实现。
3．DAC0832双缓冲连接方式
所谓双缓冲连接方式，就是把DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器都接成受控锁存方式。在多路D／A转换中，如果要求同步输出，就应当采用双缓冲方式连接，如图8－43所示。
图8－43 DAC0832的双缓冲方式连接图
为了实现对寄存器的控制，应当给两个寄存器各分配一个地址，以便能单独进行操作。图8－43中是使用地址译码输出分别接
和
实现的。由8051的
为
和
提供选通信号，这样就完成了两个寄存器都可控的双缓冲接口方式。
由于两个寄存器各占据一个地址，因此，在程序中需要使用两条传送指令才能完成一个数字量的模拟转换。假定输入寄存器地址为0EH，DAC寄存器地址为0FH，则完成一次D／A转换的程序段如下：
程序段中的最后一条指令，表面上来看是把A中的数据送入DAC寄存器，实际上这种数据传送并没有真正进行，该指令只是起到打开DAC寄存器使输入寄存器中数据通过的作用，数据通过后就去进行D／A转换。
双缓冲方式的最典型应用，是在多路D／A转换系统中通过双缓冲方式实现多路模拟信号的同步输出。例如，X－Y绘图仪由X、Y两个方向的步进电机驱动，其中一个电机控制绘笔沿X轴方向运动，另一个电机控制绘笔沿Y轴方向运动。因此，对XY绘图仪的控制就有两点基本要求：一是需要两路D／A转换器分别给X通道和Y通道提供驱动信号，驱动绘笔沿X－Y轴作平面运动；二是两路模拟信号要保证同步输出，以使绘制出的曲线光滑。否则，绘制出的曲线就会呈台阶状，如图8－44所示。
在使用单片机控制绘图仪时，要使用两片DAC0832并采用双缓冲方式连接，如图8－45所示。电路中以译码法产生地址，两片DAC0832共占据3个单元地址，其中两个输入寄存器各占一个地址，而两个DAC寄存器则合用一个地址。
图8－44 单片机控制下的X－Y绘图仪输出图
图8－45 控制X－Y绘图仪的双片DAC0832接口图
编程时，先用一条传送指令把X坐标数据送到X向D／A转换器的输入寄存器；再用一条传送指令把Y坐标数据送到Y向D／A转换器的输入寄存器；最后再用一条传送指令打开两个转换器的DAC寄存器，进行数据转换，即可实现X、Y两个方向坐标的同步输出。
假定X方向DAC0832输入寄存器的地址为F0H，Y方向DAC0832输入寄存器的地址为F1H，两个DAC寄存器公用地址为F2H。X坐标数据存于Data单元中，Y坐标数据存于Data+1单元中，则绘图仪的驱动程序为
双缓冲方式的另一个特点是，可以通过输入寄存器快速修改DAC寄存器的内容，供特殊需要时使用。
习题8
1．填空题
（1）扩展并行I／O 口的编址方式有____________和____________。
（2）通过并行总线扩展I／O口时，要求输入接口具有________功能；输出接口具有________功能。
（3）MCS-51单片机在外扩ROM、RAM和I／O口时，P0口提供________总线和地址总线的________位，P2口提供地址总线的________位。
（4）外扩程序存储器时用到的控制总线有____________、___________和____________，外扩数据存储器时用到的控制总线有_____________、___________和_____________。
（5）存储芯片27128的存储容量是________字节，共有地址总线________根，数据总线________根。
（6）LED数码管按其内部电路结构可分为________结构和________结构。
（7）在单片机应用系统中，LED数码管显示电路可分为________显示方式和________显示方式。
（8）按键去抖的方法有____________和____________。
2．简答题
（1）说出线选法和译码法的优、缺点及应用场合。
（2）说出LED静态显示和动态显示的优、缺点及应用场合。
（3）MCS-51单片机如何使得内、外程序存储器和数据存储器正常工作。
3．应用设计题
（1）试用8051单片机的P0口扩展一个并行输出接口和一个并行输入接口，要求扩展的输入接口用74LS273，输出接口用74LS244，输入／输出接口地址均为0BFFFH，从74LS273输入的数据取反后由74LS244输出。画出硬件电路图并编写应用程序。
（2）试用8051单片机扩展1片程序存储器2732（容量为4K×8位）和1片数据存储器6264（容量为8K×8位），要求程序存储器的地址和内部程序存储器的地址衔接。画出硬件电路图，写出各芯片的地址范围，编写把6264某一连续的100个单元内容低4位置1的程序。
（3）试用8051单片机扩展两片6264（8KB×8位）的存储芯片、一个4×4的矩阵键盘和4位LED显示器，画出硬件电路图，写出其地址和每个键的键值，编写典型的应用程序。
（4）试用8051单片机与一片ADC0809设计一个数据采集系统，要求ADC0809的8个输入通道的地址为7FF8H～7FFFH，每个通道一次连续采集5个数据，每隔1min轮流采集一次8个通道的数据。要求采集20min的数据，把每个通道采样值分别存入片外RAM的2000H、2100H、2200H、2300H、2400H、2500H、2600H、2700H单元开始存储区中，画出硬件电路图并编写应用程序。
（5）试设计8051单片机和DAC0832数模转换芯片的接口电路，并编程实现从DAC0832输出一个等边三角形的电压波形，要求三角波的最大幅值为4．0V（假设单片机晶振为12MHz）。
（6）试用8051单片机扩展1片程序存储器2764（容量为8K×8位）、1片数据存储器6264（容量为8K×8位）和1片8255，8255上接一个4×8的矩阵键盘和6位LED显示器，要求程序存储器的地址和内部程序存储器的地址衔接。画出硬件电路图，写出各芯片的地址范围、键值，编写其初始化和各部分的典型应用程序。
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