MCS-51单片机与A/D转换器芯片的接口技术优势

模/数（A/D）转换技术在数字测量和数字控制技术中非常重要。单片机用于实时控制和智能仪表等应用系统时，数据采集的被检测信号常常是连续变化的模拟量（如温度、压力、速度流量等物理量），这些模拟量必须经过A/D转换器转换成数字量才能送给单片机处理。A/D转换器实现将模拟量转换成数字量。本节就介绍A/D转换器与单片机的接口问题。

8.2.2.1　A/D转换器概述

目前A/D转换芯片种类繁多，对设计者来说，只需合理的选择芯片即可。现在部分的单片机片内也集成了A/D转换器，在片内A/D转换器不能满足需要，还是需外扩A/D转换器。

根据内部原理的不同，A/D转换器可分为下面4种：

（1）逐次比较型A/D转换器是逐次逼近式的，它是一种速度较快，精度较高的转换器，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间，在精度、速度和价格上都适中，它是最常用的A/D转换器。常见的逐次比较型A/D转换器为ADC0809、AD1674等。

（2）双积分型A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，与逐次比较型A/D转换器相比，转换速度较慢，近年来在单片机应用领域中也得到广泛应用。常见的双积分型A/D转换器为MC14433、ICL7135等。

（3）V/F型A/D转换器在某些要求数据长距离传输，精确度要求较高的场合，采用一般的A/D转换技术有多不便，可使用V/F转换器代替A/D器件。V/F转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，有良好的精度、线性和积分输入特点，此外，它的应用电路简单，外围元件性能要求不高，适应环境能力强，转换速度不低于一般的双积分型A/D器件，且价格低，因此V/F转换技术广泛用于非快速而需进行远距离信号传输的A/D转换过程中。常用的通用型的V/F转换器为LM331等。

（4）∑—Δ式ADC具有积分式与逐次比较型ADC的双重优点。它对工业现场的串模干扰具有较强的抑制能力，不亚于双积分ADC，它比双积分ADC有较高的转换速度，与逐次比较型ADC相比，有较高的信噪比，分辨率高，线性度好，不需要采样保持电路。由于上述优点，∑—Δ式ADC得到了重视，已有多种∑—Δ式A/D芯片可供用户选用，如24位的ADS1210/1211等。

按照输出数字量的有效位数，A/D转换器可分为4位、8位、10位、12位、14位、16位并行输出以及BCD码输出的3位半、4位半、5位半等多种。

除并行输出A/D转换器外，随着单片机串行扩展方式的日益增多，带有同步SPI串行接口的A/D转换器的使用也逐渐增多。串行输出的A/D转换器具有占用端口线少、使用方便、接口简单等优点，因此，读者要给予足够重视。较为典型的串行A/D转换器为美国TLC549（8位）、TLC1549/1543（10位）、AD7810（10位）和TLC2543（12位）等。

按照转换速度，A/D转换器大致分为超高速（转换时间≤1ns）、高速（转换时间≤1μs）、中速（转换时间≤1ms）、低速（转换时间≤1s）等几种不同转换速度的芯片。

为适应系统集成的需要，有些转换器还将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二—十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内，为用户提供很多方便。

8.2.2.2　A/D转换器的主要技术指标

1.转换时间和转换速率

A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。

2.分辨率

分辨率是衡量A/D转换器能够分辨出输入模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上用输出的二进制位数或BCD码位数表示。

例如，A/D转换器AD1674的满量程输入电压为5V，可输出12位二进制数，即用212个数进行量化，其分辨率为1LSB，也即5/212=1.22（m V），其分辨率为12位，或A/D转换器能分辨出输入电压1.22m V的变化。又如，输出BCD码的A/D转换器MC14433，其满量程输入电压为2V，其输出最大的十进制数为1999，分辨率为3位半（BCD码），如果换算成二进制位数表示，其分辨率约为11位，因为1999最接近于211=2048。

量化过程引起的误差称为量化误差。它是由于有限位数字量对模拟量进行量化而引起的误差。理论上规定为一个单位分辨率的-1/2～+1/2LSB，提高A/D位数既可以提高分辨率，又能够减少量化误差。

3.转换精度

A/D转换器的转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，可用绝对误差或相对误差表示。

8.2.2.3　MCS-51与ADC0809的接口

1.A/D转换芯片ADC0809简介

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近型8位A/D转换器，共有28个引脚，采用双列直插式封装，片内除8位A/D转换部分外，还具有8路模拟量输入通道，带有通道地址译码锁存器，输出带有三态数据锁存器，有转换启动控制和转换结束标志。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。模拟输入电压范围为0～+5V，转换时间为100μs，ADC0809的外部引脚和内部结构如图8-26所示。

图8-26　ADC0809的外部引脚和内部结构图

（1）引脚说明。共28引脚，双列直插式封装。引脚功能如下：

1）IN0～IN7：8路模拟量输入端；(www.xing528.com)

2）D0～D7：8位数字量输出端；

3）ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选择8路模拟通道中的一路，选择情况见图8-27。

图8-27　地址输入线选择情况

4）ALE：地址锁存信号输入端。高电平时把3个地址信号A、B、C送入地址锁存器，并经过译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。

5）START：转换的启动信号输入端。加上正脉冲后，A/D转换才开始进行。在正脉冲的上升沿，所有内部寄存器清零。在正脉冲的下降沿，开始进行A/D转换。在此期间START应保持为低电平。

6）EOC：转换结束信号输出端。在START下降沿后10μs左右，EOC为低电平，表示正在进行转换；转换结束时，EOC返回高电平，表示转换结束。EOC常用于A/D转换状态的查询或作中断请求信号。

7）OE：输出允许控制输入端。OE直接控制三态输出锁存器输出数字信息，高电平有效。当转换结束后，如果从该引脚输入高电平，则打开输出三态门，允许转换后的结果从D0～D7送出。若OE输入低电平，则数字输出口为高阻态。

8）CLK：时钟信号输入端。ADC内部没有时钟电路，故需外加时钟信号。其最大允许值为640k Hz，通常使用500k Hz的时钟信号。

9）V REF+、VREF-：基准电压输入端。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为V REF+=+5V，VREF-=0V。

10）VCC ：电源，接+5V电源；GND：地引脚。

（2）ADC0809的工作过程。ADC0809的工作时序如图8-28所示。完成一次转换所需要的时间为66～73个时钟周期。ADDA、ADDB、ADDC输入的通道地址在ALE有效时被锁存，经地址译码器译码，从8路模拟通道中选通一路。启动信号START（高脉冲）的上升沿使逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换，并使EOC信号在START的下降沿到来10μs后变为无效的低电平，这要求查询程序待EOC无效后再开始查询。当转换结束时，转换结果送入到输出三态锁存器中，并使EOC信号为高电平。通知CPU已转换结束。当CPU执行一条读数据指令后，使OE为高电平，则从输出端D0～D7读出数据。

ADC0809采用逐次比较法完成A/D转换，单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8选1模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道。完成一次转换需100μs左右（转换时间与CLK脚的时钟频率有关），具有输出TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对0～5V的模拟信号进行转换。

图8-28　ADC0809的工作时序

2.ADC0809与MCS-51单片机的接口

硬件连接。如图8-29所示的是一个ADC0809与MCS-51单片机的典型接口电路图。图8-29中，由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号ALE经74LS74 D触发器2分频后获得，ALE引脚的频率是单片机时钟频率的1/6（但要注意，每当访问外部数据存储器时，将少一个ALE脉冲）。如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE引脚的输出频率为1MHz，再二分频后为500k Hz，符合ADC0809对时钟频率的要求。当然，也可采用独立的时钟源输出，直接加到ADC的CLK脚。图中的基准电压是提供给A/D转换器在转换时所需要的基准电压，这是保证转换精度的基本条件。基准电压要单独用高精度稳压电源供给，其电压的变化要小于1LSB。否则当被变换的输入电压不变，而基准电压的变化大于1LSB，也会引起A/D转换器输出的数字量变化。

图8-29　ADC0809与MCS-51单片机的接口电路图

通道地址由MCS-51单片机的P0端口的低3位直接提供。由于ADC0809的地址锁存器具有锁存功能，所以P0.0、P0.1和P0.2可以不需要锁存器而直接与ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC连接。

MCS-51单片机通过地址线P2.7和信号线来控制ADC0809的锁存信号ALE、启动信号START、输出允许信号OE。锁存信号ALE和启动信号START连接在一起，锁存的同时启动。当P2.7和写信号同时为地电平时，锁存信号ALE和启动信号START有效，通道地址送地址锁存器锁存，同时启动ADC0809开始转换。当转换结束，要读取转换结果时，只要P2.7和读信号同为低电平，输出允许信号OE有效，转换的数字量就通过D0～D7输出。按时图中的片选接法，ADC0809的模拟通道IN0～IN7的地址为7FF8～7FFFH。

3.A/D转换应用程序举例

【例8-5】 设图8-29接口电路用于一个8路模拟量输入的巡回检测系统，分别采用查询方式和中断方式采样数据，把采样转换所得的数字量按序存储于片内RAM的30H～37 H单元中。采样完一遍后停止采集。

（1）采用查询方式结构。设数据暂存区的首地址为30H，需要进行A/D转换的模拟信号的通道个数为8。

C语言编程如下：

以上程序仅对8路通道的模拟量进行了一次A/D转换，实际中则需要反复多次的或者定时的循环检测转换。

（2）采用中断方式结构。在图8-29中，转换结束信号EOC与MCS-51单片机的外中断相连。由于逻辑关系相反，电路中通过非门连接，当转换结束时EOC为高电平，经反向后，向MCS-51单片机发出中断请求，CPU相应中断后，在中断服务程序中通过读操作来取得转换的结果。中断方式结构的程序由主程序和中断服务程序合成，中断源设为。

汇编语言编程如下：

C语言编程如下：