单片机基础及应用10：单片机A/D及D/A转换接口介绍

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一、单片机测控系统与模拟输入通道
. U) p9 ]6 K9 _1 、单片机测控系统概述
测控包含“测”与“控”两个过程。
所谓“测”就是实时采集被控对象的物理参量，诸如温度、压力、流量、速度和转速等。这些参量通常都是模拟量，即连续变化的物理量。
所谓“控”就是把采集的数据经单片机计算、比较等处理后得出结论，以对被控对象实施校正控制。但经单片机处理后得到的是数字量结果。
测控系统离不开模拟量与数字量的相互转换，因此，模/数(A/D)与数/模(D/A)转换也就成了测控系统的重要内容。

2、 模拟输入通道
* J7 S: U5 C1 W" Z9 p7 f# r模拟输入通道的工作从采集信号开始。由于传感器采集到的模拟信号幅值通常很小，而且连续变化的信号容易受到干扰，因此，要对传感器采集到的原始信号进行放大、采样、保持、滤波等处理后，才能送给A/D转换器。这一系列的处理过程构成了模拟输入通道，如下图：
) c: G5 A6 b2 v  J, E: z4 Y4 A( A
4 j& O2 D; u$ @5 y- J, T（1）传感器
5 p$ O! ^, Z$ b: a" S! P6 `0 a传感器的主要功能是采集信号，也兼有信号转换功能，即把采集到的非电信号转换为电信号(电压或电流)，以便于后续处理。传感器的种类繁多，常用的传感器有如下几种：
① 温度传感器：用于将温度转换为电信号。
6 k1 ^2 ~0 `* M# j② 光电传感器：利用光电效应将光信号转换为电信号。
1 E, e9 }$ [3 F& C9 H③ 湿度传感器：常用的湿度传感器有毛发湿度计、干湿球湿度计、金属氧化物湿敏元件等。
④ 流量传感器：用于测量液体和气体的流量。常用的流量传感器有速度式流量计和容积式流量计等。
⑤ 压力传感器：用于大气压力(气压)测量和容器壁压力测量等。
⑥ 机械量传感器：常用的机械量有拉力、压力、位移、速度、加速度、扭矩及荷重等。常见的机械量传感器有电阻应变片、力传感器、荷重传感器、位移传感器和转速传感器等。
⑦ 成分分析传感器：用于对混合气体或混合物的成分进行自动分析。
4 ^- ]- J+ F# |: z1 b6 o⑧ pH值传感器：用于测量水溶液的酸碱度。
0 v2 |# ]" M7 v+ k7 q（2） 放大器
% c  j; I! Y% j8 ^/ d0 h& L. Q传感器得到的电压或电流信号往往幅度较小，难以直接进行A/D转换，需要使用放大器对模拟信号进行放大处理。
放大器的种类很多，但在模拟输入通道中使用的是一种具有高放大倍数并带深度负反馈的直接耦合放大器，由于它可以对输入信号进行多种数学运算(例如比例、加、减、积分和微分等)，所以称为运算放大器。运算放大器具有输入阻抗高，增益大，可靠性高，价格低和使用方便等特点。现在已有各种专用或通用的运算放大器可供选择。
（3）采样/保持电路
, C" i3 |# F. k: y8 O; K采样是为了跟踪输入信号的变化，其实质是将一个连续变化的模拟信号转换为时间上离散的采样信号，采样频率要远高于模拟信号中的最高频率成分(一般为2.5倍)。
2 d# }5 Q2 r) _' i, c保持则是为了把采样信号保持一段时间，因为其后的A/D转换需要有一个时间过程。在保持期间要维持信号的稳定，尽可能保持信号不变。
; ], A' [9 S$ A$ T在模拟输入通道中，采样电路和保持电路是合在一起的，称为采样/保持电路。如下图所示：
, W# Z: X- T* A4 E  P. J5 e5 ]+ w
（4） 滤波器
; C9 X" b% r- F滤波可分为模拟滤波和数字滤波两种。
! b0 g% F* `& S1 \5 C模拟滤波由电子元器件搭建的滤波电路完成，模拟滤波又可分为无源和有源两种。无源滤波是使用无源器件(电感、电容和电阻)构成的滤波电路。有源滤波器则是用放大器和电容、电阻构成的滤波电路。
数字滤波，就是通过程序对采样信号进行平滑加工，以提高其有用信号，消除或抑制干扰信号。有多种数字滤波程序，例如，程序判断滤波程序、中值滤波程序、算术平均滤波程序、加权平均滤波程序、一阶滞后滤波程序以及复合滤波程序等。
! }4 G! ^; o! ]/ K' Z与模拟滤波相比，数字滤波具有众多优点，所以在现代测控系统中广泛使用数字滤波。数字滤波不但不需要硬件设备，而且使用也很方便，只需在程序进入数据处理或控制算法前，附加一段滤波程序即可。
（5） 多路转换
+ j7 {% ]* ~& H3 ?: {% }1 ~; M: F许多测控系统都是多路系统，以便进行多路参量采集。在多路系统中，只要速度允许，就应该采用多通道共用一个A/D转换器的方案，以简化结构降低成本。需要在模拟输入通道中设置一个多路开关进行通道切换，以实现各通道逐个、分时地被轮流接通。
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- f) g  P4 h9 P二、A/D转换器接口
1 、8位A/D转换芯片与80C51接口
/ }1 a+ W- H5 B2 w' U# o" }（1）ADC0809芯片
ADC0809采用逐次逼近式A/D转换原理，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与译码电路，转换时间为100 μs左右。ADC0809的内部逻辑结构如下图所示：
  x' v, Z9 t. n, B3 `2 C
图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换芯片进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。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。输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。

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架海梁心

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