数模及模数转换器接口71DA转换器.ppt

第7章 数模及模数转换器接口,7.1 D/A转换器,7.2 MCS-51单片机与8位D/A转换器接口技术,7.4 D/A转换器接口技术举例,7.5 A/D转换器,下页,概 述,在微机过程控制和数据采集等系统中，经常要对 过程参数进行测量和控制 。,连续变化的物理量,如：温度、压力、流量 速度、位移 等等,物理过程,单片机,传感器,A/D,D/A,执行机构,物理过程,过程控制仪表示意图,模拟量,实现模拟量 到数字量的转换,实现数字量 到模拟量的转换,AI,AO,一、 DA转换器的性能参数,有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。,（1）、分辨率,如十位DAC分辨率：,（2）、偏移误差,它是指输入数字量为0时，输出模拟量对0的偏移值,即输出电压的大小正比于输入二进制数的大小，实现数字量到模拟量的转换,（4）、精度,输出模拟电压的实际值与理想值之差。即最大静态转换误差。参考电压波动是影响因素之一。,（5）、转换速度,即每秒钟可以转换的次数，其倒数为转换时间。,上页,下页,回目录,（3）、线性度,是指D/A转换器的实际转移特性与理想直线之间的最大误差或最大偏移,8.2 MCS-51单片机与8位D/A转换器接口技术,一、0832的技术指标, 分辨率8位； 电流稳定时间1s； 可双缓冲，单缓冲或直接数字输入； 只需在满量程下调整其线性度； 单一电源供电(+5V+15V)； 低功耗，20mW；,二、DAC0832的结构及原理,8位DAC:将00H0FFH转换为相应的模拟直流电压,输入寄存器,DAC寄存器,D/A转换器,三大部分组成：,一个8位输入寄存器 一个8位DAC寄存器 一个8位D/A转换器,为寄存命令。当 =1时，寄存器的输出随输入变化； =0时，数据锁存在寄存器中，而不随输入数据的变化而变化,原理：,当ILE=1, =0， =0时， =1，允许数据输入，而当 =1时， =0，则数据被锁存,引脚功能：,三、DAC0832管脚功能,四、8位D/A转换器 接口方法,1、单缓冲型接口方法,(a),图8-4(a)的接口电路是把DAC寄存器接成常通状态；即ILE接高电平， 和 接地， 与P2.7口连接， 与单片机的 端连接。,(b),图8-4(b)的接口电路是把输入寄存器接成常通状态；即ILE接高电平， 、 接地， 与P2.7口连接， 与单片机的 端连接。,(c),图8-4(c)的接口电路使两个寄存器同时选通及锁存；即将ILE接高电平 ， 和 与单片机的 连接， 和 与P2.7口连接。,图8-5 双缓冲型接口电路,主要应用在多路D/A转换器同步系统中。,2、 双缓冲型接口方法,五、D/A转换器的输出方式,1、单极性输出,输出与数字量DATA相对应 模拟量： MOV DPTR，#7FFFH MOV A，#DATA MOVX DPTR,A,表8-1 单极性输出D/A关系,数字量与模拟量的转换关系：,单极性输出接口系统设计,题目要求：若在外部RAM区6000H607FH单元中存放着一个控制模型（128个8位二进制数），要求实现如下功能：按顺序从6000H开始的存贮区域中取出一个字节的二进制数据送往D/A转换器转换成电压输出，经过t延时后，再取下一个字节数据，转换成电压输出。直到128个字节都转换完毕。再从头重复执行上述过程。,6264地址范围：6000H7FFFH,DAC0832地址：0BFFFH,ORG 0H LJMP DA0 ； DA0： MOV R7，#128 ；置数据长度 MOV DPTR，#6000H ；预置暂存器 DA1： MOVX A，DPTR ；取数 MOV P2，#0BFH ；置D/A指针高8位 MOV R0，#0FFH ；置D/A指针低8位 MOVX R0，A ；送数 INC DPTR ；指向下一个数据 LCALL DLY ；调延时ts DJNE R7，DA1 ；128个数未完则转 LJMP DA0 ；重新开始 END ；结束,程序设计,2、双极性输出,VO2= (R2/R3)VO1+(R2/R1) VREF) 代入R1、R2、R3的值，可得： VO2= (2VO1VREF) 设VREF =5V ： 当数字量=00H时，VO1=0V， VO2= 5V； 当数字量=80H时，VO1= 2.5V，VO2=0V， 当数字量=00H时，VO1= 5V， VO2=5V。,运算放大器U3的作用是把运算放大器U2的单向输出电压转变成双向输出，其输出电压：,表8-2 双极性输出D/A关系 ,电压波形发生器,1、硬件设计,(1) 反向锯齿波程序清单 MSW：MOV DPTR，#0BFFFH ；指向D/A输入寄存器 DA0： MOV R7，#80H ；置输出初值 DA1： MOV A，R7 ；数字量送A MOVX DPTR，A ；送D/A转换 DJNZ R7，DA1 ；修改数字量 AJMP DA0 ；重复下一个波形,2、软件设计,(a),(2) 正向锯齿波程序清单 PSW： MOV DPTR，#0BFFFH ；指向D/A输入寄存器 DAP0：MOV R7，#80H ；置输出初值 DAP1：MOV A，R7 ；数字量送A MOVX DPTR，A ；送D/A转换 INC R7 ；修改数字量 CJNE R7，#255，DAP1 ；数字量255，转DAP1 AJMP DAP0 ；重复下一个波形,(3) 三角波程序清单 SSW： MOV DPTR，#0BFFFH DAS0： MOV R7，#80H DAS1： MOV A，R7 ;80H0FEH MOVX DPTR，A INC R7 CJNE R7，#255，DAS1 DAS2: MOV A，R7 ;0FFH81H MOVX DPTR，A DEC R7 CJNE R7，#80H，DAS2 AJMP DAS0,+5V,(4) 正弦波电压输出 正弦波电压输出为双极性电压，最简单的办法是将一个周期内电压变化的幅值(-5V+5V)按8位D/A分辨率分为256个数值列成表格，然后依次将这些数字量送入D/A转换输出。只要循环不断地送数，在输出端 就能获得正弦波输出。 SIN： MOV R7，#00H DAS0： MOV A，R7 ； MOV DPTR，#TABH；设指针 MOVC A，A+DPTR ；取数据 MOV DPTR，#8000H ； MOVX DPTR，A ；送D/A转换 INC R7 ；修改偏移量 AJMP DAS0 ； TAB： DB 80H，83H，86H，89H，8DH，90H DB 93H，96H，99H，9CH，9FH，0A2H DB 0A5H，0A8H，0ABH，0AEH DB 6FH，72H，76H，79H，7CH，80H,8.5 A/D转换器,把连续变化的模拟量转换为相应位数的数字量。,广泛应用的三种类型ADC: 逐次逼近型ADC,如8位ADC0809,12位ADC1210,AD574等； 双斜率式积分式ADC，如MC14433(三位半)，icl7135(四位半)等； V/F变换式ADC，如LM331,AD650等,ADC的主要技术指标,其他重要指标：工作温度、精度、量程等,器件的最小量化单位，通常用数字量的位数累表示。位数越高，分辨率越高，转换期间对输入量微小变化的反应越灵敏。,完成一次A/D转换所需要的时间。表明器件速度的快慢，逐次逼近型ADC转换时间是微妙级的，双斜率式积分式ADC转换时间是百毫秒级的，V/F变换式ADC转换时间根据精度要求确定达到哪个秒级。,1、分辨率：,2、转换时间：,8.6 MCS-51单片机与8位A/D转换器接口技术,1、ADC0809的主要功能：, 分辨率为8位。 总的不可调误差在(1/2)LSB和1LSB范围内。 典型转换时间为100s。 具有锁存控制的8路多路开关。 具有三态缓冲输出控制。 单一+5V供电，此时输入范围为05V。 输出与TTL兼容。 工作温度范围4085。,(1) IN0IN7：8个模拟量输入端。,(2) VREF (+)，VREF ()：正负参考电压，用来提供D/A转换器的基准参考电压。一般VREF (+)接+5V高精度参考电源，VREF ()接模拟地。,(3)START：启动A/D转换，当START为高电平时，A/D开始转换。,(4) EOC：转换结束信号。当A/D转换结束时，由低电平转为高电平。此信号可用作A/D转换是否完成的查询信号或向CPU请求中断的信号。,2、引脚介绍,OE（OUTPUT ENABLE）：输出允许信号或称为A/D数据读信号。当此信号为高电平时，可从A/D转换器中读取数据。此信号可作系统中的片选信号。 CLK：工作时钟，最高允许值为1.2MHz，可通过外接振荡电路改变频率，也可用系统ALE分频获得，当CLK为640kHz时，转换时间为100s。 (6) ALE：通道地址锁存允许，上升沿有效，锁存C、B、A通道地址，则选中的通道的模拟输入送A/D转换器。 (7) A、B、C：通道地址输入，C为最高，A为最低。 (8) D0D7：数字量输出线。 (10) VCC，GND：电源电压VCC接+5V，GND为数字地。,3、转换时序,4、 8031与ADC0808/0809接口设计,接模拟量,例8-1 模拟量由通道0输入，转换成对应的数字量之后存入内部RAM的40H单元中。 程序清单： MOV R0，#40H ；置数据缓冲区指针 MOV DPTR，#7FF8H ；置IN0通道地址 MOVX DPTR，A ；IN0接A/D，并启动A/D JB P3.2，$ ；为高，则继续查询 MOVX A，DPTR ；数据读入A MOV R0，A ；存入40H单元,(1) 程序查询方式,根据测量系统要求不同以及CPU忙闲程度，通常多采用三种软件编程控制方式：程序查询方式、延时方式和中断控制方式。,2. ADC0808/0809转换器程序设计方法,程序清单：CLR A ； MOV R2，A ； MOV R3，A ；清除工作单元R3R2 MOV R7，#8；作采样次数计数器 MOV DPTR，#7FFFH ；选IN7通道 L1：MOVX DPTR，A ；启动A/D转换 JB P3.2，$ ；等待A/D转换结束 MOVX A，DPTR ；采样 ADD A，R2 ；加低8位 MOV R2，A ；存低8位 MOV A，R3 ；取高8位 ADDC A，#0 ；加CY MOV R3，A ；存高8位 DJNZ R7，L1 ；未完则继续,MOV R7，#3 ；R7作移位计数器 L2: CLR C ；清除CY MOV A，R3 ； RRC A ； MOV R3，A ； MOV A，R2 ； RRC A MOV R2，A ； DJNZ R7，L2 ；R3R2内容右移三次即除8 MOV 7FH，A ；存算术平均值,例8-2 求通道7模拟量8次采样的算术平均值，并存入内部RAM的7FH单元中。,这种取8次采样平均值的方法，可以消除干扰，使采样数据更稳定可靠。,(2) 延时方式读取ADC值,若8031的晶振为6MHz，ALE为1MHz，A/D转换时间小于100s，则延时程序清单如下： MOV Rn，#25 ；延时常数 DJNZ Rn，$ ；重复执行一次4s 为了确保转换完成，延时时间一定要大于A/D转换时间,(3) 中断采样方式,采用中断方式。在中断方式中，CPU启动A/D转换后，可以继续执行主程序。当A/D转换结束时，发出一转换结束信号EOC，该信号经反相器接8031的P3.2()引脚，向CPU发出中断请求。CPU响应中断后，即可读入数据并进行处理。,例8-3 根据图8-22接口电路连接图，采用中断方式对IN0通道的模拟输入量依次采样16个点，存放在内部数据存贮器70H7FH单元中待用。 程序分为三部分： 初始化程序：对中断和各工作单元初始化； 主程序：启动A/D转换、控制通道地址/数据存贮器地址修改； 中断服务程序：读取A/D转换器数据、送存。,程序清单如下： ORG 0 LJMP START ORG 03H LJMP INT0P；初始化程序 START： MOV R0，#70H ； RAM首地址 MOV R7，#16 ； 计数器 MOV SP，#3FH ； 设堆栈区 SETB IT0 ； 边沿触发 SETB EX0 ； 开中断 SETB EA ； CPU开中断 MAIN0： MOV DPTR，#7FF8H；通道首址MAIN： CLR F0 ； 清F0 MOVX DPTR，A ；启动转换 TEST: JNB F0，DONE ； 测试 DJNZ R7，MAIN ；16个点未 完，则继续 ； DONE： ； 继续执行 SJMP TEST,；中断处理程序 INT0P： PUSH ACC ；进栈 SETB F0 ；置位F0 MOVX A，DPTR；读A/D转换数据 MOV R0，A ；A/D数据送存RAM INC R0 ；地址加1 POP ACC ；退栈 RETI ；返回,8.8 测控系统中的模拟量输入通道,8.8.1 模拟量输入通道的结构形式,1. 共享采/保电路和A/D转换器方式,2. 多路采/保电路共享A/D转换器方式,3. 多路A/D转换器并行工作方式,8.8.2 多通道模拟开关,目前，可供微机测控系统使用的集成化多通道模拟开关有4选1，双4选1，8选1，双8选1和16选1五种类型。常用的芯片有CD4051(8选1)，CD4052(双4选1)，AD7501/AD7503(8选1)，AD7506(16选1)，DG508(8选1)等。,模拟输入端,模拟输出端,正电源（+5 +15）,负电源（-5 -15）,通道地址线,禁止控制端,电源地线,多通道模拟开关的扩展应用,用两片CD4051和一反相器可组成16选1的16通道模拟开关电路,8.8.4 采样/保持电路,对于一个动态模拟信号在模拟转换过程中，输入的模拟信号是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度,要求输入模拟量在整个模数转换过程中被“冻结”起来，保持不变。但在转换之后，又要求A/D转换器的输入端能跟踪输入模拟量的变化，能完成上述任务的器件叫采样/保持电路，简称采/保(S/H)。,最基本的采/保电路由模拟开关，保持电容和缓冲放大器组成,采/保集成电路,最常用的采/保集成电路有AD582、AD583、AD585以及国家半导体公司的LF398等。,保持电容CH值的大小一般由采样频率和系统所要求的采样精度来选择，采样频率越高，CH值越小，但此时输出衰减速度加快，采样精度下降，因此两者需要综合考虑。通常在一些采样检测的系统中，CH值一般选择在几百pF到0.01F之间。,8.9 A/D转换中数字滤波程序设计,在A/D转换过程中，由于被测对象工作环境有时比较恶劣，输入信号中常含有各种噪声和干扰，如电场、磁场以及温湿度场等的辐射引起的干扰，影响了系统的稳定性和精度,需采取一定的抗干扰措施.,微机组成的测控系统中则常采用数字滤波的方法,8.9.1 算术平均值法滤波,算术平均值法是按输入N个采样数据Xi(i=1N)计算它们的算术平均值作输入信号Y，即：,对速度要求不高的系统可采用这一方法,8.9.2 中值法滤波,对参数连续采样N次(一般N为奇数),从大到小或从小到大，按递增或递减顺序排序,取中间值作本次采样值,可提高采样精度，它不像算术平均值法滤波连同干扰信号一同计算进去，检测结果仍受到一定影响，但若N较大，N次采样时间仍比较长。,8.9.3 滑动平均值法滤波,在RAM区中设置一个先进先出的循环队列作测量数据缓冲区，其长度固定为N，每采样一个新数据，就将其存入队尾，而丢掉原来队首的一个数据，而后求出包括新数据在内的N个数据的算术平均值。这样每进行一次采样，就可计算出一个新的平均值，从而提高了系统响应速度和测量精度。,8.9.4 程序判断法滤波,根据经验，确定两次采样值所允许的最大偏差x。若先后两次的采样XnXn1x，则表明该输入是干扰信号，应该丢掉，用上次采样值作本次采样值；若XnXn1x，则表明本次采样值没有受到干扰，本次采样有效。当采样值xi0时，则应求补取其绝对值。,8.9.5 复合法数字滤波,为了进一步提高系统精度，有时可以把两种或两种以上滤波方法结合起来使用，组成复合数字滤波器，或称为多级数字滤波器。例如，先采用程序判断法采样A/D转换器，去掉电网波动和传感器失真，然后用算术平均值法滤波，使检测数据更逼近真实情况。也可以采用中值法滤波，比如连续采样3次，去其中最大值和最小值，取其中间值，有效地去掉干扰信号，再用滑动平均值法滤波，既提高了速度，又提高了系统精度，获得理想的滤波效果。,8.6 MCS-51单片机与12位A/D转换器接口技术,1、AD574的主要功能：, 分辨率：12位 非线性误差：(1/2)LSB 模拟输入 (两个量程)：双极性5V、10V，单极性010V、020V。 供电电源：VLOGIC逻辑电源+5V，VCC（+12V/+15V），VEE（12V/15V）。 内部参考电平10.000.1(max)V 转换时间25s 低功耗390mW,(1) DB0DB11：12位数据。,(2) 片选线，低电平有效,(3) CE ：片使能，高电平有效。 CE 均有效时，AD574才能操作，否则处于禁止操作状态。,2、引脚介绍,(4) R/ ：读出和启动转换控制线：当R/ =0时，启动AD574转换；当R/ =1时，读AD574转换结果。 ,表8-3 AD574控制信号真值表,R/,12/,低4位加上尾随4个0,1,地,1,0,1,高8位并行输出,0,地,1,0,1,12位并行输出,+5V,1,0,1,启动8位转换,1,0,0,1,启动12位转换,0,0,0,1,禁止,1,禁止,0,工作状态,A0,CE,(7) STS：转换状态信号输出。STS