十四节数模和模数转换电路PPT课件.ppt

第十四节数 模和模 数转换电路 1 数 模和模 数转换电路的概念 在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中 被控制或被测量对象的有关变量 往 往是一些连续变化的模拟量 如温度 压力 流量 速度等物理量 这些模拟量必须转换 成数字量后才能输入到计算机进行处理 计算机处理的结果 也常常需要转换为模拟信 号 驱动相应的执行机构 实现对被控对象的控制 若输入是非电的模拟信号 还需通过 传感器转换成电信号 实现模拟量变换成数字量的设备称为模数转换器 A D 数字量转 换成模拟量的设备称为数模转换器 D A 2 具有模拟量输入和模拟量输出的MCS 51应 用系统结构 模数 数模转换技术是数字测量和数字控制领域中的一个专门分支 在微电子技术已 取得巨大成果的今天 对那些具有明确应用目标的单片微机产品的设计人员来说 只需 要合理地选用商品化的大规模A D D A电路器件 了解它们的功能和接口方法即可 3 14 2 1DAC0832的引脚功能 DAC0832是一典型的8位并行D A转换器 为20引脚的双列直插式封装DAC0832内部主要由两个8位的寄存器和一个8位的D A转换器及一些控制逻辑组成 其内部结构及引脚排列如下图所示 4 DI0 DI7 8位数据输入引脚 逻辑电平与TIL兼容 ILE 输入数据锁存允许端 高电平有效 CS 芯片片选输人端 低电平有效 WR1 输入寄存器的写信号 低电平有效 当 ILE及信号同时有效时 DI0 DI7的数据被锁存到输入寄存器 XFER 数据传送控制器信号 低电平有效 WR2 DAC寄存器的写信号 低电平有效 当和信号同时有效时 将输入寄存器中的内容锁存到DAC寄存器中 VREF 基准参考电压源输入端 电压范围 10 10VIOUT1 输出电流1 其值随转换的输入数据线性变化 输入数据为0FFH时 IOUT1输出最大 输入数据为00H时 IOUT1输出最小 IOUT2 输出电流2 RFB 芯片内部反馈电阻输入引脚 为使用外部运算放大器时提供反馈电阻 VCC 芯片工作电源电压 范围 5 15V AGND 模拟地 模拟信号和基准电源的参考地 DGND 数字地 工作电源和数字逻辑地 5 14 2 2DAC0832的工作方式 1 直通工作方式当0832所有的控制信号 CS WR1 WR2 ILE XFER 都为有效时 两个寄存器处于直通状态 此时数据线的数字信号经两个寄存器直接进入D A转换器进行转换并输出 此工作方式适用于连续反馈控制中 2 单缓冲工作方式单缓冲工作方式是使两个寄存器始终有一个 多为DAC寄存器 处于直通状态 另一个处于受控状态 如使 WR2 0和 XFER 0 或将 WR1与 WR2相连及 XFER与 CS相连 则DAC寄存器处于直通状态 输入寄存器处于受控状态 应用系统中如只有一路D A转换 或有多路转换但不要求同步输出时 可采用单缓冲工作方式 3 双缓冲工作方式双缓冲工作方式是使输入寄存器和DAC寄存器都处于受控状态 这主要用于多路D A转换系统以实现多路模拟信号的同步输出 例如有三个八位二进制数 分别先后进入三个DAC0832芯片的输入寄存器 这时若将三个DAC0832的DAC寄存器的锁存信号同时变为低电平 三个DAC0832的引脚 WR2 XFER分别接在一起 即可达到此目的 则分别先后锁存在三个DAC0832芯片的输入寄存器中的数据同时打入其DAC寄存器 并随之进行数模转换 同时输出相应的模拟量 若三个DAC0832芯片的DAC寄存器处于直通状态 就无法控制三路模拟信号的同步输出 6 14 3DAC0832与单片机的接口及应用 图中为采用单缓冲工作方式的一路D A输出与8051单片机的连接图 图中采用将芯片两级寄存器的控制信号并接的方式 即将DAC0832的 WR1和 WR2并接后与805l的 WR信号线相连 CS和 XFER并接后与P2 7相连 并将ILE接高电平 在这种工作方式下 输入数据在控制信号的作用下 送入DAC寄存器 再经D A转换输出一个与输入数据对应的模拟量 D A转换器的基准电压VREF由稳压管上的电压分压后提供 图中运算放大器的作用将D A转换器输出电流转换成电压输出 7 D A转换程序设计 图中的接法是采用线选法把DAC0832当作8031扩展的一个并行I O口 当P2 7 0时 则信号 CS和 XFER有效 若设其它无关的地址位为 1 则DAC0832的口地址为7FFFH 将一个8位数据送入DAC0832完成转换的指令如下 MOVDPTR 7FFFH 指向0832的口地址MOVA data 待转换的数据送AMOVX DPTR A 写入0832 即实现一次转换并输出 8 1 锯齿波 利用D A转换 可方便编程输出各种不同的程控电压波形 以下几个程序实例可在图中的运放输出端产生不同的电压输出波形 1 产生锯齿波MOVDPTR 7FFFH 指向0832的口地址MOVA 00H 将最小数字量00H送ALOOP MOVX DPTR A A中数据送0832转换 输出对应 的模拟量INCA A中内容加1LJMPLOOP 继续循环转换 9 2 产生方波MOVDPTR 7FFFH 指向0832的口地址LOOP MOVA 0FFH 将最大数字量0FFH送AMOVX DPTR A 送D A转换输出对应的模拟量LCALLDEL 调延时子程序MOVA 00H 将最小数字量00H送AMOVX DPTR A 送D A转换输出对应的模拟量LCALLDEL 调延时子程序LJMPLOOP 继续循环转换DEL 延时子程序略 2 方波 10 3 产生三角波MOVDPTR 7FFFH 指向0832的口地址MOVA 00H 将最小数字量00H送ALOOP1 MOVX DPTR A 送D A转换输出对应的模拟量INCA A中内容加1CJNEA 0FFH LOOP1 判A中内容是否到最大值 不到则转LOOP1继续LOOP2 MOVX DPTR A 已到 则送最大值至D A转换 输出对应的模拟量DECA A中内容减1CJNEA 00H LOOP2 判A中内容是否到最小值 不到则转LOOP2继续LJMPLOOP1 已到 转LOOPl继续循环 3 三角波 12 14 4A D转换器的介绍 用于模 数 A D 转换的集成芯片种类很多 按其转换原理可分为计数比较型 逐次逼 近型 双积分型等等 不同A D转换器芯片在速度 精度和价格上均有差别 其分辨率 输出转换结果的二进制数或BCD码位数 也有8位 10位 12位及16位等多种 这也是 应用选型时应主要考虑的因素 由于逐次逼近法A D转换器在精度 速度和价格上都适中 8位的分辨率也可满足一般 的应用要求 是最常见的A D转换器件 下面我们主要介绍逐次逼近型A D转换器的工作 原理及典型芯片ADC0809与单片机的接口方法 13 A D转换器的工作原理 逐次逼近法A D转换器也称逐次比较法A D 对于一个输出为N位的逐次逼近法A D转 换器 其内部原理框图如图所 示 主要以一D A 数 模 转换为基 础 加上比较器 N位逐次逼近寄存 器 置数控制逻辑电路以及时钟等组 成 它通过对最高位 DN 1 至最低 位 D0 的逐次检测比较来逼近被转 换的输入电压 转换原理为 在启动信号控制下开始转换 置数控制逻辑电路首先置N位寄存器最 高位 DN 1 为1 其余位清0 随后N位寄存器的内容经D A转换后得到整个量程一半的 模拟电压VN 通过电压比较器与输入电压VX比较 若VX VN时 则保留DN 1 1 若 VX VN时 则DN 1位清0 然后 控制逻辑使N位寄存器的下一位 DN 2 置l 与上次的结 果一起经D A转换再后与VX比较 重复上述过程 直至判断出位D0取1还是0 然后 DONE发出信号表示转换结束 经过上述N次比较后 N位寄存器中的数据就是与输入模拟量对应的数字量 经输出缓 冲器输出即完成了转换 整个转换过程就是这样通过逐次比较逼近的方式实现的 转换速度 由时钟频率决定 一般在几微秒到上百微秒之间 14 14 5ADC0809芯片结构及引脚 ADC0809是一典型的逐次逼近型8路模拟量输入 8位数字量输出的A D转换芯片 采 用CMOS工艺制造 28引脚双列直插式封装 图为ADC0809的内部结构逻辑 图 和ADC0809的 引脚图 15 ADC0809芯片引脚功能 为了实现8路模拟量的A D转换 芯片内部集成有一个多路模拟开关 由地址译码器译码后可选通一路模拟量输入 8路模拟量共用一个A D转换器进行转换 转换结果送入输出锁存器锁存和输出 当外加时钟频率为640kHz时 转换时间为64us 芯片引脚功能说明如下 IN0 IN7 8路输入通道的模拟量输入端D0 D7 8位数字量输出端START 启动信号 加上正脉冲后 开始启动A D转换 此信号要求保持200ns以上 ADDA ADDB ADDC 地址线 用于选择所需的模拟输入通道 其地址状态与模拟输入通道的对关系如表所示 EOC 转换结束输出信号 转换开始后 EOC信号变低 转换结束时 EOC返回高电平 查询这个引脚的信号状态可知A D转换器是否转换结束 也可以直接用作转换结束的中断请求信号 CPU通过中断服务子程序读取转换后的数字量 OE 输出允许控制端 CLK 时钟信号 频率范围 10kHz 1 2MHz 通常采用500kHz VCC 芯片电源电压 由于是CMOS芯片 故允许的电源范围较宽 5V 15V GND为地端 VREF 和VREF A D转换器的正负基准参考电压输入端 一般可将VREF 与VCC连接在一起 VREF 与GND连接在一起 ALE 地址锁存信号 信号的上跳沿把三位地址信号送入地址锁存器 并经译码器得地址输出 以选择相应的模拟输入通道 16 14 6ADC0809与MCS 51单片机的接口方法 图中用于选通8路模拟输入的3根通道地址线A B C可直接与8031的P0 0 P0 2相 连 这是因为0809芯片内部具有通道地址锁存功能 采用线选法寻址 由8031的地址总线 P2 0和 RD WR信号线共同配合以控制A D转换器输入通道地址的锁存 启动转换和输出允 许 17 按ADC0809的3根通道地址线ADDA ADDB ADDC及8031的地址线P2 0的接法 并设其它无关位 为 1 可知对应8个模拟量输入IN0 IN7的地址依次为FEF8H FEFFH 只要向FEF8H FEFFH中任何一个地址进行写操作即可启动对指定通道地址的转换 例如 把输入通道2 IN2 的模拟量转换为数字量 则单片机需提供的地址用二进制表示为 二进制数转换为十六进制数 则地址为FEFAH 从图中看出 8031的P0 0 P0 2与选通8路模拟输入的3根通道地址线ADDA ADDB ADDC相连 故当P0 0 0 P0 1 1 P0 2 0时 模拟通道IN2可被选择 18 当P2 0 0并执行写操作时 写操作指令MOVX DPTR A WR为 0 P2 0与 WR经过与非门 使启动信号START和地址锁存信号ALE同时为高电平 这样低三位地址P0 0 P0 1 P0 2 在地址锁存信号ALE的作用下 通过相应的地址线和0809的引脚ADDA ADDB ADDC锁存入如图所示的地址锁存器 并经译码器得到地址输出 以选择出模拟输入通道IN2作为模数转换通道 同时由于启动信号START变为高电平 故启动A D转换 把输入通道IN2的模拟量转换成八位二进制数字量 转换结束后 0809的引脚EOC由低电平变为高电平 如图所示 经一非门立即向单片机芯片发出外部中断1的中断申请 CPU于是响应申请 转入中断服务子程序读转换后的数字量 要读此数字量 应提供数字量的地址FEFAH并进行读操作 即MOVDPTR 0FEFAHMOVX DPTR A 提供了地址FEFAH 就意味着P2 0 0 执行了读操作 就意味着信号 RD变为 0 这样 RD和P2 0经与非门 使输出允许信号OE有效 见图 在OE的作用下 打开输出锁存器的三态门 将8位转换结果读入CPU中 19 ADC0809应用程序设计 根据图中的硬件连接 采用中断方式依次采集8个模拟量输入通道IN0 IN7的模拟量信号 并将A D转换结果按顺序存入片内RAM的40H 47H单元的程序实例 ORG0000HAJMPMAIN 转移到主程序ORG0013H 外部中断1的入口地址AJMPINT1 转移到中断服务子程序 20 主程序 初始化 MAIN SETBIT1 设INT1为脉冲触发方式SETBEA 允许系统中断SETBEX1 允许INT1中断MOVR0 40H R0指向存数单元首址MOVR2 08H 设置采集次数MOV