51单片机ad、da转换器.ppt

在实际系统中 单片机经常要对来自控制现场的各种模拟信号进行采集和处理 如电压 电流等随时间连续变化的电量 或者是温度 压力 流量等随时间连续变化的非电量 单片机要接收这些模拟量 就要通过ADC来实现 如果单片机控制的对象需要模拟量 则要用到DAC 单片机与模拟外设之间的接口电路称为模拟接口 第三节A D D A转换器一 模拟接口概述 模拟输入输出系统示意图 传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号 模拟电压或电流 放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围 低通滤波器用于降低噪声 滤去高频干扰 以增加信噪比 多路开关把多个现场信号分时地接通到A D转换器 采样保持器周期性地采样连续信号 并在A D转换期间保持不变 一 DAC介绍 数模转换 将一个二进制数字信号转换成与此值成正比的模拟信号 1 DAC结构 DAC芯片上集成有D A转换电路和辅助电路 2 DAC的参数 描述D A转换器性能的参数很多 主要有以下几个 1 分辨率 Resolution 2 偏移误差 OffsetError 3 精度 Accuracy 4 转换速率 建立时间 convertingspeed 5 温度灵敏度 TemperatureSensitivity 二 DAC及其接口 分辨率反映了数字量在最低位上变化1位时输出模拟量的变化 确定了能由DAC产生的最小模拟量变化 或者是指最小输出电压和最大输出电压之比 一般用相对值表示 对于8位D A转换器来说 分辨率为最大输出幅度的0 39 即为1 255 而对于10位D A转换器来说 分辨率可以提高到0 1 即1 1023 取决于DAC的转换位数 一 DAC介绍 数模转换 将一个二进制数字信号转换成与此值成正比的模拟信号 1 DAC结构 DAC芯片上集成有D A转换电路和辅助电路 2 DAC的参数 描述D A转换器性能的参数很多 主要有以下几个 1 分辨率 Resolution 2 偏移误差 OffsetError 3 精度 Accuracy 4 转换速度 convertingspeed 5 温度灵敏度 TemperatureSensitivity 二 DAC及其接口 偏移误差是指输入数字量为0时 输出模拟量对相对于0的偏移值 这种误差一般可在D A转换器外部用电位器调节到最小 一 DAC介绍 数模转换 将一个二进制数字信号转换成与此值成正比的模拟信号 1 DAC结构 DAC芯片上集成有D A转换电路和辅助电路 2 DAC的参数 描述D A转换器性能的参数很多 主要有以下几个 1 分辨率 Resolution 2 偏移误差 OffsetError 3 精度 Accuracy 4 转换速度 convertingspeed 5 温度灵敏度 TemperatureSensitivity 二 DAC及其接口 精度为实际模拟输出与理想模拟输出之间的最大偏差 参考电源的波动等因素都会影响精度 注意 精度和分辨率是两个截然不同的参数 分辨率取决于转换器的位数 而精度则取决于转换器和各部件的精度和稳定性 一 DAC介绍 数模转换 将一个二进制数字信号转换成与此值成正比的模拟信号 1 DAC结构 DAC芯片上集成有D A转换电路和辅助电路 2 DAC的参数 描述D A转换器性能的参数很多 主要有以下几个 1 分辨率 Resolution 2 偏移误差 OffsetError 3 精度 Accuracy 4 转换速度 convertingspeed 5 温度灵敏度 TemperatureSensitivity 二 DAC及其接口 转换速率 建立时间 转换速率实际是由建立时间来反映的 建立时间是指数字量为满刻度值 各位全为1 时 DAC的模拟输出电压达到某个规定值 比如 90 满量程或 1 2LSB满量程 时所需要的时间 建立时间是D A转换速率快慢的一个重要参数 很显然 建立时间越大 转换速率越低 不同型号DAC的建立时间一般从几个纳秒到几个微秒不等 若输出形式是电流 DAC的建立时间是很短的 若输出形式是电压 DAC的建立时间主要是输出运算放大器所需要的响应时间 一 DAC介绍 数模转换 将一个二进制数字信号转换成与此值成正比的模拟信号 1 DAC结构 DAC芯片上集成有D A转换电路和辅助电路 2 DAC的参数 描述D A转换器性能的参数很多 主要有以下几个 1 分辨率 Resolution 2 偏移误差 OffsetError 3 精度 Accuracy 4 转换速度 convertingspeed 5 温度灵敏度 TemperatureSensitivity 二 DAC及其接口 温度灵敏度是指输入不变的情况下 输出模拟信号随温度的变化 一般D A转换器的温度灵敏度约为满量程模拟值变化的 50X10 6 oC 3 与单片机接口形式D A转换器与单片机接口有2种 主要决定于转换器本身是否带数据锁存器 有两类D A转换器 一是不带锁存器的 另一是带锁存器的 不带锁存器的D A转换器 为了保存来自单片机的转换数据 接口时要另加锁存器 AD7520 AD7521 而带锁存器的D A转换器 可以把它看作是一个输出口 可直接在数据总线上 不需另加锁存器 DAC0832 AD7524 DAC0832的结构DAC0832的引脚DAC0832的接口 二 DAC0832 8位并行D A转换器 建立时间1us CMOS低功耗 电流输出型 1 DAC0832的结构 8位输入寄存器 8位DAC寄存器 8位D A转换器 DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 ILE CS WR1 XFER WR VREF IOUT1 IOUT2 DGND LE1 LE2 8位输入寄存器由8个D锁存器组成 用来作为输入数据的缓冲寄存器 它的8个数据输入可以直接和微机的数据总线相连 LE1为其控制输入 LE1 1时 D触发器接收信号 IE1 0时 为锁存状态 8位DAC寄存器它也由8个D锁存器组成 8位输人数据只有经过DAC寄存器才能送到D A转换器去转换 它的控制端为LE2 当LE2 1时 输出跟随输入 而当LE2 0时为锁存状态 DAC寄存器的输出直接送到8位D A转换器进行数模转换 LE1 1的条件 ILE 1 WR1 0 CS 0LE2 1的条件 WR2 0 XFER 0 Rfb 2 DAC0832的引脚 DAC0832是CMOS工艺 双列直插式20引脚 VCC电源可以在5 15V内变化 典型使用时用15V电源 AGND为模拟量地线 DGND为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压VREF接外部的标准电源 VREF一般可在 10V到 10V范围内选用 DAC0832的引脚 8位输入寄存器 8位DAC寄存器 8位D A转换器 DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 ILE CS WR1 XFER WR2 VREF IOUT1 IOUT2 DGND LE1 LE2 DAC0832是CMOS工艺 双列直插式20引脚 VCC电源可以在5 15V内变化 典型使用时用15V电源 AGND为模拟量地线 DGND为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压VREF接外部的标准电源 VREF一般可在 10V到 10V范围内选用 DAC0832有两个电流输出端 loutl为DAC电流输出1 当DAC寄存器中为全1时 输出电流最大 当DAC寄存器中为全0时 输出电流为0 lout2为DAC电流输出2 Iout2为一常数与Ioutl之差 即loutl out2 常数在实际使用时 总是将电流转为电压来使用 即将Ioutl和lout2加到一个运算放大器的输入 Rfb DAC0832的引脚 8位输入寄存器 8位DAC寄存器 8位D A转换器 DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 ILE CS WR1 XFER WR2 VREF IOUT1 IOUT2 DGND LE1 LE2 DAC0832是CMOS工艺 双列直插式20引脚 VCC电源可以在5 15V内变化 典型使用时用15V电源 AGND为模拟量地线 DGND为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压VREF接外部的标准电源 VREF一般可在 10V到 10V范围内选用 DI0 DI7是数字量输入信号线 可以直接和微机的数据总线相连 Rfb DAC0832的引脚 8位输入寄存器 8位DAC寄存器 8位D A转换器 DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 ILE CS WR1 XFER WR2 VREF IOUT1 IOUT2 DGND LE1 LE2 DAC0832是CMOS工艺 双列直插式20引脚 VCC电源可以在5 15V内变化 典型使用时用15V电源 AGND为模拟量地线 DGND为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压VREF接外部的标准电源 VREF一般可在 10V到 10V范围内选用 ILE 输入锁存允许信号 高电平有效 只有当ILE 1时 输人数字量才可能进入8位输入寄存器 CS 片选输入 低电平有效 只有当WR1 CS 0时 这片0832才被选中工作 WR1 写信号1 低电平有效 控制输入寄存器的写入 Rfb DAC0832的引脚 8位输入寄存器 8位DAC寄存器 8位D A转换器 DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 ILE CS WR1 XFER WR2 VREF IOUT1 IOUT2 DGND LE1 LE2 DAC0832是CMOS工艺 双列直插式20引脚 VCC电源可以在5 15V内变化 典型使用时用15V电源 AGND为模拟量地线 DGND为数字量地线 使用时 这两个接地端应始终连在一起 参考电压VREF接外部的标准电源 VREF一般可在 10V到 10V范围内选用 XFER 传送控制信号 低电子有效 控制数据从输入寄存器到DAC寄存器的传送 WR2 写信号2 低电平有效 控制DAC寄存器的写人 Rfb 3 DAC0832的接口 8位输入寄存器 8位DAC寄存器 8位D A转换器 DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 ILE CS WR1 XFER WR2 VREF IOUT1 IOUT2 DGND LE1 LE2 DAC0832转换器可以有三种工作方法 即直通方式 单缓冲方式和双缓冲方式 直通方式 这时两个8位数据寄存器都处于数据接收状态 即LEI和IE2都为1 输人数据直接送到内部D A转换器去转换 单缓冲方式 这时两个8位数据寄存器中有一个处于直通方式 数据接收状态 而另一个则受微机送来的控制信号控制 在单缓冲工作方式时 0832中两个数据寄存器有一个处于直通方式 一般都是将8位DAC寄存器置于直通方式 双缓冲方式 这时两个8位数据寄存器都不处于直通方式 单片机或其他微机必须送两次写信号才能完成一次D A转换 Rfb DAC0832的接口形式 直通方式 单缓冲方式和双缓冲方式 LE1 LE2 1输入的数字数据直接进入D A转换器 DAC0832的接口 直通方式 直通方式 这时两个8位数据寄存器都处于数据接收状态 即LEI和IE2都为1 因此 IEL 1 而CS WRl WR2和XFER为0 输人数据直接送到内部D A转换器去转换 这种方式可用于一些不带微机的控制系统中 DAC0832的工作方式 单缓冲方式 LE1 1 或者LE2 1 两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态 p174页例题7 20 两个寄存器同时打开 关闭 DAC0832的工作方式 双缓冲方式 两个寄存器都处于受控状态能够对一个数据进行D A转换的同时 输入另一个数据 p175页例7 21 一 ADC介绍 1 ADC结构 ADC芯片上集成有A D转换电路和辅助电路 2 ADC的参数 描述D A转换器性能的参数很多 在选用A D转换器时 主要关心的指标是分辨率 转换速度以及输入电压的范围 分辨率主要由位数来决定 转换时间的差别很大 可以在100微秒到几个微秒之间选择 位数增加 转换速率提高 A D转换器的价格也急剧上升 故应从实际需要出发 慎重选择 3 ADC芯片的引脚 三 ADC及其接口 ADC0809的结构ADC0809的引脚ADC0809的接口 二 典型ADC芯片AD0809及其接口 ADC0809是一种8路模拟输入8路数字输出的逐次比较型A D转换器 目前在8位单片机系统中有着广泛的使用 1 ADC0809结构框图 2 ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装 IN7 IN0 模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量的要求主要有 信号单极性 电压范围0 5V 若信号过小还需进行放大 另外 在A D转换过程中 模拟量输入的值不应变化太快 因此 对变化速度快的模拟量 在输入前应增加采样保持电路 ADDA ADDB ADDC 地址线 ADDA为低位地址 ADDC为高位地址 用于对模拟通道进行选择 2 ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装 地址状态与通道相对应的关系表 通道选择表 2 ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装 ALE 地址锁存允许信号 在对应ALE上跳沿 ADDA ADDB ASSC地址状态送入地址锁存器中 2 ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装 START 转换启动信号 START上跳沿时 所有内部寄存器清0 START下跳沿时 开始进行A D转换 在A D转换期间 START应保持低电平 2 ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装 D7 D0 数据输出线 其为三态缓冲输出形式 可以和单片机的数据线直接相连 2 ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装 OE 输出允许信号 其用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 OE 0 输出数据线呈高电阻 OE 1 输出转换得到的数据 2 ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装 EOC 转换结束状态信号 EOC 0 正在进行转换 EOC 1 转换结束 该状态信号既可作为查询的状态标志 又可以作为中断请求信号使用 2 ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装 Vref 参考电源 其典型值为 5V Vref 5V Vref 0V 3 ADC0809与单片机接口技术 ADC0809与单片机转换接口的涉及的主要问题1 进行通道选择 2 发启动信号 3 取回转换结束信号 4 读取转换的数据 A D0809转换结果读取方式 延时读数 查询EOC 1 EOC申请中断 延时读数方式 对于一种A D转换器来说 转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的 例如 ADC0809转换时间为128 s 相当于6MHz的MCS 51单片机R64个机器周期 可据此设计一个延时子程序 A D转换启动后即调用这个延时子程序 延迟时间一到 转换肯定已经完成了 接着就可进行数据传送 在这种方式下 EOC引脚悬空 查询传送方式 单片机启动0809后 延迟10us 检测EOC 若EOC 0则A D转换没有结束 继续检测EOC 直到EOC 1 当EOC 1时 A D转换已经结束 单片机读取A D转换结果 在这种方式下 EOC必须接到8051的一条I O线上 中断传送方式 单片机启动A D转换后可以做其它工作 当A D转换结束时 EOC由0 1经过非门传到INT0 1端 8051收到中断请求信号 若8051开着中断 则进入中断服务程序 在中断服务程序中单片机读取A D转换的结果 在这种方式下 EOC必须经过非门接到8051的中断请求输入线INT0或INT1上 8051的中断触发方式为下降沿触发 P179页课本 ADC0809的应用 ADC芯片主要用于进行数据采集 举例说明数据采集程序的编制方法 定时方式单路数据采集 查询方式单路数据采集 中断方式单路数据采集 定时方式多路数据采集 用ADC0809的IN7通道连续采集40个数据 存于内RAM中以50H为起始地址的单元中 试编程 定时方式单路数据采集 图 MOVR0 50H 内RAM首地址MOVR7 40 采集40个数据MOVR2 07H 通道IN7地址号MOVDPTR 0000H 0809的地址UP MOVA R2MOVX DPTR A 启动A D转换LCALLD1MS 等待A D转换结束MOVXA DPTR 读取A D转换结果MOV R0 A 存入内RAMINCR0 修改内RAM单元地址DJNZR7 UPSJMP 用ADC0809的IN7通道连续采集40个数据