可调LED亮度驱动电路设计.doc

III亮度可调的LED驱动电路摘要LED亮度可调通过有两种可行方案：第一种通过单片机的占空比电压来输出不同的电压，从而实现设计要求；第二种通过单片机控制数模转换器来输出不同的电流，然后经过放大器来进行发大，从而实现输出不同的电压，来驱动LED。对于第一种方案，优点是设计简单，且使用的电子器件类较少，造价成本低，但是其集成度低，看起来较复杂，不适于现代人的思想要求。对于第二种方案，优点是集成度高，且设计图看起来明了，因为其集成度高，且使用了数模转换器，因此和第一种设计方案相比略高。所以本设计采用了第二种方案。本设计的结果是设计制作一种可手动和自动循环的led调光电路；自动调光时可使等在熄灭、微亮、较量及最亮四种状态中不断循环；实现灯光的循环调节功能(循环时间分别为为2s、4s、6s、8s、10s、12s)；关键词：LED，数模转换器，放大器，调光 Driving circuit with adjustable brightness LEDABSTRACTLED brightness can be adjusted through has two options: the first duty ratio of voltage to output different voltage through the MCU, in order to achieve the design requirements; second through the control of the microcontroller DAC to different output current, and then through the amplifier is bigger, so as to realize the output of different voltage, to drive LED.In the first scheme, has the advantages of simple design, electronic devices and the use of small, low cost, but its low integration, look more complex, not suitable for the requirements of modern thought. In the second method, has the advantages of high integration, and design looks clear, because of its high degree of integration, and the use of a digital-to-analog converter, and compared to the first design slightly higher. So the second schemes are adopted in this design.The result of design is to design a kind of manual and automatic cycle LED dimming circuit; automatic dimming can make in the extinction, shimmering, contest and the brightest four states require continuous cycle; circulation velocity of light can be adjusted (cycle time are 2S, 4S, 6S, 8s, 10s, 12S);KEYWORDS:LED, Digital Analog Converter，Amplifier，Diming目 录摘要IABSTRACTII1绪论11.1选题背景11.2选题背景概括11.3选题的目的及意义22元器件介绍32.1 LED灯的介绍32.1.1 LED灯的发展史历史32.2单片机的介绍32.2.1单片机引脚42.3 DAC083282.3.1引脚介绍82.3.2工作方式82.3.3采用DAC0809实现A/D转换92.3.4输出形式102.3.5 运算放大器102.3.6由电阻网络和运算放大器构成的D/A转换器112.3.7采用T型电阻网络的D/A转换器112.3.8 D/A转换器性能参数122.3.9 DAC0832及接口电路122.3.10 DAC0832的内部结构132.3.11 DAC0832引脚特性132.3.12 DAC0832的工作方式142.3.13 DAC0832的应用举例142.4 LM324142.4.1 LM324的简介142.4.2同相交流放大器152.4.3反相交流放大器152.4.4交流信号三分配放大器162.4.5有源带通滤波器162.4.6单稳态触发器172.4.7比较器173分部电路介绍193.1开关控制电路193.2复位电路193.3单片机主控电路203.4 70832数模转换电路203.5放大电路214电路设计要求及方案选取224.1电路设计要求224.2 可行性方案列举224.3可行性方案分析225 软件程序237结果总结26致 谢27参 考 文 献28附录 元器件清单29附录II 设计总电路图3031亮度可调的LED驱动电路1绪论1.1选题背景上个世纪60年代，科技工作者利用半导体PN结发光的原理，研制成了LED发光二极管。当时研制的LED，所用的材料是GaASP，其发光颜色为红色1。经过近30年的发展，现在大家十分熟悉的LED，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。最初LED仅用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。通常LED能直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光，但对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。经过多年研究，人们在1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GAN芯片和YAG（钇铝石榴石）封装在一起做成的。芯片GAN发蓝光，高温烧结制成的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值达550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，最终可以得到得白光。现在，对于白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。 目前白色LED发光效率已经突破120LM/W，是白炽灯15LM/W的8倍，是荧光灯50LM/W的2倍多。LED的光谱中没有紫外线和红外线成分，所以不会发热，不产生有害辐射2。而且LED的光通量半衰期大于5万小时，可以正常使用20年，器件寿命一般都在10万小时以上，是荧光灯寿命的10倍，是白炽灯的100倍，所以基本不会损坏，这种灯具具有非常好的节能长寿命特性，随着白色LED价格的不断降低，LED节能灯不但在节日彩灯装饰中广泛应用，而且逐步延伸到路面照明、民用照明等低照度要求的领域，全面进入实用化，并且在环保方面废弃物可以回收，没有荧光灯的贡污染问题，是国家重点发展的产业项目。发展空间无限，市场价值巨大。 与小和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示09十个数字。1.2选题背景概括 LED 灯相对于其他光源有寿命长、发光效率提高空间大的优势，并且LED 灯由于采用物理P-N 结的冷发光原理，使得LED节能灯灯转化效率高，发光效率从2002年的25流明/瓦提高到2007年75流明/瓦，而发光成本将从2002的200美元/千流明降低到2007年的20美元/千流明、最重要的是LED节能灯不存在汞灯污染源，被誉为绿色环保的照明能源，符合当今世界主题。目前LED节能灯最高发光率为200 流明/瓦，其寿命理论值达到10万小时，远远高于其他光源产品。是未来世界必用主流产品3。目前世界各国都在政府的大力资助下加快推进LED节能灯取代传统照明灯的步伐、日本、美国、欧盟、韩国、中国台湾和中国政府都制定了相应的发展计划。 中国为节约能源、实现经济和社会的可持续发展，于2007年6月3日制定节能减排综合性工作方案半导体照明产业顺应了节能减排的宏观政策。从2005年开始科技部批准了大连、厦门、上海、南昌、深圳等五个半导体照明产 业基地，之后在2007 年和2008 年相继批准石家庄、扬州等两个半导体照明产业基地，在政策、税收和资金上给予长期支持。LED节能灯在2007 年开始渗透进入白炽灯照明市场、预计在2012年进入荧光灯照明市场，从而大量取代白炽灯和荧光灯。但目前LED 路灯市场中，应用LED 灯的比例很少，存在很大的替代空间，目前路灯在全球未来景观照明和通用照明的LED 市场增长速度最快，预计景观照明LED市场份额将从03 年的2%增加到08 年的8%。04 年通用照明LED 的销售额是9400万美元，到2010年将增长到8.75亿美元，年增长率将达52.3%，届时LED节能灯将在全球120亿美元至140亿美元的照明市场占据重要的位置。1.3选题的目的及意义在做毕设之前，通过查询各种材料，对毕设题目有了初步的认识。我所要做的是LED调光，大体来说LED的发光强度是由LED的驱动电流决定的。驱动电流的大小和波动都与LED的发光强度有关系。LED灯作为被控对象灯的亮度和控制系统亮度与正向流过它的电流成正比，这样就可以来通过调节它的正向电流来调节亮度。调节工作电流的方式调节的范围大、线性度好、但是功耗很大，经常调节电流会使LED大寿命大幅缩减。由于工作电流调节LED的方法并不常用，所以要通过调节PMW来调节LED的点亮时间，显然亮的时间越长看上去亮度就越大，这样调节开关的频率超出人一般能察觉的范围，就给人一种总亮的假象4。通过单片机编程来调节PWM的占空比，在给入驱动芯片来调节LED的亮度。整体是通过单片机AT89C51来控制数模转换器DAC0832的输出电流，DAC0832的输出电流再通过放大器进行放大，从而产生不同的电压来驱动LED灯。图1-1电路流程图2元器件介绍2.1 LED灯的介绍LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的5。最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域6。对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（p=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合7，可以得到得白光。对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多8。2.1.1 LED灯的发展史历史上个世纪60年代，科技工作者利用半导体PN结发光的原理，研制成了LED发光二极管。当时研制的LED，所用的材料是GaASP，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，大家十分熟悉的LED，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光9。然而照明需用的白色光LED仅在2000年以后才发展起来，这里向读者介绍有关照明用白光LED10。最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（p=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。70年代中期。2.2单片机的介绍AT89C51是一种带4K 字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本11。2.2.1单片机引脚AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2-1所示。图2-1单片机外形及引脚图VCC：供电电压GND：接地P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高祖输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能存储器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（计时器0外部输入）P3.5 T1（计时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位编程节。在FLASH期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序寻仙呼气的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.2.2振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10MS 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和终端系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。单片机的结构和特殊寄存器，这是你编写软件的关键。至于串口通信需要用到那些特殊功能存储器呢，它们是SCON，TCON，TMOD，SCON等，各代表什么含义呢？数据缓冲存储器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。有朋友这样问起过“为何在串行口收发中，都只是使用到同一个寄存器？而不是收发各用一个寄存器。”实际上 包含了两个独立的寄存器，一个是发送寄存，另一个是接收寄存器，但它们都共同使用同一个寻址地址99H。CPU 在读时会指到接收寄存器，在写时会指到发送寄存器，而且接收寄存器是双缓冲寄存器，这样可以避免接收中断没有及时的被响应，数据没有被取走，下一帧数据已到来，而造成的数据重叠问题。发送器则不需要用到双缓冲，一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。操寄存器的方法则很简单，只要把这个99H 地址用关键字定义为一个变量就可以对其进行读写操作了，如SFR SBUF = 0X99;当然你也可以用其它的名称。通常在标准的REG51.H 或AT89X51.H 等头文件中已对其做了定义，只要用#INCLUDE 引用就可以了。SCON 串行口控制器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态，都会引用到接口控制寄存器。SCON 就是51 芯片的串行口控制寄存器。它的寻址地址是98H，是一个可以伪寻址的寄存器，作用就是监视和控制51 芯片串行口的工作状态。51 芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下，其工作模式的设置就是使用SCON 寄存器。它的各个位的具体定义如下：SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RISM0、SM1 为串行口工作模式设置位，这样两位可以对应进行四种模式的设置。1.2.3串行口工作模式设置。SM0 SM1 模式 功能 波特率0 0 0 同步移位寄存器FOSC/120 1 1 8位UART 可变1 0 2 9位UART FOSC/32 或FOSC/641 1 3 9位UART 可变在这里只说明最常用的模式1，其它的模式也就一一略过，有兴趣的朋友可以找相关的硬件资料查看。表中的FOSC 代表振荡器的频率，也就是晶振的频率。UART 为(UNIVERSAL ASYNCHRONOUS RECEIVER）的英文缩写。SM2 在模式2、模式3 中为多处立机通信使能位。在模式0 中要求该位为0。REM 为允许接收位，REM 置1 时串口允许接收，置0 时禁止接收。REM 是由软件置位或清零。如果在一个电路中接收和发送引脚P3.0,P3.1 都和上位机相连，在软件上有串口中断处理程序，当要求在处理某个子程序时不允许串口被上位机来的控制字符产生中断，那么可以在这个子程序的开始处加入REM=0 来禁止接收，在子程序结束处加入REM=1 再次打开串口接收。大家也可以用上面的实际源码加入REM=0 来进行实验。TB8 发送数据位8，在模式2 和3 是要发送的第9 位。该位可以用软件根据需要置位或清除，通常这位在通信协议中做奇偶位，在多处理机通信中这一位则用于表示是地址帧还是数据帧。RB8 接收数据位8，在模式2 和3 是已接收数据的第9 位。该位可能是奇偶位，地址/数据标识位。在模式0 中，RB8 为保留位没有被使用。在模式1 中，当SM2=0，RB8 是已接收数据的停止位。TI 发送中断标识位。在模式0，发送完第8 位数据时，由硬件置位。其它模式中则是在发送停止位之初，由硬件置位。TI 置位后，申请中断，CPU 响应中断后，发送下一帧数据。在任何模式下，TI 都必须由软件来清除，也就是说在数据写入到 后，硬件发送数据，中断响应（如中断打开），这时TI=1，表明发送已完成，TI 不会由硬件清除，所以这时必须用软件对其清零。RI 接收中断标识位。在模式0，接收第8 位结束时，由硬件置位。其它模式中则是在接收停止位的半中间，由硬件置位。RI=1，申请中断，要求CPU 取走数据。但在模式1 中，SM2=1时，当未收到有效的停止位，则不会对RI 置位。同样RI 也必须要靠软件清除。常用的串口模式1 是传输10 个位的，1 位起始位为0,8 位数据位，低位在先，1 位停止位为1。它的波特率是可变的，其速率是取决于定时器1 或定时器2 的定时值（溢出速率）。AT89C51 和AT89C2051 等51 系列芯片只有两个定时器，定时器0 和定时器1，而定时器2是89C52 系列芯片才有的。波特率在使用串口做通讯时，一个很重要的参数就是波特率，只有上下位机的波特率一样时才可以进行正常通讯。波特率是指穿行每秒内可以传输的波特位数。有一些初学的朋友认为波特率是指每秒传输的字节数，如标准9600 会被误认为每秒种可以传送9600个字节，而实际上它是指每秒可以传送9600 个二进位，而一个字节要8 个二进位，如用串口模式1 来传输那么加上起始位和停止位，每个数据字节就要占用10 个二进位，9600 波特率用模式1 传输时，每秒传输的字节数是960010=960 字节。51 芯片的串口工作模式0波特率是固定的，为FOSC/12，以一个12M 的晶振来计算，那么它的波特率可以达到1M。模式2 的波特率是固定在FOSC/64 或FOSC/32，具体用那一种就取决于PCON 寄存器中的SMOD位，如SMOD 为0，波特率为FOCS/64,SMOD 为1，波特率为FOCS/32。模式1 和模式3 的波特率是可变的，取决于定时器1 或2（52 芯片）的溢出速率。那么我们怎么去计算这两个模式的波特率设置时相关的寄存器的值呢？可以用以下的公式去计算。波特率=（2SMOD32）定时器1 溢出速率上式中如设置了PCON 寄存器中的SMOD 位为1 时就可以把波特率提升2 倍。通常会使用定时器1 工作在定时器工作模式2 下，这时定时值中的TL1 做为计数，TH1 做为自动重装值 ，这个定时模式下，定时器溢出后，TH1 的值会自动装载到TL1，再次开始计数，这样可以不用软件去干预，使得定时更准确。在这个定时模式2 下定时器1 溢出速率的计算公式如下：溢出速率=（计数速率）/(256TH1)上式中的“计数速率”与所使用的晶体振荡器频率有关，在51 芯片中定时器启动后会在每一个机器周期使定时寄存器TH 的值增加一，一个机器周期等于十二个振荡周期，所以可以得知51 芯片的计数速率为晶体振荡器频率的1/12，一个12M 的晶振用在51 芯片上，那么51 的计数速率就为1M。通常用11.0592M 晶体是为了得到标准的无误差的波特率，那么为何呢？计算一下就知道了。如我们要得到9600 的波特率，晶振为11.0592M 和12M，定时器 1 为模式2，SMOD 设为1，分别看看那所要求的TH1 为何值。代入公式：9600=(232)(11.0592M/12)/(256-TH1)TH1=2509600=(232)(12M/12)/(256-TH1)TH1249.49上面的计算可以看出使用12M 晶体的时候计算出来的TH1 不为整数，而TH1 的值只能取整数，这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的9600 波特率。当然一定的误差是可以在使用中被接受的，就算使用11.0592M 的晶体振荡器也会因晶体本身所存在的误差使波特率产生误差，但晶体本身的误差对波特率的影响是十分之小的，可以忽略不计。2.3 DAC08322.3.1引脚介绍DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成12。图2-2DAC0832引脚D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)； ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。 IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化； IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数； Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V； VREF：输入线，VREF的范围为-10V+10V；AGND：模拟信号地； DGND：数字信号地。2.3.2工作方式根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式13。DAC0832引脚功能电路应用原理图DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。所以这个芯片的应用很广泛,关于DAC0832应用的一些重要资料见下图： D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。DAC0832引脚功能说明：DI0DI7：数据输入线，TLL电平。ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。CS：片选信号输入线，低电平有效。WR1：为输入寄存器的写选通信号。XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。WR2：为DAC寄存器写选通输入线。Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。Iout2: 电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.Vcc:电源输入线 (+5v+15v)Vref:基准电压输入线 (-10v+10v)AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好.2.3.3采用DAC0809实现A/D转换（一）D/A转换器DAC0832DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。如图4-82所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟量一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能 D0D7：数字信号输入端。ILE：输入寄存器允许，高电平有效。CS：片选信号，低电平有效。WR1：写信号1，低电平有效。XFER：传送控制信号，低电平有效。WR2：写信号2，低电平有效。IOUT1、IOUT2：DAC电流输出端。Rfb：是集成在片内的外接运放的反馈电阻。 Vref：（-1010V）。Vcc：是源电压（+5+15V）。AGND：模拟地 NGND：数字地，可与AGND接在一起使用。DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。数/模（D/A）转换器D/A转换器是接收数字量，输出一个与数字量相对应的电流或电压信号的模拟量接口。D/A转换器被广泛用于计算机函数发生器、计算机图形显示以及与转换器相配合的控制系统等。D/A转换原理：数字量的值是由每一位的数字权叠加而得的。D/A转换器品种繁多，有权电阻DAC、变形权电阻DAC、T型电阻DAC、电容型DAC和权电流DAC等。为了掌握数/模转换原理，必须先了解运算放大器和电阻译码网络的工作原理和特点。2.3.4输出形式图2-3单极输出图如图2-3所示, 由运算放大器进行电流电压转换，使用内部反馈电阻。输出电压值VOUT和输入数字量D的关系：VOUT = VREF D/256D = 0255， VOUT = 0 VREF 255/256VREF = 5V， VOUT =05*+(255/256)VVREF = +5V， VOUT = 0 （255/256）V双极性输出如果实际应用系统中要求输出模拟电压为双极性，则需要用转换电路实现。图1-4双极输出图其中 R2=R3=2R1VOUT= 2VREFD/256 VREF= (2D/2561)VREFD = 0， VOUT= VREF；D = 128， VOUT= 0；D = 255， VOUT= (2255/2561)VREF= (254/255)VREF即：输入数字为0255时，输出电压在 VREF + VREF之间变化。2.3.5 运算放大器运算放大器有三个特点：开环放大倍数非常高，一般为几千，甚至可高达10万。在正常情况下，运算放大器所需要的输入电压非常小。输入阻抗非常大。运算放大器工作时，输入端相当于一个很小的电压加在一个很大的输入阻抗上，所需要的输入电流也极小。输出阻抗很小，所以，它的驱动能力非常大。2.3.6由电阻网络和运算放大器构成的D/A转换器利用运算放大器各输入电流相加的原理，可以构成如图10.7所示的、由电阻网络和运算放大器组成的、最简单的4位D/A转换器。图中，V0是一个有足够精度的标准电源。运算放大器输入端的各支路对应待转换资料的D0，D1，Dn-1位。各输入支路中的开关由对应的数字元值控制，如果数字元为1，则对应的开关闭合；如果数字为0，则对应的开关断开。各输入支路中的电阻分别为R，2R，4R，这些电阻称为权电阻。假设，输入端有4条支路。4条支路的开关从全部断开到全部闭合，运算放大器可以得到16种不同的电流输入。这就是说，通过电阻网络，可以把0000B1111B转换成大小不等的电流，从而可以在运算放大器的输出端得到相应大小不同的电压。如果数字0000B每次增1，一直变化到1111B，那么，在输出端就可得到一个0V0电压幅度的阶梯波形。2.3.7采用T型电阻网络的D/A转换器从图10.7可以看出，在D/A转换中采用独立的权电阻网络，对于一个8位二进制数的D/A转换器，就需要R，2R，4R，128R共8个不等的电阻，最大电阻阻值是最小电阻阻值的128倍，而且对这些电阻的精度要求比较高。如果这样的话，从工艺上实现起来是很困难的。所以，n个如此独立输入支路的方案是不实用的。在DAC电路结构中，最简单而实用的是采用T型电阻网络来代替单一的权电阻网络，整个电阻网络只需要R和2R两种电阻。在集成电路中，由于所有的组件都做在同一芯片上，电阻的特性可以做得很相近，而且精度与误差问题也可以得到解决。采用T型电阻网络的4位D/A转换器。4位元待转换资料分别控制4条支路中开关的倒向。在每一条支路中，如果（资料为0）开头倒向左边，支路中的电阻就接到地；如果（资料为1）开关倒向右边，电阻就接到虚地。所以，不管开关倒向哪一边，都可以认为是接“地”。不过，只有开关倒向右边时，才能给运算放大器输入端提供电流。T型电阻网络中点A的左边为两个2R的电阻并联，它们的等效电阻为R，节点B的左边也是两个2R的电阻并联，它们的等效电阻也是R，依次类推，最后在D点等效于一个数值为R的电阻接在参考电压VREF上。这样，就很容易算出，C点、B点、A点的电位分别为-VREF/2，-VREF/4，-VREF/8。在清楚了电阻网络的特点和各节点的电压之后，再来分析一下各支路的电流值。开关S3，S2，S1，S0分别代表对应的1位二进制数。任一资料位Di=1，表示开关Si倒向右边；Di=0，表示开关Si倒向左边，接虚地，无电流。当右边第一条支路的开关S3倒向右边时，运算放大器得到的输入电流为-VREF/（2R），同理，开关S2，S1，S0倒向右边时，输入电流分别为-VREF/（4R），-VREF/（8R），-VREF/（16R）。如果一个二进制数据为1111，运算放大器的输入电流I=-VREF/（2R）-VREF/（4R）-VREF/（8R）-VREF/（16R）=-VREF/（2R）（20+2-1+2-2+2-3）=-VREF/（24R）（23+22+21+20）相应的输出电压V0=IR0=-VREFR0（24R）（23+22+21+20）将资料推广到n位，输出模拟量与输入数字量之间关系的一般表达式为：V0=-VREFR0/（2nR）（Dn-12n-1+Dn-2 2n-2+D121+D020） (Di=1或0)上式表明，输出电压 V0除了和待转换的二进制数成比例外，还和网络电阻R、运算放大器反馈电阻R0、标准参考电压VREF有关15。2.3.8 D/A转换器性能参数在实现D/A转换时，主要涉及下面几个性能参数。分辨率。分辨率是指最小输出电压（对应于输入数字量最低位增1所引起的输出电压增量）和最大输出电压（对应于输入数字量所有有效位全为1时的输出电压）之比，例如，4位DAC的分辨率为1/(24-1)=1/15=6.67%（分辨率也常用百分比来表示）。8位DAC的分辨率为1/255=0.39%。显然，位数越多，分辨率越高。转换精度。如果不考虑D/A转换的误差，DAC转换精度就是分辨率的大小，因此，要获得高精度的D/A转换结果，首先要选择有足够高分辨率的DAC。D/A转换精度分为绝对和相对转换精度，一般是用误差大小表示。DAC的转换误差包括零点误差、漂移误差、增益误差、噪声和线性误差、微分先性误差等综合误差。绝对转换精度是指满刻度数字量输入时，模拟量输出接近理论值的程度。它和标准电源的精度、权电阻的精度有关。相对转换精度指在满刻度已经校准的前提下，整个刻度范围内，对应任一模拟量的输出与它的理论值之差。它反映了DAC的线性度。通常，相对转换精度比绝对转换精度更有实用性16。相对转换精度一般用绝对转换精度相对于满量程输出的百分数来表示，有时也用最低位（LSB）的几分之几表示。例如，设VFS为满量程输出电压5V，n位DAC的相对转换精度为0.1%，则最大误差为0.1%VFS=5mV；若相对转换精度为1/2LSB，LSB=1/2n，则最大相对误差为1/2n+1VFS。非线性误差。D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。转换器电路设计一般要求非线性误差不大于1/2LSB。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毫微秒到几个微秒不等。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。2.3.9 DAC0832及接口电路DAC0832是美国资料公司研制的8位双缓冲器D/A转换器。芯片内带有资料锁存器，可与数据总线直接相连。电路有极好的温度跟随性，使用了COMS电流开关和控制逻辑而获得低功耗、低输出的泄漏电流误差。芯片采用R-2RT型电阻网络，对参考电流进行分流完成D/A转换。转换结果以一组差动电流IOUT1和IOUT2输出。2.3.10 DAC0832的内部结构DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号 。因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出17。LE为高电平、 和 为低电平时， 为高电平，输入寄存器的输出跟随输入而变化；此后，当 由低变高时， 为低电平，资料被锁存到输入寄存器中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。对第二级锁存器来说， 和 同时为低电平时， 为高电平，DAC寄存器的输出跟随其输入而变化；此后，当 由低变高时， 变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到DAC寄存器中。2.3.11 DAC0832引脚特性DAC0832是20引脚的双列直插式芯片。各引脚的特性如下：图2-5DAC0832引脚图CS片选信号，和允许锁存信号ILE组合来决定 是否起作用，低有效。ILE允许锁存信号，高有效。WR1写信号1，作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到输入寄存器（此时， 必须和 、ILE同时有效），低有效。WR2写信号2，将锁存在输入寄存器中的资料送到DAC寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号 必须有效）低有效。XFER传输控制信号，低有效。DI7DI08位数据输入端。IOUT1模拟电流输出端1。当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。IOUT2模拟电流输出端2。IOUT1+IOUT2=常数。Rfb反馈电阻引出端。DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端。相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。VREF参考电压输入端。可接电压范围为10V。外部标准电压通过VREF与T型电阻网络相连。VCC芯片供电电压端。范围为+5V+15V，最佳工作状态是+15V。AGND模拟地，即模拟电路接地端。DGND数字地，即数字电路接地端。2.3.12 DAC0832的工作方式DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。具体地说，就是使 和 都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、 处于低电平，这样，当 端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。就是使 和 为低电平，ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当WR2 和XFER 端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。根据上述对DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3种工作方式：单缓冲方式。单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入