项目9 信号发生器的设计

.,电子工业出版社,单片机控制技术项目式教程（C语言版）,.,电子工业出版社,项目9信号发生器的设计,.,能了解D/A转换器的相关技术指标；能理解DAC0832的工作原理与应用方法；能掌握DAC0832与51单片机的接口方法；能掌握信号发生器的硬件电路的分析与设计方法；能熟练编写信号发生器产生各种波形信号的单片机控制程序。,学习目标,.,叙述D/A转换器的技术指标要求；叙述DAC0832的工作原理；设计单片机控制的信号发生器的工作电路；编写信号发生器产生各种波形信号的单片机控制程序。,工作任务,.,任务9.1灯光亮度调节器的设计任务9.2信号发生器的设计项目拓展串行D/A转换芯片PCF8591在实验板上的应用项目小结思考与训练,项目9信号发生器的设计,.,任务9.1灯光亮度调节器的设计,D/A转换的功能就是将数字量转换成模拟量。基本的D/A转换器由电压基准或电流基准、精密电阻网络、电子开关及全电流求和电路构成。,9.1.1D/A转换器的基本原理,1D/A转换器的分类按工作方式分：并行D/A转换器（权电阻D/A转换器、R-2RT型D/A转换器）串行D/A转换器间接D/A转换器,.,按D/A转换的分辨率分：低分辨率D/A转换器中分辨率D/A转换器高分辨率D/A转换器,按模拟量输出方式分：电流输出D/A转换器电压输出D/A转换器,按模拟电子开关电路的不同分：CMOS开关型D/A转换器（速度要求不高)双极型开关D/A转换器电流开关型（速度要求较高）ECL电流开关型（转换速度更高）,.,2D/A转换器的组成,D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压等几部分组成。以R-2RT型D/A转换器为例，其由基准电压Vref、T型（R-2R）电阻网络、位切换开关和运算放大器组成。,.,3D/A转换器的工作原理,数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，实现数字模拟转换。,.,R-2RT型D/A转换器工作原理：,图9.1R-2RT型D/A转换器原理电路,.,图示的电路是一个3位二进制数的D/A转换电路，每位二进制数控制一个开关S。当第i位的数码为“0”时，开关Si打在左边；当第i位的数码为“1”时，开关Si打在右边。当S0接通时，I0I0I0，I1I0+I02I0同理I1I1I1，I22I1I2I2I2，I2I2推出I0I/8，I1I/4，I2I/2II0+I1+I2（1/8+1/4+1/2）I-Uref（1/8+1/4+1/2）/R,.,将上式推广到n位二进制数的转换，可得一般表达式I-Uref（a0/2n+a1/2n-1+an-1/21+an/20）/R则输出电压为Uo（I）Rf-Uref（a0/2n+a1/2n-1+an-1/21+an/20）Rf/R,输出电压会因器件误差、集成运放的非理想特性而产生一定的转换误差。,.,一般D/A转换器：,OUTBUr其中：Ur为常量，由参考Uref决定。B为输入数字量，为二进制数。B可为8位、12位、16位等，由DAC芯片型号决定。当B为n位时：Bbn-1bn-2b1b0bn-12n-1+bn-22n-2+b121+b020式中，bn-1为最高位；b0为最低位。,.,1分辨率分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n，则D/A转换器的分辨率为1/2n。即数/模转换器能对满刻度的1/2n输入量作出反应。,9.1.2D/A转换器的技术性能指标,分辨率输出模拟量的满量程值2n,如：8位数的分辨率为1/256，10位数分辨率为1/1024,通常用D/A转换器输入数字量的位数来表示分辨率。,D/A转换器常可分为8位、10位、12位三种。,.,2精度,如果不考虑D/A的转换误差，D/A转换的精度为其分辨率的大小。因此，要获得一定精度的D/A转换结果，首要条件是选择有足够分辨率的D/A转换器。,转换速度是DAC每秒可以转换的次数，其倒数为转换时间。转换时间是指从输入数字量到转换为模拟量输出所需的时间。当D/A转换器的输出形式为电流时，转换时间较短；当D/A转换器的输出形式为电压时，转换时间要加上运算放大器的延迟时间而长一点，一般在几十微秒内。,3转换速度,.,4建立时间,建立时间是指从输入数字量变化到输出达到终值误差(1/2)LSB(最低有效位)时所需的时间，即输入的数字量变化后，输出模拟量稳定到相应的数字范围内所需的时间。通常以建立时间来表示转换速度。,输入编码形式是指D/A转换电路输入的数字量的形式。如二进制码、BCD码等。,5输入编码形式,.,6线性度,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。通常给出在一定温度下的最大非线性度，一般为0.01%0.03。,大部分D/A转换芯片是电压型输出，一般为510V；也有高压输出型的，为2430V。有一些是电流型的输出，低者为20mA左右，高者可达3A。,7输出电平,8尖峰,尖峰是输入的数字量发生变化时产生的瞬时误差。通常尖峰的转换时间很短，但幅度很大。在许多场合是不允许有尖峰存在的，应采取措施予以消除。,.,正确了解D/A转换器件的技术性能参数，对于合理选用转换芯片、正确设计接口电路十分重要。,D/A转换器的性能指标很多，但在选用合适的芯片型号时主要考虑的是它的分辨率、精度和转换速度。,.,目前单片机系统常用的D/A转换器的转换精度有8位、10位、12位等，与单片机的接口方式有并行接口、串行接口。,9.1.3DAC0832芯片及其与单片机接口电路,1DAC0832芯片介绍,（1）DAC0832的性能8位D/A转换器，单电源供电，在+5+15V范围均可正常工作。基准电压的范围为10V；电流建立时间为1s；CMOS工艺，低功耗(仅为20mW)。,.,DAC0832主要特性：输出电流线性度可在满量程下调节；转换时间（电流建立时间）为；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；增益温度补偿为0.02%FS/；每次输入数字为8位二进制数；低功耗，20mW；逻辑电平输入与TTL兼容；基准电压的范围为10V；单电源供电，可在515V内正常工作。,.,（2）DAC0832的内部结构,.,该转换器由输入寄存器和DAC寄存器构成两级数据输入锁存。使用时数据输入可以采用两级锁存(双锁存)形式，或单级锁存(一级锁存，一级直通)形式，或直接输入(两级直通)形式。此外，由3个与门电路可组成寄存器输出控制逻辑电路，该逻辑电路的功能是进行数据锁存控制。当=0时，输入数据被锁存；当=1时，锁存器的输出跟随输入的数据。D/A转换电路是一个R-2RT型电阻网络，可实现8位数据的转换。,.,（3）DAC0832的引脚DAC0832为20引脚、双列直插式封装。,Vcc：电源线。DAC0832的电源可以在515V内变化。典型使用时用+15V电源。AGND和DGND：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。,CS：片选输入信号，低电平有效。只有当CS=0时，这片DAC0832才被选中。DI0DI7：8位数字量输入端。应用时，如果数据不足8位，则不用的位一般接地。,.,ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。只有当ILE=1时，输入数字量才可能进入8位输入寄存器。WR1：写信号1，低电平有效，控制输入寄存器的写入。ILE和WR1信号控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式：当ILE=1且WR1=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1且WR1=1时，为输入寄存器锁存方式。WR2：写信号2，低电平有效，控制DAC寄存器的写入。XFER：数据传送控制输入信号，低电平有效，控制数据从输入寄存器到DAC寄存器的传送。WR2和XFER信号控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式：当WR2=0且XFER=0时，为DAC寄存器直通方式；当WR2=1或XFER=1时，为DAC寄存器锁存方式。,.,Vref：参考电压线。Vref接外部的标准电源，与芯片内的电阻网络相连接，该电压可正可负，范围为1010V。Iout1和Iout2：电流输出端。Iout1为DAC电流输出1，当DAC寄存器中的数据为0 xFF时，输出电流最大，当DAC寄存器中的数据为0 x00时，输出电流为。Iout2为DAC电流输出2。DAC转换器的特性之一是Iout1Iout2=常数。在实际使用时，总是将电流转为电压来使用，即将Iout1和Iout2加到一个运算放大器的输入端。,.,Rfb：运算放大器的反馈电阻端，电阻（15k）已固化在芯片中。因为DAC0832是电流输出型D/A转换器，为得到电压的转换输出，使用时需在两个电流输出端接运算放大器，Rfb即为运算放大器的反馈电阻。,图9.5运算放大器的接法,.,（4）DAC0832的工作原理,将数字量的每一位按权值分别转换成模拟量，再通过运算放大器求和相加，D/A转换器内部有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。,（5）DAC0832的输出,DAC0832是电流输出型D/A转换器。,图9.6DAC0832单极性电压输出电路,单极性输出运放：VoutIout1RfbBVref/256,.,双极性输出运放：Vout(Vout1/RVref/2R)2R2Vout1Vref2BVref/256VrefBVref/128VrefVref(B128)/128,图9.7DAC0832双极性电压输出电路,当Vref为正，数字量在0 x010 x7F之间变化时，Vout为负值；当数字量在0 x800 xFF之间变化时，Vout为正值。,.,（1）直通方式下的接口电路直通方式是数据直接输入(两级直通)的形式。两个8位数据寄存器都处于数据接收状态，LE1=1，LE2=1，ILE=1，而WR1、WR2、CS和XFER均为0。输入数据直接送到内部D/A转换器去转换。,2DAC0832与51单片机的接口电路,DAC0832的工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式,.,图9.8直通方式下89C51与DAC0832的连接图,.,（2）单缓冲方式下的接口电路单缓冲方式是单级锁存(一级锁存，一级直通)形式，就是使DAC0832的两个8位数据寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者两个8位数据寄存器处于同时受控的方式，即同时送数，同时锁存。,在单缓冲工作方式下，可以将8位DAC寄存器置于直通方式。为此，应将WR2和XFER接地，而输入寄存器的工作状态受单片机的控制。,.,WR=0，P2.7=0，DAC0832的地址为0 x7FFF，将数字量0 x08转换为模拟量的程序：#defineDAC0832XBYTE0 x7FFFDAC0832=0 x08；或output(0 x7FFF，0 x08)；,.,两个输入寄存器同时受控的连接方法，WR1和WR2一起接89C51的WR，CS和XFER共同接89C51的P2.7，因此两个寄存器的地址相同。,.,（3）双缓冲方式下的接口电路双缓冲方式的数据输入可以采用两级锁存(双锁存)的形式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。DAC0832的WR1、WR2、CS和XFER都受单片机送来的信号的控制。,当WR=0，P2.7=0，P2.6=1，8位输入寄存器处于送数状态，8位DAC寄存器处于锁存状态，不能进行D/A转换。,.,双缓冲方式下89C51与两片DAC0832的连接图,.,如DAC0832的8位输入寄存器地址为0 x7FFF，WR=0，P2.7=1，P2.6=0，8位DAC寄存器处于送数据状态，开始进行D/A转换。DAC0832的8位DAC寄存器的地址为0 xBFFF，将一个数字量转换为模拟量的程序：,#defineDAC0832_1XBYTE0 xBFFF#defineDAC0832_2XBYTE0 x7FFFDAC0832_1=0 x08；DAC0832_2=0 x08；或output(0 xBFFF,0 x08)；output(0 x7FFF,0 x08)；,.,1任务要求,9.1.4灯光亮度调节器的设计,用AT89C51单片机和DAC0832控制一个发光二极管，使发光二极管的亮度逐渐变暗，再逐渐变亮，不断循环。,2任务分析,改变发光二极管的亮度，就要改变通过发光二极管的电流。方法很多，利用AT89C51控制DAC0832数模转换芯片，DAC0832的输出转换成电压去驱动发光二极管。当DAC0832的输入数字量变化时，输出电压改变，通过发光二极管的电流变化，发光二极管的亮度就改变。,.,3任务设计,（1）器件选择,.,（2）硬件原理图设计DAC0832单缓冲方式，P2和P0决定地址，片选信号CS低电平有效，P2.7为0，DAC0832的地址为0 x7FFF。,.,（3）软件程序设计：#include#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineDAC0832XBYTE0 x7FFF/延时子程序voidDelayMS(uintx)uchart;while(x-)for(t=0;t0;i-)AC0832=i;DelayMS(1);for(i=0;i256;i+)AC0832=i;DelayMS(1);,.,（4）软硬件联合调试在Protus环境下，将编译好的软件下载到AT89C51中运行，可以看到LED灯如任务要求的一样先由亮逐渐变暗，再由暗逐渐变亮。,.,1任务要求,任务9.2信号发生器的设计,用单片机AT89C51和D/A转换芯片DAC0832组成的信号发生器生成要求周期和幅度（0V+5V）的锯齿波、三角波、方波或正弦波。,2任务分析,锯齿波：向DAC0832反复送入0 x000 xFF数据，就会生成幅度为0V+5V的锯齿波三角波：向DAC0832反复送入0 x000 xFF和0 xFF0 x00数据，就会生成幅度为0V+5V的三角波,方波：向DAC0832送入一定时长的0 x00和一定时长的0 xFF，就会生成幅度为0V+5V的方波,.,波形的周期与单片机的机器周期和程序中的延时长短相关。,正弦波：等时间间隔分割正弦信号，计算出分割时刻的信号幅值，将幅值对应的数字量存储到ROM中，然后用查表的方法取出这些取样值，送到DAC0832转换后输出，那么输出信号就是正弦波形。,如：波形频率为50Hz的正弦波信号，正弦波信号以5作为1个阶梯，则分成360572份，时间间隔为20720.278ms。当参考电压为5V时，72个采样值、输出电压值、正弦值、角度如表9.2所示。,.,表9.2正弦波数据表,.,3任务设计,（1）器件选择,.,（2）硬件原理图设计DAC0832工作于单缓冲方式，地址为0 x7FFF。Vref接5V电压，输出的单极性电压在05V之间变化。,.,（3）软件程序设计：产生锯齿波的源程序如下：#include#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineDAC0832XBYTE0 x7FFF/延时子程序voidDelayMS(uintx)uchart;while(x-)for(t=0;t120;t+);,/主程序生成锯齿波voidmain()uchari;while(1)for(i=0;i256;i+)DAC0832=i;DelayMS(1);,.,产生三角波的源程序如下：#include#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineDAC0832XBYTE0 x7FFF/延时子程序voidDelayMS(uintx)uchart;while(x-)for(t=0;t120;t+);,/主程序生成三角波voidmain()uchari;while(1)for(i=0;i0;i-)DAC0832=i;DelayMS(1);,.,产生正弦波的源程序如下：#include#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineDAC0832XBYTE0 x7FFF,.,/初始化正弦波波形数据数组ucharcodedata=0 x7F，0 x8A，0 x95，0 xA0，0 xAB，0XB5，0 xBF，0 xC8，0 xD1，0 xD9，0 xE1，0 xE7，0 xED，0 xF3，0 xF7，0 xFA，0 xFD，0 xFE，0 xFF，0 xFE，0 xFD，0 xFA，0 xBF，0 xF3，0 xED，0 xE7，0 xE1，0 xD9，0 xD1，0 xC8，0 xBF，0 xB5，0 xAB，0 xA0，0 x95，0 x8A，0 x7F，0 x75，0 x6A，0 x5F，0 x54，0 x4A，0 x40，0 x36，0 x2D，0 x25，0 x1E，0 x17，0 x11，0 x0C，0 x07，0 x04，0 x02，0 x01，0 x00，0 x01，0 x02，0 x04，0 x07，0 x0C，0 x11，0 x17，0 x1E，0 x25，0 x2D，0 x36，0 x40，0 x4A，0 x54，0 x5F，0 x6A，0 x75；,.,/延时子程序voidDelayMS(uintx)uchart;while(x-)for(t=0;t120;t+);/主程序生成正弦波voidmain()uchari;while(1)for(i=0;i72;i+)DAC0832=datai;DelayMS(1);,.,（4）软硬件联合调试将上面相应波形的程序编译为*.hex文件后，在Proteus绘制的原理图中，将*.hex文件加载到单片机AT89C51中运行，在虚拟示波器上可以看到对应的波形图。在Proteus仿真运行过程中可能会提示CPU过载，这时虚拟示波器可能会无法实时显示波形，可将虚拟示波器通道A中指向1的黄色旋钮从1开始先正向旋转一圈，再反向旋转一圈，这样会使虚拟示波器尽快刷新显示波形。,.,1PCF8591简介,项目拓展串行D/A转换芯片PCF8591在实验板上的应用,PCF8591是一个单片集成的具有I2C总线接口的8位A/D及D/A转换器，有4路A/D输入，1路D/A输出。PCF8591的输入输出地址、控制和数据信号都是通过I2C总线以串行的方式进行传输。,.,PCF8591的主要特性：单独供电PCF8591的操作电压范围+2.5V+6V低待机电流通过IC总线串行输入/输出PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址PCF8591的采样率由IC总线速率决定4个模拟输入可编程为单端型或差分输入自动增量频道选择PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDDPCF8591内置跟踪保持电路8-bit逐次逼近A/D转换器通过1路模拟输出实现DAC增益,.,2PCF8591内部结构框图,.,3PCF8591引脚功能,.,4PCF8591工作原理,PCF8591采用典型的I2C总线接口器件寻址方法，即总线地址由器件地址（1001）、引脚地址（由A0A2接地或+5V来确定，接地代表0，接+5V代表1）、方向位（即R/W）组成。在I2C总线系统中最多可接8个这样的器件。,表9.5PCF8591总线地址,.,R/W=1表示读操作，R/W=0表示写操作。如果将A0A2接地，则读地址为91H；写地址为90H。地址字节：由器件地址、引脚地址、方向位组成，它是通信时主机发送的第一字节数据。控制字节：用于控制PCF8951的输入方式、输入通道、D/A转换等，是通信时主机发送的第二字节数据，其格式如下表。,.,D/A转换的数据输入和A/D转换的数据输出都是通过I2C总线串行输入和输出的。因此PCF8951中I2C总线的通信格式包括写数据格式和读数据格式。,PCF8591的I2C总线写数据格式：,PCF8591的I2C总线读数据格式：,.,5I2C总线,（1）I2C总线数据位的传输,I2C总线上每传输一个数据位必须产生一个时钟脉冲，I2C总线上数据传输的有效性要求SDA线上的数据必须在时钟线SCL的高电平期间保存稳定，数据线的改变只能在时钟线为低电平期间。,I2C总线由2根线：串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。,总线上的每一个器件都有一个唯一的地址。,.,（2）I2C总线数据的传输,数据传输中的应答：相应的应答位由接收方（从机）产生，在应答的时钟脉冲期间，发送方（主机）应释放SDA线（使其为高电平）。在应答过程中，接收方（从机）必须将数据线SDA拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。,数据传输的字节格式：发送到SDA线上的每一个字节必须为8位，每次发送的字节数量不受限制，从机在接收完一个字节后向主机发送一个应答位，主机在收到从机应答后才会发送第二字节数据，发送数据时先发数据的最高位。,.,（3）I2C总线的传输协议,主机写数据到从机的通信格式：,.,主机从从机中读数据的通信格式：,.,6.实验板上锯齿波信号的输出,（1）STC89C52控制PCF8591生成锯齿波信号的电路设计,将U15的J23的19和20脚用杜邦线与J8的SDA和SCL脚连接。,.,（2）生成锯齿波的软件设计,主程序main.c：/PCF8591的DA转换程序#include#includei2c.h#defineAddWr0 x90/写数据地址#defineAddRd0 x91/读数据地址/锯齿波数据表，表格数值越多，波形越平滑unsignedcharcodetab=0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200,210,220,230,240,250;/定义全局变量externbitack;,.,/写入DA转换数值，dat表示需要输入转换的DA数值，从0-255bitWriteDAC(unsignedchardat,unsignedcharnum)unsignedchari;Start_I2c();/启动总线SendByte(AddWr);/发送器件地址if(ack=0)return(0);SendByte(0 x40);/发送器件子地址if(ack=0)return(0);for(i=0;inum;i+)SendByte(dat);/发送数据if(ack=0)return(0);Stop_I2c();,.,/主程序main()unsignedchari;while(1)for(i=0;i26;i+)WriteDAC(tab1i,1);,.,I2C头文件i2c.h：#ifndef_I2C_H_#define_I2C_H_#include/头文件的包含#include#define_Nop()_nop_()/定义空指令/启动总线voidStart_I2c();/结束总线voidStop_I2c();/字节数据传送函数voidSendByte(unsignedcharc);#endif,.,I2C程序i2c.c：/函数是采用软件延时的方法产生SCL脉冲,晶振频率是12MHz，即机器周期为1us#includei2c.h#define_Nop()_nop_()/定义空指令bitack;/应答标志位sbitSDA=P21;sbitSCL=P20;、/启动总线voidStart_I2c()SDA=1;/发送起始条件的数据信号_Nop();SCL=1;_Nop();/起始条件建立时间大于4.7us,延时_Nop();_Nop();_Nop();_Nop();,.,SDA=0;/发送起始信号_Nop();/起始条件锁定时间大于4_Nop();_Nop();_Nop();_Nop();SCL=0;/钳住I2C总线，准备发送或接收数据_Nop();_Nop();/结束总线voidStop_I2c()SDA=0;/发送结束条件的数据信号_Nop();/发送结束条件的时钟信号SCL=1;/结束条件建立时间大于4_Nop();_Nop();_Nop();_Nop();_Nop();SDA=1;/发送I2C总线结束信号_Nop();_Nop();_Nop();_Nop();,.,/字节数据传送函数voidSendByte(unsignedcharc)unsignedcharBitCnt;for(BitCnt