完全手册 51单片机C语言开发详解系列之第10章DA转换实战―模拟量输出电路与软件设计

第10章D/A转换实战模拟量输出电路与软件设计,本章主要通过实际的例子讲解AT89S51单片机的模拟量输出电路和软件设计。在第9章中已经提到过，真实世界中所有物理量都是模拟量，一个基于单片机嵌入式系统要能够控制一个实际的设备，除了要感知到真实世界的模拟量变化，对于部分执行设备来说，还要能够输出一个真实的物理变化量，才能够控制其工作，这是单片机进行控制的重要手段之一。由于基础的51系列单片机没有D/A转换器（其实大部分单片机都不含D/A转换器），因此要在51单片机上实现D/A转换功能，就必须外扩D/A转换电路。,10.1D/A转换器的基本原理,D/A转换器把数字量转化为与其大小成正比的模拟量信号。根据不同的转换原理，D/A转换器的种类很多，最常见的两种转换器是权电阻式和T型电阻式D/A转换器等。下面分别介绍目前常用的D/A转换器的基本原理。,10.1.1权电阻式D/A转换器原理,权电阻D/A转换器实际上就是运放电路中十分经典的反向求和电路，如图所示，为一4位二进制的权电阻D/A转换器的典型电路。电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器组成。,10.1.2R-2RT型网络D/A转换器原理,如图所示为R-2RT型网络D/A转换器原理图，电路由4路R-2R电阻网络，一个运算放大器和一个反馈电阻R组成，这种转换电路与权电阻D/A转换电路的区别主要在于电阻求和网络的结构不同，它采用了分流原理实现对输入位数字量的转换。,10.1.3R-2R倒T型网络D/A转换器原理,如图所示为R-2R倒T型网络D/A转换器原理图，与R-2RT型网络D/A转换器原理类似，通过D0D3的数字开关的输入，形成不同大小的输入电阻，从而从运放的输出端输出需要的模拟量。,10.1.3R-2R倒T型网络D/A转换器原理,如图10.4所示为R-2R倒T型网络D/A转换器原理图，与R-2RT型网络D/A转换器原理类似，通过D0D3的数字开关的输入，形成不同大小的输入电阻，从而从运放的输出端输出需要的模拟量。,10.1.4D/A转换器的转换精度,选择D/A转换器时，需要考虑D/A转换器的主要技术指标，下面简要介绍一下D/A转换器的技术指标，常用的D/A转换器指标包括转换精度、转换速度和温度特性。D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。其定义为D/A转换器模拟量输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数愈多，输出电压可分离的等级愈多，即分辨率愈高。,10.1.5D/A转换器的转换速度,当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，它需要一段时间。通常用建立时间和转换速率两个参数来描述D/A转换器的转换速度。建立时间（tset）指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需要时间。一般用D/A转换器输入的数字量NB从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围（LSB/2）时所需时间表示。D/A转换器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达0.1s以内。,10.1.6D/A转换器的温度系数,是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1C，输出电压变化的百分数作为温度系数。,10.2DAC0832数模转换器电路设计,根据不同的应用，不同的精度要求，可以选用不同的D/A转换器在AT89S51上进行扩展，DAC0832是一款由美国国家半导体公司生产的CMOS工艺制造8位电流输出型D/A转换器，其主要的技术指标如下：分辨率：8位；供电电源：+5V15V；典型稳定时间：1us；线性度：810bit；低功耗：20mW；温度漂移：0.0002%FS/C；适合多种单片机接口；双缓冲、单缓冲与直通模式。,10.2.1DAC0832的内部结构,DAC0832主要由两个8位寄存器和一个8位D/A转换器组成，其内部结构原理图如图所示，使用两个寄存器的结构大大简化了硬件接口电路设计的难度。,10.2.2电流电压转换接口,DAC0832D/A转换器输出的模拟量是电流，有许多D/A转换器的输出量都是电流，但是实际应用中常常需要用的是模拟电压输出，因此在D/A转换器的后端还需要将电流转换为电压输出。如图10.9所示为常用的D/A转换器反相输出电流电压转换接口，输出电压为Vout=-iR，当VREF为+5V时，输出电压范围是0-5V，当VREF为+10V时，输出电压范围是0-10V。,10.2.3DAC0832的直接工作方式,如图所示为DAC0832的直接工作方式，该工作方式采用一个外界输入，可以是地址线或者地址译码器输出，直接将DAC0832的相应控制引脚置为有效，数据线上的数据字直通D/A转换器转换并输出，称为直接工作方式。,10.2.4DAC0832的单缓冲工作方式,DAC0832的单缓冲模式适用于只有一路模拟量输出或者几路模拟量输出不要同步的场合，此时，将两个寄存器的（输入寄存器与DAC寄存器）的控制信号并接，输入数据在控制信号的作用下，直接进行D/A转换，如图所示。,10.2.5DAC0832的双缓冲工作方式,当需要多路模拟量同时输出工作时，DAC可以工作在双缓冲模式。工作于双缓冲模式时，可以同时使用n个DAC0832作为模拟信号同步输出。如图所示为DAC0832双缓冲工作方式的电路图，两个DAC0832的片选信号由P0.3和P2.6分别控制。工作时，先将要输出的数据分别输入两个DAC0832的输入寄存器，然后通过XFER传送命令，使两个输入寄存器的数据被同时送入DAC寄存器中，由DAC转换电路进行转换，在各输出端就能获得同步的模拟信号。,10.3串行接口DAC7614数模转换器电路设计,DAC7614是BB公司（目前属于TI公司）生产的一款高性能，四通道，12位精度，电压输出型D/A转换芯片，通过串行接口即可通过DAC7614输出4路独立的模拟量信号。由于DAC7614是电压输出型的D/A转换芯片，因此其电路设计更为简单。DAC7614的基本技术指标如下：超低功耗：20mW；稳定时间：10us-0.012%；分辨率：12bit；工作温度：-40+85C；,10.3.1DAC7614的内部结构,DAC7614的内部结构如图所示，由串行移位寄存器、4个DAC寄存器和DAC和输出跟随器组成。,10.3.2DAC7614的单端工作模式,如图所示为DAC7614的单端工作方式，DAC7614的参考电压范围由VDD和VSS决定，VDD供电电压在0.3V5.5V之间，VSS只能直接接地或者在供电范围-4.75V-5.5V之间。,10.3.3DAC7614的双端工作模式,如图所示为DAC7614的双端工作方式，VDD的供电为+5V，VSS的供电为-5V。VREFL和VREFH参考电压输入分别为-2.5V和+2.5V，因此DAC7614的模拟输出范围为-2.5V+2.5V。,10.3.4DAC7614的数字接口,DAC7614的操作与数据传输均为串行控制，每次16位的串行数据通过移位寄存器的操作对DAC内部进行控制，DAC7614的串行控制时序如图所示。,10.4基于PWM的低成本数模转换器电路设计,对于精度要求不是太高，转换时间要求不是太严格的场合，可以利用阻容滤波网络和一个运算放大器（例如LM358、LM2902等）实现低成本的D/A转换器，利用PWM调制波形实现D/A转换功能。,10.4.1PWM简介,PWM（PulseWidthModulator）是脉宽调制的简称，通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，是一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波。,10.4.2基于单运放的阻容滤波D/A转换器,因为所有周期性的信号都可以分解成为不同频率成分正弦波的组合，按给定占空度生成的PWM波形被输入到一个低通滤波器该滤波器，将消除PWM波形的大部分高频成分。从时域角度看RC电路被充电到一个与PWM波形高电平占整个周期百分比的占空比成正比的电压电平，简言之低通滤波器将PWM波形的高电平时间转换成系统输出端的电压，由于系统输入的是一个数值而输出是一个所要求的电压，因此PWM与低通滤波器可以被认为是一种数/模转换器DAC。,10.5DAC0832程序设计,下面以基于AT89S51单片机的D/A转换器扩展为基础，具体讲解D/A转换在实际中的各种应用。通过各种案例的学习，能够掌握各种D/A转换的应用及其软件设计方法。DAC0832是低成本的8位精度D/A转换器，在很多精度要求不高的工业场合有广泛的应用，在本节中先介绍AT89S51扩展DAC0832的软件设计。,10.5.1AT89S51扩展DAC0832的双缓冲电路,如图10.25所示为AT89S51的DAC0832双缓冲扩展电路，电路通过AT89S51的P1口作为DAC0832的数据输入口，分别与两片DAC0832的DI0DI7相连，单片机AT89S51通过引脚P0.3和P2.6与两片DAC0832的CS引脚相连，通过CS引脚对DAC0832进行片选区分两片DAC0832的操作。,10.5.2精密电压参考源AD780,为了提高D/A转换的精度，在如图10.25所示电路中采用了精密电压参考源AD780，AD780是美国模拟器件公司（ADI）生产的一款高精度2.5V/3.0V可选电压参考源，其性能参数如下。参考输出：引脚可配置为2.5V/3.0V输出。超低漂移：3ppm/C。超低噪声：100nV/Sqrt(HZ)。精度：1mV。具备一个温度输出引脚。电压输入4V36V。ESD保护：1000V。功耗：50mW。工作温度：-40+85C。,10.5.2精密电压参考源AD780,AD780的是一款精度高，外围电路简单的电压参考源，其各引脚功能如下：NC：不用连接。+VIN：电源输入正极，范围为+4+36V。VOUT：参考电压输出，2.5V/3.0V。TRIM：可选的精密调节引脚。OPSELECT：选择输出电压参考，接地为3.0V，悬空为2.5V输出。GND：电源供给地。TEMP：温度输出引脚，可以用于温度补偿。AD780的功能示意图,10.5.3D/A转换程序设计,基于如图所示的电路，可以设计D/A转换的AT89S51双缓冲程序，,10.6三角波发生器设计,通过在AT89S51单片机系统上外扩DAC0832可以很容易地实现一款三角波发生器，下面详细介绍实现细节。,10.6.1三角波发生器电路,三角波发生器采用了AT89S51和DAC0832的单缓冲电路，如图所示。,10.6.2定时器中断,为了能够得到准确周期的三角波波形，不能够再采用简单的delay()延时，而必须采用AT89S51中的定时器中断进行计时。,10.6.3三角波发生器程序设计,三角波发生器程序要实现的功能是能够输出规定周期的三角波，通过以定时器得到的时间基准，计算DOUT的变化量，具体计算程序流程如图所示。,10.7DAC7614程序设计,由于DAC0832是并行接口，需要占用单片机的许多引脚资源，因此越来越多的DAC采用了串行数据接口，DAC7614就是一款12位的电压输出型串行DAC转换芯片。,10.7.1DAC7614扩展电路,基于DAC7614的扩展电路如图所示。,10.7.2隔离电源DCP010505,为了实现单片机系统良好的电磁兼容性，提高单片机系统的抗干扰能力，在的电路中采用了数字模拟隔离的电路设计方法，因此在电路需要一款隔离电源。DCP010505是TI公司生产的一款高性价比的隔离电源模块，其结构简单，功耗低，体积小，输出功率高达1W，其具体性能指标如下：,10.7.3光耦6N137,采用了隔离电路后，单片机的数字部分和模拟部分通过光耦进行隔离，信号之间的传递依靠光耦内部发光二极管的光信号进行传递，在电路上无实际的电气连接。常用的光耦器件有6N135、6N137、TLP121等，6N137为工业广泛应用的高速隔离光耦，常用作CAN总线、SCI通讯等领域。,10.7.4DAC7614程序设计,DAC7614为SPI串行控制，由于AT89S51没有SPI接口，因此必须通过普通的I/O引脚模拟SPI通讯，通过P2.0P2.4引脚进行SPI通讯模拟。该段程序通过函数Chn_Sel()选择DAC7614输出的通道，通过函数SetDACout()设置进行转换的数字量，通过函数SetDAC7614()通过DAC7614的串行接口，将设置值写入DAC7614，并启动DAC转换。,10.8PWMDAC程序设计,在10.2.3节中提到，在要求精度不是太高，响应速度不是太快的情况下，可以采用阻容滤波器实现低成本的D/A转换器。下面详细介绍在AT89S51上的程序设计。,10.8.1电路原理图,如图所示为基于PWM原理的DAC电路原理图，由于AT89S51没有独立的PWM输出模块，因此也只能使用普通的IO引脚进行模拟PWM输出。,10.8.2程序设计,要输出相应的模拟量，