单片机原理及应用课件：第9章 D-A

1、内容提要内容提要并行接口并行接口I/O扩展器件扩展器件8255A 模数转换器模数转换器 MAX114与与51机接口电路设计机接口电路设计 数模转换器数模转换器DAC08329.4 数模转换器的扩展数模转换器的扩展9.4.1 D/A转换器的技术性能指标转换器的技术性能指标D/A转换器的技术性能指标是实际工程中选型的依转换器的技术性能指标是实际工程中选型的依据，主要有：据，主要有： 1）转换范围）转换范围。DAC的出输可在电压（或电流）的的出输可在电压（或电流）的最小值与最大值之间的范围。最小值与最大值之间的范围。2）分辨率）分辨率。DAC的分辨率为的分辨率为2-n与与ADC定义相同。定义相同。n

2、为为D/A转换器的位数。转换器的位数。如图如图9-16所示。由于有限的分辨率，用所示。由于有限的分辨率，用DAC产生的产生的模拟量就不可能是连续的。因此，用实际模拟量就不可能是连续的。因此，用实际DAC生成的电生成的电信号波形，与希望的波形在成份存在着差异，一般含有更信号波形，与希望的波形在成份存在着差异，一般含有更多的高次谐波成份。实用中，在多的高次谐波成份。实用中，在DAC输出端之后，常加输出端之后，常加滤波器对输出信号进行平滑处理。滤波器对输出信号进行平滑处理。 3）精度）精度精度（精度误差）指精度（精度误差）指DAC输出在整个工作范围内，与其设计输出在整个工作范围内，与其设计值的最大偏

3、差。此精度的定义包含了以下成份：值的最大偏差。此精度的定义包含了以下成份：（1）偏移误差。）偏移误差。它指零代码作用于它指零代码作用于DAC的数字输入时，任的数字输入时，任何非零值的模拟量输出，也称为零点误差。何非零值的模拟量输出，也称为零点误差。（2）增益误差。）增益误差。在偏移误差为零时，理想在偏移误差为零时，理想DAC与实际与实际DAC的传递函数之间在满量程值处的输出模拟量的差值。的传递函数之间在满量程值处的输出模拟量的差值。 DAC的增益或比例因子是一个数，它反映了转换器的数字输的增益或比例因子是一个数，它反映了转换器的数字输入码与模拟量之间的比例关系，其几何意义是入码与模拟量之间的比

4、例关系，其几何意义是DAC传递函数的斜率。传递函数的斜率。见图见图9-16。（3）线性误差：）线性误差：在偏移误差和增益误差已调零的条件下，在偏移误差和增益误差已调零的条件下，在零点和满量程之间连一条线，在零点和满量程之间连一条线， DAC的传递函数与此直线之间的的传递函数与此直线之间的最大差值。一般用最大差值。一般用LSB表示。几何可参考图表示。几何可参考图9-10所示所示理想理想DAC的传递函数是直线方程。但实际的传递函数是直线方程。但实际DAC的增益多少的增益多少将偏离理想直线。由此给转换器还来的误差称为线性误差。将偏离理想直线。由此给转换器还来的误差称为线性误差。（4）温度变化引起的误

5、差：）温度变化引起的误差：环境温度的变化会引起转换器环境温度的变化会引起转换器的偏移、增益和线性误差的变化。用每的偏移、增益和线性误差的变化。用每满量程范围的百万分之一满量程范围的百万分之一（ppm）表示。）表示。无论无论ADC还是还是DAC，精度误差均指相对精度，其定义是：，精度误差均指相对精度，其定义是：任一数字量所对应的模拟量的实际值与理论值之差，占模拟量转换任一数字量所对应的模拟量的实际值与理论值之差，占模拟量转换范围的比例。范围的比例。 （5）电源灵敏度：）电源灵敏度：PSSI其定义为：电源电压每变化其定义为：电源电压每变化1%时，输出模拟量的变时，输出模拟量的变化相当于满量程输出的

6、百分数。化相当于满量程输出的百分数。 3）建立时间）建立时间也称稳定时间。是描述也称稳定时间。是描述D/A转换速度快慢的一个参转换速度快慢的一个参数。指从输入数字量输出，达到离终值数。指从输入数字量输出，达到离终值1/2LSB时所需时所需的时间，用来表明转换速度。的时间，用来表明转换速度。5）输出模拟量类型）输出模拟量类型DAC可以是电压或电流输出两类。可以是电压或电流输出两类。输出模拟量的极性。输出模拟量的极性。DAC模拟量输出有单极性和双模拟量输出有单极性和双极性两种。对于需要正负电压控制的设备，就需要选用双极性两种。对于需要正负电压控制的设备，就需要选用双极性极性DAC。9.4.2 D/

7、A转换器应用中一般要考虑的问题转换器应用中一般要考虑的问题在在DAC选型时，除了选型时，除了9.4.1中性能指标外，一般还要考虑以下问题：中性能指标外，一般还要考虑以下问题：1）模拟量输出极性。有单极性和双极性两种。对于需要正）模拟量输出极性。有单极性和双极性两种。对于需要正负电压信号的系统，就需要选用双极性输出型负电压信号的系统，就需要选用双极性输出型DAC。2）外围电路配置。）外围电路配置。DAC工作时需要参考电压。内部带参考工作时需要参考电压。内部带参考电源的电源的DAC，其外围电路配置简单、方便。需外部参考电源的，其外围电路配置简单、方便。需外部参考电源的DAC，转换范围调整方便。，转

8、换范围调整方便。3）通道数。）通道数。DAC芯片有单通道和多通道产品。当转换速度芯片有单通道和多通道产品。当转换速度满足要求时，使用多通道满足要求时，使用多通道DAC比用多个单通道比用多个单通道DAC更为经济。更为经济。4）输入码制。）输入码制。DAC能接收不同码制的数字量输入。有二进能接收不同码制的数字量输入。有二进制、制、BCD及偏移二进制码或补码四种。及偏移二进制码或补码四种。 5）电源。有三个与电源有关的问题需要考虑：器件）电源。有三个与电源有关的问题需要考虑：器件工作电源的个数、数值和功率。电源的个数多，会给系统工作电源的个数、数值和功率。电源的个数多，会给系统生产、维护带来诸多不便

9、。生产、维护带来诸多不便。6）接口形式。）接口形式。DAC与计算机接口有并行总线（与计算机接口有并行总线（P总线）及串行总线接口方式（见第总线）及串行总线接口方式（见第10章）。章）。7）封装形式。应用系统的研发阶段，标准）封装形式。应用系统的研发阶段，标准DIP封装封装比较方便。作为产品，表面贴封装所需电路板的面积更小，比较方便。作为产品，表面贴封装所需电路板的面积更小，电路制造成本低。电路制造成本低。 9.4.2 数模转换器数模转换器DAC0832的内部结构与外部特的内部结构与外部特1. DAC0832的特性的特性DAC0832是美国国家半导体是美国国家半导体(NSC)公司的产品。主公司的

10、产品。主要特性参数如下：要特性参数如下： 8位分辩率。位分辩率。 电流输出型电流输出型DAC，电流建立时间为，电流建立时间为1s。 相对精度：相对精度：1/2LSB。 单电源供电：单电源供电：+5+15V。 基准电压的范围为基准电压的范围为10V。 CMOS工艺工艺,低功耗低功耗20mW； 具有锁存功能的具有锁存功能的8位三态输入数据线。位三态输入数据线。1）DAC0832的引脚功能的引脚功能DAC0832的引脚配置如的引脚配置如图图9-17。引脚功能为：。引脚功能为：（1）D7D0：8位转换数据输入端，带锁存。位转换数据输入端，带锁存。（2）控制线（输入）控制线（输入）片选信号输入，低电平有

11、效；片选信号输入，低电平有效；ILE数据锁存允许信号，高电平有效；数据锁存允许信号，高电平有效；写信号写信号1，低电平有效。以上三个信号控制，低电平有效。以上三个信号控制8位输入寄存器。位输入寄存器。写信号写信号2，低电平有效；，低电平有效；数据传送控制信号，低电平有效。数据传送控制信号，低电平有效。它们控制它们控制8位位DAC寄存器；寄存器；CSWR1WR2XFER（3）输出信号）输出信号IOUT1：电流输出：电流输出1，当，当DAC寄存器中各位为全寄存器中各位为全“1”时，电流最大；为全时，电流最大；为全“0”时，电流为时，电流为0。IOUT2：电流输出：电流输出2，电路中保证，电路中保证

12、IOUT1+IOUT2 = 常数。常数。Rfb：反馈电阻端，片内集成的电阻为：反馈电阻端，片内集成的电阻为15k。Vref：参考电压，可正可负，范围：参考电压，可正可负，范围-10+10V； （4） 电源电源Vcc 工作电源输入端，范围工作电源输入端，范围+5+15V；DGND：数字量地；：数字量地；AGND：模拟量地。：模拟量地。拟和数字拟和数字地地应各自形成自己的接地点，最后汇聚于应各自形成自己的接地点，最后汇聚于系统电源地上。可减少数字信号对模拟信号的干扰。系统电源地上。可减少数字信号对模拟信号的干扰。2）DAC0832的内部结构的内部结构DAC0832通常采用通常采用20引脚、双列直插

13、封装。引脚、双列直插封装。DAC0832的内部结构如的内部结构如图图9-18所示。所示。 0832内部的内部的R-2R梯形网络示意于图梯形网络示意于图9-19中。中。DAC0832的数据手册中指出：的数据手册中指出： 256151inREFOUTDATAKVI256255152inREFOUTDATAKVI常数21OUTOUTII（9-3） （9-4） （9-5） 所以：所以： 256)k15()10(1inREFfbfbOUTOUTDATAVRRIV2.DAC0832的的控制方式控制方式DAC0832有多种受控方式，在不同需求的应用场合，有多种受控方式，在不同需求的应用场合，使用灵活。使用灵

14、活。 1）单缓冲方式）单缓冲方式DAC0832的两个输入寄存器中，有一个处于直通方的两个输入寄存器中，有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，也可使两个寄存器同式，而另一个处于受控的锁存方式，也可使两个寄存器同时选通及锁存。时选通及锁存。图图9-20为为DAC0832的的3种单缓冲连接方式，其中种单缓冲连接方式，其中（a）DAC寄存器直通方式寄存器直通方式，即控制，即控制DAC寄存器的寄存器的两个信号两个信号 、 接地，使他们常有效，接地，使他们常有效，DAC寄存寄存器常开，器常开，DAC只受只受 引脚上信号的控制；引脚上信号的控制；（b）输入寄存器直通方式）输入寄存器直通方式。两者有

15、什么区别呢？两者有什么区别呢？ （c）两个寄存器同时选通及锁存方式：两个寄存器）两个寄存器同时选通及锁存方式：两个寄存器的选通控制端与锁存控制端接在一起的控制方式。的选通控制端与锁存控制端接在一起的控制方式。 WR1WR2XFER2）双缓冲方式）双缓冲方式DAC0832的的两个锁存器两个锁存器都接成受控锁存方式。如都接成受控锁存方式。如图图9-21所示。所示。 由于两个锁存器分别占据两个地址，因此在程序中由于两个锁存器分别占据两个地址，因此在程序中需要使用两条传送指令，才能完成一个数字量的模拟转换。需要使用两条传送指令，才能完成一个数字量的模拟转换。设设输入寄存器地址为输入寄存器地址为7FFF

16、H，DAC寄存器地址为寄存器地址为BFFFH，则完成一次则完成一次D/A转换的程序段应为：转换的程序段应为：MOV A，DATAMOVDPTR，7FFFH ；指向输入寄存器；指向输入寄存器MOVX DPTR，A ；转换数据送输入寄存器；转换数据送输入寄存器MOVDPTR，0BFFFH ；指向；指向DAC寄存器寄存器MOVX DPTR，A；数据进入；数据进入DAC寄存器并进行寄存器并进行D/A转换转换3. DAC0832单极性编码与模拟量输出的关系单极性编码与模拟量输出的关系目前为止，所讨论的目前为止，所讨论的DAC0832的应用电路，模拟量的应用电路，模拟量输入都是单极性的，其数字量输入编码与

17、模拟量输出的关输入都是单极性的，其数字量输入编码与模拟量输出的关系由式系由式9-5计算，即：计算，即：设设 ，按式，按式9-5计算出输入与输出对应关系计算出输入与输出对应关系成成表表9-3。256DATAVVinREFOUT5VVREF9-59.4.4 DAC0832与与51机的接口电路与程序设计机的接口电路与程序设计1.P（微控制（微控制/处理器）总线方式处理器）总线方式由于由于DAC0832芯片内置有锁存器，可以与芯片内置有锁存器，可以与51直接以直接以总线方式接口。总线方式接口。以两个寄存器同时选通的单缓冲方式为例，一路模以两个寄存器同时选通的单缓冲方式为例，一路模拟量输出的拟量输出的D

18、AC0832与与8031的接口电路如的接口电路如图图9-22所示。图所示。图中中DAC0832扩展于扩展于图图8-20的的51机总线系统上，机总线系统上， 、 与片选线与片选线IOCS2连接，其地址范围为连接，其地址范围为E400E7FFH。 CSXFER【例例9-8】以图以图9-22电路为基础，若希望在其输出端电路为基础，若希望在其输出端Vout上得到上得到05V单极性、对称、斜锯齿波输出，要求以单极性、对称、斜锯齿波输出，要求以单片机的最高速度控制，以达到最高信号频率输出，试编单片机的最高速度控制，以达到最高信号频率输出，试编写写51机的控制程序。机的控制程序。解：解：锯齿波的周期由锯齿波

19、的周期由fosc及单片机的类型决定。及单片机的类型决定。对对DAC0832控制方式以先选通，后写入的原则，参考程序控制方式以先选通，后写入的原则，参考程序如下：如下：ORG0000HAJMPMAINORG0040HMAIN：CLRF0MOVSP，#5FHMOVDPTR，#0E400HMOVA，#00HAGAIN：JBCF0，STOPDS：MOVXDPTR，AINCACJNEA，#0FFH，DS；输出锯齿波；输出锯齿波LS：MOVXDPTR，ADECACJNEA，#00H，LSSJMPAGAIN STOP：；程序的其他部分；程序的其他部分END讨论：程序中用讨论：程序中用F0作为输出停止标志。作

20、为输出停止标志。F0由程序的由程序的某个部分触发，如外部中断或定时中断。实用中要根据系某个部分触发，如外部中断或定时中断。实用中要根据系统工作过程要求具体编程。统工作过程要求具体编程。 2. I/O方式方式用用I/O方式对方式对DAC0832进行控制，对工作于进行控制，对工作于I/O方式方式的单片机有实际意义。的单片机有实际意义。由于由于DAC0832没有地址线，所以总线与没有地址线，所以总线与I/O方式在方式在电路上没有区别。但两种控制方式有本质上的不同。电路上没有区别。但两种控制方式有本质上的不同。总线方式下，编程者站在指挥高度，下达命令，系总线方式下，编程者站在指挥高度，下达命令，系统协

21、调三总线执行命令；而统协调三总线执行命令；而I/O方式下，完全要通过方式下，完全要通过I/O指指令，由令，由CPU产生控制时序。产生控制时序。 【例例9-9】设计一个二路模拟量输出的设计一个二路模拟量输出的DAC0832与与51机的接口电路。要求两路机的接口电路。要求两路DAC能同时启动转换（如果两能同时启动转换（如果两个器件性能迫近，由输出就同步），试编写对两片个器件性能迫近，由输出就同步），试编写对两片DAC0832进行同步转换的进行同步转换的51机控制程序。机控制程序。 解：解：为达到两个为达到两个DAC同步输出的目标，同步输出的目标，DAC0832应应工作于双缓冲方式。其原理是：选将每

22、个工作于双缓冲方式。其原理是：选将每个DAC的数据通的数据通过输入寄存器并锁存于输出端，之后同时启动两个芯片的过输入寄存器并锁存于输出端，之后同时启动两个芯片的DAC转换，实现同步输出。两个转换，实现同步输出。两个DAC的同步转换的工作的同步转换的工作时序如图时序如图9-23所示。所示。 I/O方式参考程序如下：方式参考程序如下： CS1EQUP2.6CS2EQUP2.7WR1XFEQUP3.6WR2XFEQUP3.7ORG0000HAJMPMAINORG0040HMAIN：MOVSP，#5FHAGAIN：JBCF0，STOPMOVR0，#ADDR1MOVR1，#ADDR2MOVR7，#NUM

23、 LOOP：CLRCS1；选中；选中1#DAC输入寄存器输入寄存器MOVP0，R0CLRWR1XFINCR0SETBWR1XF；数据；数据1写入写入DAC1SETBCS1CLRCS2；选中；选中2#DAC输入寄存器输入寄存器MOVP0，R1 CLRWR1XFINCR1SETBWR1XF；数据；数据2写入写入DAC2输入寄存器输入寄存器SETBCS2CLRWR2XFSETBWR2XF；同步输出；同步输出DJNZR7，LOOPSJMPAGAINSTOP：SJMP$END 程序中程序中ADDR1、ADDR2为两部分图形数据区在片内的首地址，为两部分图形数据区在片内的首地址，NUM为为数据长度。程序将

24、图形数据连续不断地反复输出，若将两个数据长度。程序将图形数据连续不断地反复输出，若将两个DAC输出分别接到输出分别接到示波器示波器X、Y轴输入端，可观查到模拟运动合成图象（李萨如图形）。注意，本轴输入端，可观查到模拟运动合成图象（李萨如图形）。注意，本例两个输出信号频率相同。例两个输出信号频率相同。 同样的任务，同样的电路用总线方式控制，参考的汇编控制程序如下：同样的任务，同样的电路用总线方式控制，参考的汇编控制程序如下：ORG0000HAJMPMAINORG0040HMAIN：MOVSP，#5FHAGAIN：JBCF0，STOPMOVR0，#ADDR1MOVR1，#ADDR2MOVR7，#NUMLOOP：MOVDPTR，#0BFFFH；选中；选中1#DAC输入寄存器输入寄存器MOVA，R0MOVXDPTR，A；数据数据1写入写入DAC1输入寄存器输入寄存器 INCR0MOVDPTR，#7FFFH；选中；选中2#DAC输入寄存器输入寄存器MOVA，R1MOVXDPTR，A；数据写入；数据写入DAC2输入寄存器输入寄存器INCR1MOVDPTR，#0FFFFH；1#DAC和和2#DAC均不选