微控制器系统设计第7讲(DA)课件

1、7.8 D/A转换器转换器 v在自动控制系统中，被控对象不全是开关量，在自动控制系统中，被控对象不全是开关量，有时是连续调节的模拟量，这就要求控制器有时是连续调节的模拟量，这就要求控制器的输出也必须为模拟量。比如，要调节的对的输出也必须为模拟量。比如，要调节的对象可能是压力、流量、温度等，要调节压力象可能是压力、流量、温度等，要调节压力可以通过调节阀门的开度进行；调节温度，可以通过调节阀门的开度进行；调节温度，可以控制加热系统的电能大小进行调节。但可以控制加热系统的电能大小进行调节。但是在单片机控制系统中，是在单片机控制系统中，CPUCPU仅能识别数字量，仅能识别数字量，因此常需采用因此常需采

2、用D/AD/A转换器将数字量转为模拟量转换器将数字量转为模拟量来对系统进行控制和调整。来对系统进行控制和调整。v 以以D/AD/A转换器与单片机的接口形式分类，可分转换器与单片机的接口形式分类，可分为并行接口和串行接口两大类；根据其输出形式分为并行接口和串行接口两大类；根据其输出形式分类，又可分为电流输出型和电压输出型两种；根据类，又可分为电流输出型和电压输出型两种；根据转换原理的不同又可分为权电阻、转换原理的不同又可分为权电阻、T T型电阻、倒型电阻、倒T T型型电阻、电容型和权电流型等等。电阻、电容型和权电流型等等。D/AD/A转换器的位数转换器的位数越高，则转换精度越高，若以转换精度来分

3、，则可越高，则转换精度越高，若以转换精度来分，则可分为基本分为基本8 8位，和具有较高精度的位，和具有较高精度的1010、1212位。各种位。各种DACDAC的电路结构一般都是由基准电源、解码网络、的电路结构一般都是由基准电源、解码网络、运算放大器和缓冲寄存部件组成。不同运算放大器和缓冲寄存部件组成。不同DACDAC的差异的差异主要表现在采用的解码网络不同。其中主要表现在采用的解码网络不同。其中T T型电阻、型电阻、倒倒T T型电阻解码网络的型电阻解码网络的DACDAC具有简单、转换速度快、具有简单、转换速度快、误差小等优点而被广泛应用。误差小等优点而被广泛应用。7.8.1 D/A转换器性能指

4、标转换器性能指标 v D/A D/A转换器的输入为数字量，经转换后输转换器的输入为数字量，经转换后输出为模拟量。有关出为模拟量。有关D/AD/A转换器的技术性能指标转换器的技术性能指标很多，例如绝对精度、相对精度、线性度、很多，例如绝对精度、相对精度、线性度、输出电压范围、温度系数、输入数字代码种输出电压范围、温度系数、输入数字代码种类（二进制或类（二进制或BCDBCD码）等等。对上述技术性能码）等等。对上述技术性能指标，这里不作全面详细介绍，仅对与接口指标，这里不作全面详细介绍，仅对与接口有关的关键性能指标作以介绍。有关的关键性能指标作以介绍。v1 1、分辨率：、分辨率： 分辨率是分辨率是D

5、/AD/A转换器对输入量变化敏感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果数字量的位数为n n，则，则D/AD/A转换器的分辨率转换器的分辨率为为2 2n n。这就意味着。这就意味着D/AD/A转换器能对满刻度的转换器能对满刻度的2 2n n输入量作出反应。例如，输入量作出反应。例如，8 8位数的分辨率为位数的分辨率为1/2561/256，1010位数的分辨率为位数的分辨率为1/1 0241/1 024，。因此，数字量的位数越多，分辨率就越高因此，数字量的位数越多，分辨率就越高（数值越小），亦即转换器对输入量变化的（数值

6、越小），亦即转换器对输入量变化的敏感程度也就越高。使用时，应根据分辨率敏感程度也就越高。使用时，应根据分辨率的需要来选定转换器的位数。的需要来选定转换器的位数。 v对于线性对于线性D/AD/A转换器来说，如果其输入数字量的位转换器来说，如果其输入数字量的位数为数为n n，则其分辨率，则其分辨率可表示为：可表示为：v这意味着这意味着D/AD/A转换器能对大小为满刻度的转换器能对大小为满刻度的2 2-n-n的输入的输入量做出反应。其值与输入数字量的位数和参考电压量做出反应。其值与输入数字量的位数和参考电压有关，当参考电压为有关，当参考电压为VrefVref时，具有时，具有n n位数字量输入位数字量

7、输入的的DACDAC，其分辨率为，其分辨率为Vref/2Vref/2n n。n2模拟量输出的满量程值v2、建立时间：、建立时间：v 建立时间是描述建立时间是描述D/AD/A转换速度快慢的一个参数，指从输转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出达到终值误差入数字量变化到输出达到终值误差1 12LSB2LSB（最低有效位）（最低有效位）时所需的时间，通常以建立时间来表明转换速度。转换器输时所需的时间，通常以建立时间来表明转换速度。转换器输出形式为电流时，建立时间较短，而输出形式为电压时，由出形式为电流时，建立时间较短，而输出形式为电压时，由于建立时间还要加上运算放大器的延迟时间，因此建立时

8、间于建立时间还要加上运算放大器的延迟时间，因此建立时间要长一点。但总的来说，要长一点。但总的来说，D/AD/A转换速度远高于转换速度远高于A/DA/D转换。根据转换。根据建立时间的长短，可以将建立时间的长短，可以将DACDAC分成超高速（分成超高速（1s1s）、高速）、高速（10101s1s）、中速（）、中速（100 100 10s10s）和低速（）和低速（100s100s）等几档。等几档。 v3、接口形式：、接口形式：v D/AD/A转换器与单片机的接口方便与否，主要决转换器与单片机的接口方便与否，主要决定于转换器本身是否带数据锁存器。通常有两类定于转换器本身是否带数据锁存器。通常有两类D/

9、AD/A转换器：一类不带锁存器；另一类则带锁存器。转换器：一类不带锁存器；另一类则带锁存器。对于不带锁存器的对于不带锁存器的D/AD/A转换器，为了保存来自单片转换器，为了保存来自单片机的转换数据，需在接口处另加锁存器，因此这类机的转换数据，需在接口处另加锁存器，因此这类转换器必须接在口线上而不能直接接在数据总线上；转换器必须接在口线上而不能直接接在数据总线上；而带锁存器的而带锁存器的D/AD/A转换器，可以把它看作是一个输转换器，可以把它看作是一个输出口，因此可直接接在数据总线上，而不需另加锁出口，因此可直接接在数据总线上，而不需另加锁存器。存器。 7.8.2 典型典型D/A转换器芯片转换器

10、芯片-DAC0832介绍介绍 vDAC0832DAC0832是一种典型的是一种典型的8 8位位D/AD/A转换器，采用单电源供电，电转换器，采用单电源供电，电源电压在源电压在+5+5+15V+15V范围内均可正常工作。基准电压的范围为范围内均可正常工作。基准电压的范围为10V10V。电流输出，其电流建立时间约为。电流输出，其电流建立时间约为1s1s，当需要转换，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。为电压输出时，可外接运算放大器。CMOSCMOS工艺低功耗设计，工艺低功耗设计，功耗约为功耗约为20mW20mW。vDAC0832DAC0832由一个由一个8 8位输入锁存器、一个位输入锁存器、

11、一个8 8位位DACDAC锁存器和一个锁存器和一个8 8位位D/AD/A转换器及逻辑控制电路组成。其管脚图和内部结构框转换器及逻辑控制电路组成。其管脚图和内部结构框图如图图如图7.527.52所示。所示。 vDAC0832 DAC0832 内部由三部分电路组成。内部由三部分电路组成。v“8 8 位输入锁存器位输入锁存器”: :用于存放用于存放 CPU CPU 送来的数字量，使输入送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由数字量得到缓冲和锁存，由 LE1 LE1 加以控制。加以控制。v“8 8 位位DACDAC寄存器寄存器”: :用于存放待转换数字量，由用于存放待转换数字量，由 LE2 LE2

12、 控制。控制。v“8 8 位位 D/A D/A 转换电路转换电路”: :由由 8 8位位 T T形电阻网络和电子开关组形电阻网络和电子开关组成，电子开关受成，电子开关受“8 8 位位 DAC DAC 寄存器寄存器”控制输出，控制输出，T T 形电阻形电阻网络能输出和数字量成正比的模拟电流。因此，网络能输出和数字量成正比的模拟电流。因此，DAC0832 DAC0832 通通常需要外接运算放大器才能得到模拟输出电压。常需要外接运算放大器才能得到模拟输出电压。 引脚功能引脚功能vDI0DI0DI7DI7：数字量输入线。它和数字量输入线。它和CPUCPU的数据总线相连，用于的数据总线相连，用于接收接收

13、CPUCPU送来的待转换数字量，送来的待转换数字量，DI7DI7为最高位。为最高位。vILEILE：数据锁存允许信号，当数据锁存允许信号，当ILEILE为高电平有效允许待转换的为高电平有效允许待转换的数字量输入。数字量输入。v ：片选信号。输入寄存器选择信号，低电平有效。：片选信号。输入寄存器选择信号，低电平有效。v ：输入寄存器的写选通信号，低电平有效。用于控制：输入寄存器的写选通信号，低电平有效。用于控制数字量输入到输入寄存器，由控制逻辑可以看出，片内输入数字量输入到输入寄存器，由控制逻辑可以看出，片内输入寄存器的锁存信号寄存器的锁存信号 = ILE= ILE，当，当 =0=0， =0=0

14、，ILE=1ILE=1时，时， =1=1，则输入寄存器处于接收信号状态，其状态，则输入寄存器处于接收信号状态，其状态随数据输入线的状态变化；而当而上述三个信号有一个不满随数据输入线的状态变化；而当而上述三个信号有一个不满足时，足时， =0=0，则输入寄存器锁存，则输入寄存器锁存D0D0D7D7上输入的数据。上输入的数据。 1WRCS1LECS1WRCS1WR1LE1LE引脚功能引脚功能v ：DACDAC寄存器的写选通信号。用于控制寄存器的写选通信号。用于控制DACDAC转换器的转换转换器的转换时间，由控制逻辑可知，时间，由控制逻辑可知，DACDAC寄存器的锁存信号寄存器的锁存信号 = = 。当

15、。当 = =0= =0时，时， =1=1，DACDAC寄存器的输出寄存器的输出随输入状态变化，而随输入状态变化，而 =0=0时，则锁存输入状态。时，则锁存输入状态。 ， 的脉冲宽度要求不小于的脉冲宽度要求不小于500ns 500ns ，即使工作电源，即使工作电源VCC VCC 升高至升高至1515伏，其脉冲宽度也要求不小于伏，其脉冲宽度也要求不小于100ns100ns。v ：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。vVREFVREF：基准电压输入线，可在土基准电压输入线，可在土 10V10V范围内调节。范围内调节。 2WR2LE2WRXFER2WRXFER2LE2LE1W

16、R2WRXFER引脚功能引脚功能vRFBRFB：运算放大器反馈信号输入线，连接到运算放大器输出运算放大器反馈信号输入线，连接到运算放大器输出端。端。vIout1Iout1和和Iout2Iout2：模拟电流输出线，模拟电流输出线，Iout1Iout1与与Iout2Iout2的和为常数，的和为常数，若输入数字量为全若输入数字量为全“1”1”，则，则Iout1Iout1最大，最大，Iout2Iout2最小；若输最小；若输入数字量为全入数字量为全“0”0”，则，则Iout1Iout1最小，最小，Iout2Iout2最大。最大。Iout1Iout1随随DACDAC寄存器的内容线性变化，在单极性输出时，寄

17、存器的内容线性变化，在单极性输出时，Iout2Iout2通常接通常接地，在双极性输出时接运放输入端。地，在双极性输出时接运放输入端。vVCCVCC：工作电源线，一般为工作电源线，一般为+5V+5V+15V+15V范围内。范围内。vDGNDDGND：数字量地线。数字量地线。vAGNDAGND：模拟信号地。通常，模拟信号地。通常，AGNDAGND和和DGNDDGND接在一起。接在一起。7.8.3 MCS-51单片机与单片机与DAC0832接口接口v1DAC0832工作方式工作方式vDAC0832DAC0832可以通过三种方式与单片机相连，即直通方式、单可以通过三种方式与单片机相连，即直通方式、单缓

18、冲方式和双缓冲方式。缓冲方式和双缓冲方式。v（1 1）直通方式）直通方式v当当DAC0832DAC0832的片选信号的片选信号 、写信号、写信号 、及传送控制信号、及传送控制信号 的引脚全部接地，允许输入锁存信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号ILEILE引脚接引脚接+5V+5V时，时，DAC0832DAC0832工作于直通方式，数字量一旦输入，就直接进入工作于直通方式，数字量一旦输入，就直接进入DACDAC寄存器，进行寄存器，进行D/AD/A转换。但由于直通方式不能直接与系统的转换。但由于直通方式不能直接与系统的数据总线相连，需另加锁存器，故较少应用。数据总线相连，需另加锁存器，故较少应用。

19、 CSWR1XFERv2. 单缓冲方式单缓冲方式v单缓冲方式是指内部的一个寄存器工作于直通状态，单缓冲方式是指内部的一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控状态，当然也可以使两个寄存器另一个工作于受控状态，当然也可以使两个寄存器同时选通及锁存。因此，单缓冲方式有三种不同的同时选通及锁存。因此，单缓冲方式有三种不同的连接方法。如图连接方法。如图7.557.55所示。所示。v在不要求多相在不要求多相D/AD/A同时输出时，可以采用单缓冲方同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高D/AD/A的数据吞吐量。的数据吞吐量。vD

20、AC寄存器直通，输入寄存器受控（b）为）为DAC寄存器受控，输入直通；（寄存器受控，输入直通；（c）为输入和）为输入和DAC寄存寄存器同时受同一个信号控制，只写一次就启动转换。器同时受同一个信号控制，只写一次就启动转换。【例】【例】 用用D/AD/A转换方式，生成锯齿波电压信号。转换方式，生成锯齿波电压信号。齿波发生器的程序：齿波发生器的程序： ORG 00000H SJMP START ORG 0050HSTART: MOV DPTR,#7FFFH；设置；设置D/A地址，图中地址，图中P2.7 = 0 MOV A,#00H；锯齿波起始电压；锯齿波起始电压GO_ON: MOVX DPTR,A；

21、数字量送；数字量送D/A INC A；锯齿波电压递增；锯齿波电压递增 1 SJMP GO_ON ；继续送；继续送D/A END 三角波程序三角波程序v v ORG 2200H v MOV A,00H ;取下限值取下限值 v MOV DPTR,7FFFH ;指向指向DAC0832 口地址口地址 vSS1: MOVX DPTR,A ;输出输出 v NOP ;延时延时 vSS2: INC A ;转换值增量转换值增量 v JNZ SS1 ;未到峰值未到峰值,则继续则继续 vSS3: DEC A ;已到峰值已到峰值,则取后沿则取后沿 v MOVX DPTR,A ;输出输出 v NOP ;延时延时 v J

22、NZ SS3 ;未到谷值未到谷值,则继续则继续 v SJMP SS2 ;已到谷值已到谷值,则反复则反复 v v(1) (1) 本程序所产生的三角波谷值为零，峰值为本程序所产生的三角波谷值为零，峰值为5V(5V(或或5V)5V)。若改变下限值和上限值，那么三角波。若改变下限值和上限值，那么三角波的谷值和峰值也随之改变。的谷值和峰值也随之改变。 v(2) (2) 改变延时时间可改变三角波的斜率。改变延时时间可改变三角波的斜率。 v(3) (3) 若在谷值和峰值处延时较长时间，则输出梯若在谷值和峰值处延时较长时间，则输出梯形波，延时时间的长短取决于梯形波上下边的宽度。形波，延时时间的长短取决于梯形波

23、上下边的宽度。 v（3）双缓冲方式）双缓冲方式v所谓双缓冲方式，就是把所谓双缓冲方式，就是把DAC0832DAC0832的两个锁存器都接成受控的两个锁存器都接成受控锁存方式。由于芯片中有两个数据寄存器，这样就可以将锁存方式。由于芯片中有两个数据寄存器，这样就可以将8 8位输入数据先保存在位输入数据先保存在“输入寄存器输入寄存器”中，当需要中，当需要D/AD/A转换时，转换时，再将此数据从输入寄存器送至再将此数据从输入寄存器送至“DACDAC寄存器寄存器”中锁存并进行中锁存并进行D/AD/A转换输出。采用这种方式，可以克服在输入数据更新期转换输出。采用这种方式，可以克服在输入数据更新期间输出模拟

24、量随之出现的不稳定。这时，可以在上一次模拟间输出模拟量随之出现的不稳定。这时，可以在上一次模拟量输出的同时，将下一次要转换的数据事先存入量输出的同时，将下一次要转换的数据事先存入“输入寄存输入寄存器器”中，一方面克服了不稳定现象，另一方面出提高了数据中，一方面克服了不稳定现象，另一方面出提高了数据的转换速度；用这种方式还可以同时更新多个的转换速度；用这种方式还可以同时更新多个D/AD/A转换器的转换器的输出；此外，采用两级缓冲方式也可以使位数较多的输出；此外，采用两级缓冲方式也可以使位数较多的DACDAC器器件用于数据位数较少的系统中。件用于数据位数较少的系统中。 v图采用线选法、利用两位地址

25、码、进行两次输出操作完成数图采用线选法、利用两位地址码、进行两次输出操作完成数据的传送及转换的双缓冲方式。据的传送及转换的双缓冲方式。 v第一次当第一次当P2.0=0P2.0=0时，完成将时，完成将D7D0D7D0数据线上的数据锁存入输数据线上的数据锁存入输入寄存器中；第二次当入寄存器中；第二次当P2.1=0P2.1=0时，完成将输入寄存器中的内时，完成将输入寄存器中的内容锁存到容锁存到DACDAC寄存器中。寄存器中。v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。假设输入两条传送指令，才能完

26、成一个数字量的模拟转换。假设输入寄存器地址为寄存器地址为0FEFFH0FEFFH，DACDAC寄存器地址为寄存器地址为0FDFFH0FDFFH，则完成一，则完成一次次D/AD/A转换的程序段可如下编制：转换的程序段可如下编制： vMOVMOV A A，#DATA#DATA；转换数据送入；转换数据送入A AvMOVMOV DPTR DPTR，#0FEFFH#0FEFFH；指向输入寄存器；指向输入寄存器vMOVXMOVXDPTRDPTR，A A；转换数据送输入寄存器；转换数据送输入寄存器vMOVMOV DPTR DPTR，#0FDFFH#0FDFFH；指向；指向DACDAC寄存器寄存器vMOVXM

27、OVXDPTRDPTR，A A ；数据进行；数据进行DACDAC寄存器并进行寄存器并进行D/AD/A转换转换v在多路在多路D/AD/A转换需要同步的时候，双缓冲方式是非常有用的，转换需要同步的时候，双缓冲方式是非常有用的，比如数字式示波器，要求比如数字式示波器，要求X X轴的扫描电压与轴的扫描电压与Y Y轴的电压必须同轴的电压必须同步输出，否则造成光点偏离实际的位置（尽管有时肉眼没法步输出，否则造成光点偏离实际的位置（尽管有时肉眼没法区分）。双缓冲的基本思想是：数据可以分次（不同步）传区分）。双缓冲的基本思想是：数据可以分次（不同步）传送到各个送到各个D/AD/A转换器，由各个转换器，由各个D

28、/AD/A内部的输入寄存器将数据暂内部的输入寄存器将数据暂存下来，然后用同一条指令同时打开各个存下来，然后用同一条指令同时打开各个D/AD/A内部的第二级内部的第二级锁存器（即锁存器（即DACDAC锁存器），最后由各自内部的锁存器），最后由各自内部的D/AD/A转换器输出转换器输出对应的模拟量，实现最终输出的同步。典型应用如图所示，对应的模拟量，实现最终输出的同步。典型应用如图所示，下面给出其应用程序。下面给出其应用程序。v图形显示器图形显示器X轴的数据在轴的数据在40H单元，单元，Y轴的数据在轴的数据在41H单元，要求单元，要求X轴、轴、Y轴的轴的D/A同步输出。同步输出。vOUT: MOV

29、 DPTR,#0DFFFH；图中接；图中接0832（1）的）的P2.5=0vMOV A,40H；取；取X轴数据轴数据vMOVX DPTR,A；X轴数据送入轴数据送入0832（1）并锁存）并锁存vMOV DPTR,#0BFFFH；图中接；图中接0832（2）的）的P2.6=0vMOV A,41H；取；取Y轴数据轴数据vMOVX DPTR,A；Y轴数据送入轴数据送入0832（2）并锁存）并锁存vMOV DPTR,#7FFFH；同时指向；同时指向0832（1）、（）、（2）的）的 ；DAC寄存器寄存器vMOVX DPTR,A；同时启动转换，；同时启动转换，X、Y轴同步轴同步 ；转换并输出；转换并输出习题习题v1. D/A1. D/A转换器与转换器与 A/DA/D转换器的功能是什么？各在什么场合下使用？转换器的功能是什么？各在什么场合下使用？ v2.