单片机应用技术课件：AD和 DA转换器的应用

任务１温度测量与报警任务２数控电压源知识点◎传感器在单片机测控系统中的作用；◎A/D转换的基本知识；◎ADC0809芯片的主要特性、引脚功能及基本应用；◎LM35的主要特性。技能点◎能应用单片机通过传感器测量模拟量；◎能正确应用单片机编程控制A/D转换器完成模数转换。任务１温度测量与报警在机电控制系统中，经常把声音、温度、湿度、压力、位移、气压等各种物理量作为控制系统的输入信号，根据这些物理量的变化值，通过单片机系统去实现某些功能控制。由于电气控制系统能够处理的信号均为电信号，所以要实现各种物理量的输入，就需要使用传感器将其他物理量转换为电量。传感器输出的信号是模拟信号。任务提出单片机的输入信号和输出信号都是数字信号（数字量），因而还需要一种特殊的电路，将来自外部传感器的模拟量转换为单片机能够识别的数字信号。在单片机外部接口电路中，常采用模数（A/D）转换器来完成将模拟量转换为数字量。本任务是利用模数（A/D）转换器将温度传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号，并显示输出。该系统的主要指标为：1.

温度测量范围：0~100℃；2.

温度测量精度：<±0.5℃；3.

超限报警：>120℃。本任务需要使用传感器将温度转换为电学量。温度传感器的种类有很多，如铂电阻、热电偶、热敏电阻以及各类半导体测温器件，这里选用精密温度传感器LM35作为系统的测温器件。LM35内部集成了半导体测温传感器和信号处理电路，可将温度转为模拟信号，其输出信号为模拟电压信号。单片机不能直接将LM35输出的模拟电压作为输入信号，需要一个A/D转换器将模拟电压信号转换为数字信号，然后传输给单片机。任务分析本任务以单片机为控制核心，输入A/D转换器输出的数字信号，将其转换为温度后在数码管上显示出来，判断是否超限报警。因此，需要在单片机最小系统的基础上增加A/D转换电路、显示器件及其驱动电路、报警电路，故整个系统的框图如图所示。温度测量硬件系统框图一、输入通道概述在机电控制系统中，单片机往往需要对控制对象的过程参数进行监测。被监测的过程参数通常是一种非电量，如温度、压力、载荷、位移等，这些物理量不能被单片机直接读取。相关知识传感器是敏感于待测非电量并可将它转换成与之对应的电信号的元器件或装置。从传感器输出的电信号类型有电压和电流类型，信号的幅度不一，往往需要对这些信号进行放大、滤波等处理，以便于单片机或模数转换电路的接收。按输出信号的性质可将传感器分为模拟传感器和数字传感器两大类。由于被测物理量是连续变化的，如声音、压力等，传感器往往输出为模拟电信号。模拟信号需要进行模数转换后，才能送入单片机处理。数字量输出的传感器信号，经放大整形后可直接通过单片机引脚送入单片机。在同一个测控系统中，被检测的参数有可能不止一个，考虑到单片机的工作速度快，物理量变化速度相对比较慢，可以使用一个A/D转换来轮流处理各个被测量，如图所示。输入通道二、A/D转换器简介能将模拟量转换成数字量的电路，称为A/D转换器。完成这种转换的具体电路有多种，特别是单片大规模集成A/D转换器的问世，为实现模数转换提供了极大的方便，使用者只要借助手册提供的器件性能指标及典型应用电路，即可正确使用这些器件。1.直接A/D转换器直接A/D转换器通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接转换成数字量。其特点是工作速度快，转换精度容易保证，使用也比较方便。2.间接A/D转换器间接A/D转换器是将取样后的模拟信号先转换成时间t（即电压时间变换型，简称VT变换型）或频率f（电压频率变换型，简称VF变换型），然后再将t或f转换成数字量。3.A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率和量化误差。分辨率是指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力，是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。（2）转换速度。转换速度是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数，也可表述为转换时间，即完成一次A/D转换所需时间，两者互为倒数。（3）转换精度。A/D转换器的精度通常有两种表示形式：绝对精度和相对精度。三、ADC0809简介ADC0809是美国国家半导体（公司生产的单片CMOS8路8位逐次逼近式A/D转换器，包括8位的A/D转换器、8通道多路转换器、三态输出锁存缓冲器和与微处理器兼容的控制逻辑。8通道多路转换器能直接连通8个单极性模拟信号中的任何一个。ADC0809片内带有锁存功能的8位模拟多路开关，可对8路0~+5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T形网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。输出具有TTL三态输出锁存缓冲器，可直接连接到单片机数据总线上。1.ADC0809的主要特性（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。线性误差为±1LSB。（2）单一+5V电源供电，模拟输入电压范围为0~+5V，不需零点和满刻度校准。（3）转换速度取决于芯片时钟频率。时钟频率范围为10~1280kHz。当时钟频率为640kHz时，转换时间为100μs；当时钟频率为500kHz时，转换时间为130μs。ADC0809转换器逻辑框图及引脚排列a）逻辑框图

b）引脚排列2.ADC0809芯片引脚功能3.ADC0809工作时序ADC0809工作时序如图所示。在ALE出现脉冲后，ADC0809将地址输入端ADDC、ADDB、ADDA三个地址送入内部锁存器，并选择输入的模拟通道；在启动端（START）加启动脉冲（正脉冲），A/D开始转换，EOC控制输出为低电平，当转换完毕后，EOC端重新回到高电平；当在OE端加上高电平时，在数据输出端D7～D0输出A/D转换的结果。ADC0809时序图4.采用总线方式控制ADC0809的电路在图所示电路中，JK触发器构成一个二分频器，使ALE的输出频率降低为1MHz后给ADC0809提供时钟信号。ADC0809与AT89S51的总线连接方式四、LM35简介LM35是NS公司生产的集成电路温度传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件的输出电压与摄氏温度成线性比例关系。LM35无须外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用室温精度。主要特性为：工作电压：直流4～30V；输出电压：-1.0～+6V；输出阻抗：1mA负载是0.1Ω；精度：0.5℃精度（在+25℃时）；比例因数：线性+10.0mV/℃；非线性值：±1/4℃；使用温度范围：-55～+150℃额定范围。一、硬件设计根据任务分析，本任务通过LM35采集温度信号，LM35输出的模拟电压信号经由A/D转换后送显示模块。任务中要求0~100℃实现小于0.5℃的识别，也就是要求A/D的分辨率小于0.5%。为实现将模拟电压信号转换为单片机可以直接读入的数字信号，选择8位模数转换集成电路ADC0809作为系统的A/D转换器件。任务实施在0~120℃（报警温度上限）范围内，LM35输出的模拟电压的范围为0~1.2V。为满足转换范围和转换精度，选择NS公司的串联精密基准电压源集成电路LM385作为ADC0809的基准电压提供器件。LM385的输出电压是可调的，本任务中使用其最小基准电压1.24V。因ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。为了更直观地理解ADC0809的工作时序，本任务中采用普通I/O端口控制的方式进行连接，没有采用扩展总线的方式。温度的显示采用LED数码管作为显示器件。报警指示采用LED作为指示器件，在实际系统中可以使用其他声光报警电路，只要能够采用高低电平控制即可。通过电路及元器件选择，整个温度显示与报警系统的硬件系统原理如图所示，其中单片机最小系统电路及7407、ADC0809的电源等在图中没有画出来。温度显示与报警硬件系统原理图二、软件设计图所示电路要求单片机把显示输出和ADC0809的操作分时进行。由于温度信号变化缓慢，可以让数码管显示一段时间后再读入ADC0809的数据。系统的流程图如图a所示。温度显示与报警软件流程图a）主程序

b）ADC0809数据读入程序根据ADC0809的时序，可以确定ADC0809的操作步骤如下：（1）初始化时，使START和OE信号全为低电平。（2）送要转换的通道地址到ADDA、ADDB、ADDC端口上，在ALE上加上锁存脉冲。（3）在START端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。（4）等待ADC0809转换完毕。（5）使OE为高电平，ADC0809的数据端将输出转换后的有效数据，单片机可以从端口中读入数据。三、Proteus仿真1.打开ProteusISIS软件，按照硬件原理图绘制Proteus仿真电路，仔细检查，保证线路连接无误。2.在Keil软件开发环境下，创建项目，编辑源程序，编译生成HEX文件，并装载到Proteus虚拟仿真硬件电路AT89C51芯片中。3.运行ProteusISIS软件，仔细观察运行结果，如果有不完全符合设计要求的情况，调整源程序并重复步1、2，直至完全符合本项目提出的各项设计要求为止。温度显示与报警系统仿真效果图温度显示与报警系统仿真效果图任务2

数控电压源知识点◎D/A转换的基本知识；◎DAC0832芯片的引脚功能及基本应用。技能点◎能实现单片机与DAC0832的硬件连接；◎能编程控制DAC0832输出需要的模拟电压信号。在机电控制系统中，被采样的物理量经单片机运算处理后输出控制量，这些控制量再通过各种输出设备转换为机电控制系统所需要的非电量，如热量、压力、声音、位移等。单片机输出的是数字信号，若控制设备需要模拟信号输入，则必须使用D/A器件将数字信号转换为模拟信号后再送控制设备。任务提出本任务以按键控制单片机系统输出模拟电压为例，说明单片机输出模拟信号的控制电路和控制程序的设计方法。本系统的具体功能要求为：1.输出电压范围：0~9.9V，步进0.1V，即每按下一次按键，电压值变化0.1V；2.输出电压值由数码管显示；3.由“加”“减”两个按键分别控制输出电压步进增减。根据任务目标，需要输出0~9.9V的直流电压，步进为0.1V。如果每个电压值对应一个数据，也就是要求输出100个数据，表示100个数据最少需要7位二进制数，因此，在本任务中选择8位数模转换器件DAC0832来实现数模转换。任务分析要实现按键输入和数据显示，系统硬件以单片机最小系统为控制核心，增加按键接口和显示器件的驱动接口，同时将单片机的数据连接到DAC0832的数据接口，即可形成数控电压源的基本硬件电路。整个系统的框图如图所示。数控电压源硬件系统框图一、输出通道概述在机电控制系统中，被采样的过程参数需要经单片机运算处理后输出控制量，从而驱动执行机构工作，如用输出量控制调节阀门的开度、电动机的启停、信号指示灯的亮灭、继电器的通断、步进电动机的运行等。相关知识由模拟信号驱动的执行机构，如调节阀等，需先将经单片机运算处理后的数字量转换为执行机构能接收的模拟电压或模拟电流，以达到利用单片机实现控制的目的。由开关量控制的执行机构，如低压电磁阀等，一般在单片机和执行机构之间需增加隔离电路和OC门或三极管、电磁继电器、晶闸管、固态继电器等驱动输出。二、D/A的基本概念能将数字量转换成模拟量的电路，称为数/模转换器或D/A转换器。完成D/A转换的具体电路有多种。目前市场上供应的D/A变换器芯片种类颇多，按数字位数分为8位、10位、12位等，按转换速度有低速、高速之分，按照数据的传送方式有串行和并行之分。在线性DAC中，输出的模拟电压的公式为：三、D/A的主要性能指标1.分辨率指D/A能分辨的最小输出模拟增量，取决于输入数字量的二进制位数。2.建立时间从数字信号输入DAC起，到输出电流（或电压）达到稳态值所需的时间为建立时间。建立时间的长短决定了模/数转换速度，是DAC最重要的指标之一。3.转换精度指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。4.偏移量误差偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。5.线性度线性度是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。四、DAC0832的简介DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位数模转换器。DAC0832逻辑框图和引脚排列DAC0832的引脚功能DAC0832转换器应用电路一、硬件设计本任务要输出0~9.9V的模拟电压，可以采用DAC0832来实现数模转换。DAC0832是典型的R-2R网络的DAC器件，按DAC0832的典型应用电路，其输出电压与基准电压的极性相反，且输出的幅度略小于基准电压。在本任务中选择DAC0832的基准电压为-10V，用并联可调基准