单片机应用技术20131资料

1、03:26,1,第七章 模拟量输入输出通道,A/D和D/A在控制系统中的地位 一、D/A转换器及接口技术 二、A/D转换器及接口技术,03:26,2,D/A转换器可直接将来自单片机的二进制数字量转换成模拟量，推动执行机构动作，以控制被控实体的工作过程。因此， D/A转换器是单片机在模拟环境中应用的数据转换接口。 D/A转换的基本原理 D/A转换器的性能指标 MCS-51和D/A接口,一、D/A转换器及接口技术,03:26,3,一、D/A转换器及接口技术,D/A转换的基本原理 “按权展开，然后相加” 把输入数字量中的每位都按其权值分别转换成模拟量，并通过运算放大器求和相加。 D/A转换器内部须有

2、一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。 解码网络 加权电阻网络 每位二进制数的D/A转换通过相应 加权电阻实现。 T型电阻网络并行输入数字量，每位代码同时 被转换成模拟量。,03:26,4,加权电阻网络 每位二进制数的D/A转换通过相应 加权电阻实现。 原理：通过相应加权电阻网络，按位分别实现D/A转换。 缺点：加权电阻大小差别很大，精确制造这么大的电阻困难极大。 例如：设某12位D/A转换器最高位电阻为10K，则最低位电阻为21110K=20M。 因此，二进制加权电阻网络工程上不被用来制造D/A转换器,1、D/A转换的基本原理,03:26,5,T型电阻网络 并行输入数字量，每位代码同

3、时 被转换成模拟量。 工作原理 输入数字量：b3b2b1b0 B 输出电压：Vout 若Vout B，则该电路可认为是D/A转换器,1、D/A转换的基本原理,03:26,6,证明：Vout B 若b3b2b1b0=1111B，根据克希荷夫定律（A点为虚拟地）有 因S3S2S1S0受b3b2b1b0控制，故得通式： 选取Rf=R和考虑A点虚拟地，且Irf = Iout1，可得 对n位T型电阻网络，上式变为,03:26,7,分辨率 定义：能分辨的最小输出电压增量，常为满量程的2-n。 例如：10V满量程的8位DAC芯片，分辨率=10*2-8=39mv 10V满量程的16位DAC芯片，分辨率=10*

4、2-16=153v 转换精度 定义：实际输出值和理论值的接近程度。 通常DAC的转换精度为分辨率的一半，即为LSB/2。 偏移量误差 输入数字量为0时，输出模拟量对0的偏移值。可通过VREF和电位计来调整 线性度 DAC的实际转换特性曲线和理想转换特性曲线之间的最大偏差。通常不超过(1/2)LSB。,2、D/A转换器的性能指标,03:26,8,建立时间（转换速度） DAC中的输入代码有满度值的变化时，其输出模拟信号电压（或电流）达到满度值(1/2)LSB时所需的时间。 温度灵敏度（温度系数） 在满刻度输出的条件下，温度每升高1度，输出变化的百分比。 电源抑制比 满量程电压变化的百分数与电源电压

5、变化的百分数之比。 工作温度范围 较好的在-4085，较差的在070之间。,2、D/A转换器的性能指标,03:26,9,DAC0832 由NSC（美国国民半导体公司）研制，是DAC0831的姐妹产品 DAC0832内部结构 8位输入寄存器：存放CPU送来的数字量（/LE1高电平时输出=输入，低电平锁存） 8位DAC寄存器：存放待转换数字量（/LE2高电平时输出=输入，低电平锁存） 8位D/A转换电路：8位电子开关和T型电阻网络,3、MCS-51和D/A接口,03:26,10,3、MCS-51和D/A接口,DAC0832引脚功能（20条） DI7-DI0（8条）：来自CPU的输入数字量 电源线（

6、4条）：Vcc（+5V +15V）；VREF（-10V +10V）； DGND（数字地）；AGND（模拟地） 控制线（5条）：/CS（片选线）；ILE（输入允许线）； /WR1、/WR2（写命令线）；/XFER（传输控制线） 输出线（3条）：Rfb（运放反馈线，和运放的Vout相连接）； Iout1（数字量全1时为最大值, 数字量全0时为最小值） Iout2 Iout1 + Iout2 = 常数,03:26,11,DAC的应用 按数字量位数，D/A转换器通常可分为8位、10位、12位等三种，在单片机应用系统中应用广泛，主要有3种： （1）DAC用作单极性电压输出 （2）DAC用作双极性电压输出

7、 （3）DAC用作控制放大器,3、MCS-51和D/A接口,03:26,12,3、MCS-51和D/A接口,DAC用作单极性电压输出 根据前述关系： 有 式中，B = b7*27+b6*26+ +b1*21+b0*20 VREF/256 常数 显然，当B = 全0时，则Vout = 0 当B = 全1时，则Vout =最大值 即有：Vout = 0 最大值,03:26,13,DAC用作双极性电压输出 由克希荷夫定律（G点虚拟地）有 解上述方程组得 上述关系可列成表格,3、MCS-51和D/A接口,03:26,14,3、MCS-51和D/A接口,DAC用作控制放大器 图中G点为虚拟地，故有如下方

8、程成立 解上述方程组得 选 R=Rfb 后得到 式中，,03:26,15,MCS-51对8位DAC接口 以8位DAC为例，讨论MCS-51对DAC的接口电路原理和接口程序设计。 （1）直通方式 （2）单缓冲方式 （3）双缓冲方式,3、MCS-51和D/A接口,03:26,16,直通方式 DI7DI0可直通地到达8位DAC寄存器，进行D/A转换。常用于不带微控制器的控制系统中。 注意：该方式的特点是/WR1、 /WR2、 /CS和/XFER都接地。 当/CS=0、/WR1=0、ILE=1时， DAC内部的8位输入寄存器和DI7-DI0直通。 当/WR2=0、/XFER=0时， DAC内部的8位输

9、入寄存器和8位DAC寄存器直通。 因此，DI7-DI0上数字量可直接输入，并被转换为相应模拟电压,3、MCS-51和D/A接口,03:26,17,单缓冲方式 单片机应用系统中，DAC用作单缓冲电压输出的电路图 图中，DAC0832的选口地址为FEH 通过编程可分别实现如下输出波形： 1）锯齿波 2）三角波 3）方波,3、MCS-51和D/A接口,03:26,18,1）锯齿波 2）三角波,循环256次，Vout从0到负最大后又回到0,3、MCS-51和D/A接口,03:26,19,3、MCS-51和D/A接口,3）方波,03:26,20,双缓冲方式 例题：请编出能把内部RAM以DA1和DA2为始

10、址的数据块中数据以图表形式在示波器屏幕上显示的程序。,3、MCS-51和D/A接口,03:26,21,3、MCS-51和D/A接口,求解： DA1为始址的数据块（块长为30） 1# DAC0832 DA2为始址的数据块（块长为30） 2# DAC0832 指针分配：R0 FDH（0#区），FEH（ 1#区） R1 DA1始址（0#区）， DA2始址（ 1#区） R2 块长（0#区） 端口分配：FDH 1#0832数字量口 FEH 2#0832数字量口 FFH 0832启D/A口,03:26,22,3、MCS-51和D/A接口,相应程序为 若把Vx和Vy接到示波器，则可看到两条曲线显示在屏幕上。

11、 若改变DA1和DA2为始址数块中内容，则曲线形状跟着改变。,03:26,23,MCS-51对12位DAC接口 为了提高D/A转换精度，可采用10位或12位的D/A转换器。以12位DAC1208为例。 DAC1208的内部结构和原理 先送高8位（/LE1=0），后送低4位（/LE2=0），再启动D/A转换（/LE3=0）,3、MCS-51和D/A接口,03:26,24,MCS-51对DAC1208的连接 例题：设内部RAM的DA和DA+1单元内存放一个12位数字量（ DA中为高8位，DA+1中为低4位），4位输入寄存器地址是FEH， 8位输入寄存器地址是FFH， 12位DAC寄存器地址是FCH

12、或FDH，试编写把12位数字量送到DAC进行转换的程序。,3、MCS-51和D/A接口,03:26,25,3、MCS-51和D/A接口,03:26,26,A/D转换器是一种能够把输入模拟量转换成与它成正比的数字量，以便为单片机所接收。A/D转换器是单片机在模拟环境中应用的数据转换接口。 A/D转换的步骤：采样过程+量化过程 1、A/D转换的基本原理 2、A/D转换器的性能指标 3、MCS-51和A/D接口,二、A/D转换器及接口技术,03:26,27,A/D转换器的类型,1、A/D转换的基本原理,逐次比较式,并行A/D式,03:26,28,逐次比较式A/D转换器 工作过程： 1、控制电路先令N

13、位寄存器 最高位为“1”，经N位D/A 转换网络后产生Vs电压。 2、比较器对Vi和Vs进行比较。 若 Vi Vs，则比较器输出使N位寄存器最高位=1 若 Vi Vs，则比较器输出使N位寄存器最高位=0 3、同样比较次高位及其后各位，比较完成后控制电路令DONE=1（ ） 4、CPU查询/响应DONE上中断，可从N位寄存器获得相应数字量,1、A/D转换的基本原理,举例：若满量程输出=5V（8位A/D）,03:26,29,并行A/D转换器 工作过程： 1、VREF经23-1次分压成： 作为比较器C7, C6, C1的标准输入电压 2、比较器C7, C6, C1把输入电压Vx和标准电压比较。 若

14、Vx 标准电压，则相应触发器Q置位 若 Vx 标准电压，则相应触发器Q复位 3、触发器Q端经异或门送M3、M2、M1输入端，并由M3、M2和M1输出数字量。,1、A/D转换的基本原理,演示：Vx=7/14VREF,03:26,30,2、A/D转换器的性能指标,转换速度 定义：完成1次A/D转换所需时间的倒数，但通常以转换时间 来表征 例如：逐次逼近式A/D转换时间约100s 转换精度 模拟误差：由电阻、电容和基压波动而引起的误差。 数字误差：丢失码误差（某位触发器坏死造成的误差）。 量化误差：和数字量位数有关，位数，误差。 例如：设3位A/D转换器的I/O外特性为： 显然，输入模拟量为0.5V

15、、1.5V 6.5V时，量化误差最大为0.5V。因此，量化误差为分辨率的一半,03:26,31,3、MCS-51和A/D接口,ADC0809 由NSC（美国国民半导体公司）研制，是8位A/D芯片，可以和单片机直接接口，是ADC0808的姐妹产品 ADC0809内部结构,1、地址锁存和译码器：控制8路模拟开关中哪一路输入比较器,03:26,32,ADC0809引脚功能（28条） 1）IN7-IN0(8条)：用于输入被转换模拟电压 2）地址线和控制线（4条） ADDA、ADDB和ADDC：输入地址码，指示IN7-IN0中哪一路和Vin相连。 ALE：控制地址码的输入 3）数字量输出线和控制线（11

16、条） 2-1-2-8 ：数字量输出线，2-1为最高位 START：启动脉冲输入线, 上升沿清零SAR, 下降沿启动A/D转换 EOC：转换结束输出线； OE：输出允许线 4）电源线（5条） CLOCK：时钟（640K）脉冲输入线； Vcc ：+5V； GND：地线，VREF（+）和VREF（-）： 参考电压输入线,3、MCS-51和A/D接口,03:26,33,MCS-51和A/D接口 MCS-51对A/D的接口必须弄清如下三个问题： （1）要给START线送一个正脉冲 （2）从EOC线上获取状态信息（是A/D转换的结束标志） （3）给OE线一个高电平，就可提取A/D后的数字量。 MCS-51

17、和A/D的接口通常有两种工作方式： 中断法：把EOC上信号取反后作为中断请求信号； 查询法：对EOC上信号进行查询，当它为低电平时表示A/D转换已完成，便可从ADC芯片取走A/D后的数字量。 分以下两个问题进行讨论： 一、 MCS-51对ADC0809接口 二、 MCS-51对AD574A接口,3、MCS-51和A/D接口,03:26,34,MCS-51对ADC0809接口 ADC0809内部有一个8位三态输出锁存器，可以锁存A/D转换后的数字量，故A/D芯片本身就可看作一个输入设备。 电路连接及工作过程,3、MCS-51和A/D接口,1）CPU给START送一个启动脉冲后： ADC0809便

18、可从ADDA、ADDB和ADDC上接收地址码； ADC0809被启动工作（口地址为F0H）,03:26,35,应用举例 请根据右图编程，把IN7IN0上输入模拟电压转换成数字量并送入内部RAM以30H为始址的输入缓冲区。 求解： 1）主程序 2）中断服务程序,3、MCS-51和A/D接口,03:26,36,3、MCS-51和A/D接口,MCS-51对AD574A接口 为提高A/D转换精度，可采用10位、12位或更多位的A/D转换器。现以应用广泛的12位AD574为例加以介绍。 AD574的结构特点和引脚功能 是美国AD公司研制的12位逐次逼近式ADC，适合在该精度快速采样系统中使用 1）结构特

19、点 （1）内部有转换时钟，无需外接时钟脉冲源 （2）AD574转换时间为25 s （ADC0809为100s） （3）模拟电压 （4）数字量位数（8位、12位）,03:26,37,2）引脚功能 （1）模拟量输入线（3条） 10Vin 010V5V；20Vin 020V10V； AC 地线 （2）数字量输出线（13条） DB11DB0（DB11为最高位）；DC：地线 （3）控制线（6条） CS和/CE片选线（若CS*/CE=1，本片被选中）； R/C读出/转换控制线（0，启动工作；1，允许CPU对本片读数字量）； 12/80，本片为8位工作状态，1，本片为12位工作状态； A0 决定选口地址；

20、STS转换状态输出线（0：转换已完成，1：正在转换）,3、MCS-51和A/D接口,03:26,38,（4）测试/调零线（3条） REF IN解码网络所需参考电压输入线 REF OUT解码网络所需参考电压输出线 BIP OFF补偿调整线，调整模拟量为零 （5）电源线（3条） VL+5V；Vcc+12+15V； VEE+12+15V AD574操作功能表：,3、MCS-51和A/D接口,03:26,39,3、MCS-51和A/D接口,8031对AD574的接口 1、电路说明 （1）选口地址 F0H：写F0H，启动12位A/D 读F0H，读高8位数字量 F1H：写F1H，启动8位A/D 读F1H，读低4位数字量 （2）12/8 1：读12位数字量；0：读高8位/低4位数字量 BIP OFF：数字量调零线 10Vin为10V量程的模拟电压输入线（双极性为5V） 20Vin为20V量程的模拟电压输入线（双极性为10V） REF IN：参考电压输入线； REF OUT：参考电压输出线 （3）R1零点调整；R2增益调整,03:26,40,3、MCS-51和A/D接口,2、举例 编出能完成如下功能的程序： 先启动AD574工作，后把A/D 转换后的12位数字量中高8位 送入内部RAM的20H单