AT89S51单片机的模数与数模转换设计.ppt

1、9,AT89S51单片机的模数与数模转换设计,2,本章主要内容（本章学时6学时）,AD转换设计 ADC0809的使用与编程 TLC2543的使用与编程 2. DA转换设计 DAC0832的使用与编程,3,在计算机应用系统中，需要对一些模拟信号（如电流、电流、温度、压力等）进行检测，将模拟信号转换为数字信号，称为A/D转换。 通常单片机应用系统也需要模拟量输出，去控制系统中的执行机构,构成控制系统。将计算机中的数字信号转换为模拟信号，称为D/A 转换。,4,9.1 AD转换设计,由传感器送出的模拟量电压信号或电流信号经过信号调理电路、多路开关和采样保持器后，必须转换成数字量才能送入计算机。将模拟

2、量电压信号转换成数字量信息的器件叫作模拟数字转换器，简称为ADC（Analogue Digit Converter）。ADC在工业控制、智能仪器仪表中广为应用。,5,9.1.1 AD转换器概述,逐位逼近式ADC：转换速度中等，精度高，抗干扰能力中等，价格不高，是工业控制和仪器仪表中用的最多的一种。 双积分式ADC：转换速度慢，精度高，抗干扰能力强，价格低，适用于对速度要求不高的场合，在仪器仪表中应用较多。 V/F变换计数式ADC：电路简单，转换速度较慢，价格低，适用于远程信号转换。 -转换器：利用过采样技术进行转换，速度快，精度高。,目前产品中应用的ADC主要有以下几类：,6,ADC的主要技术

3、指标,分辨率,分辨率是指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力（使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量）分辨率通常用位数表示，如8位、10位、12位等。例如对于一个10位转换器的分辨率为1/1024，显然，位数越多，分辨率就越高 。 从理论上讲，一个n位二进制输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量化级，能区分输入模拟电压的最小差异为1/2nFSR(满量程输入的1/2n).,7,e.g.：A/D转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V,则其分辨率为：,8,转换速度,转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字

4、信号所经过的时间。 A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器转换速度相差很大。,逐位逼近式ADC：转换速度中等。 双积分式ADC：转换速度慢。 V/F变换计数式ADC：转换速度较慢。 -转换器：速度快,9,量化：在A/D转换过程中，要用数字量来表示连续变化的模拟量时，必须将采样保持电压归化为某个最小单位的整数倍，这个过程称为量化。所取得的最小单位叫做量化单位，用表示。,量化误差,编码：把量化的结果用二进制或 二十 进制数表示出来，称为编码。编码输出的最低有效位（LSB)的1所代表的数量大小就等于。,量化误差：由于模拟信号在时间、数值大小都是连续的，不一定被最小量化单

5、位整除，所以在量化过程中就可能引入量化误差。,10,只舍不入法：,ADC两种量化方法：只舍不入法，有舍有入法。,是将输入信号不足一个量化单位的尾数舍去，取其原整数。,有舍有入法：,当取样保持信号VI的尾数/2时，用舍尾取整法得其量化值。,当取样保持信号VI的尾数/2时，用舍尾入整法得其量化值。,11,偏移误差 偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。假定ADC没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。,满刻度误差 满刻度误差又称为增益误差。ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电

6、压与理想输入电压之差。,12,线性度 线性度有时又称为非线性度，它是指转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差。,绝对精度 在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差的最大值，称为绝对精度。,表示A/D转换器实际输出数字量和理想输出数字量之间的差别，一般用最低有效位的倍数表示。,相对精度,13,逐次逼近式ADC的转换原理,逐次逼近式A/D转换器是从转换器数据的最高位开始，逐位给出数据1，再对数据进行D/A转换； 将获得的电压与输入的模拟电压相比较： 如果输入模拟电压大于D/A转换的电压，就将所给出的数字1确定为该位的数值，反之就将该位赋0； 逐位进行下去，直到转换完成。,

7、9.1.2 逐次逼近式8位A/D转换器 ADC0809,14,ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以 和微机直接接口。ADC0809的姐妹芯片是ADC0808，可以相互代换。, 内部结构,ADC0809由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存 器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成 。,ADC0809 A/D转换器芯片,15,16,八路模拟开关及地址锁存与译码器 八路模拟开关用于输入IN0IN7上八路模拟电压。地址锁存和译码器在ALE信号控制下可以锁存ADDA、ADDB和ADDC上地址信号，经译码后选择IN0IN7上哪一路模拟电压送入比

8、较器。, 256电阻阶梯和树状开关,17,逐次逼近寄存器 SAR在A/D转换过程中存放暂态数字量，在A/D转换完成后存的放对应输入电压V数字量，并可送到“三态输出锁存器”,三态输出锁存器和控制电路 三态输出锁存器用于锁存A/D转换完成后的数字量。CPU使OE引脚变为高电平就可以从“三态输出锁存器”取走A/D转换后的数字量。,18,19,ADC0809使用说明,（1）ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。,20,ADC0809使用说明,（2）地址输入和控制线：

9、4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。,21,ADC0809的通道选择,22,ADC0809使用说明,（3）数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存

10、器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。,23,（4）CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。Vref(+)常和Vcc相连，如需要转换更加精确可接电压基准， Vref(-) 常接地。,24,CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需时钟脉冲序列，输入范围101280KHz，通常应 用值：500640KHz，当时钟=640KHz时，转换时间100s。 通常由ALE分频后提供。,Vref(+

11、)和Vref(-)为参考电压输入线，用于给电阻阶梯网络供给标准电压。 Vref(+)常和Vcc相连， Vref(-) 常接地。,AT8951和ADC接口必须弄清和处理好三个问题： 要给START线送一个100ns宽的启动脉冲； 获取EOC线上的状态信息，因为它是A/D转换的结 束标志； 要给“三态输出锁存器”分配一个端口地址，也就是 给OE线上送一个地址译码器输出信号。,25,ADC0809 操作时序图,26,ADC0809应用说明 （1） ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 （2） 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3） 送要转换的哪一通道的地址到

12、A，B，C端口上。 （4） 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5） 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 （6） 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。,27,例9-1 ADC0809模数转换举例,28,（1）TLC2543简介 TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成AD转换过程。 TLC2543具有4线制串行接口，分别为片选端（CS），串行时钟输入端（CLOCK），串行数据输入端（DATA IN）和串行数据输出端（DATA OUT）。 它带有标准SPI（Serial Periperal Interfa

13、ce）接口，可以直接与带SPI接口的器件进行连接，不需要其它外部逻辑。同时，它还可以在高达4MHz的串行速率下与主机进行通信。,9.1.3 逐次逼近式12位A/D转换器 TLC2543,29,（2）TLC2543引脚,AIN0AIN10：模拟输入端； CS：片选端； DIN ：串行数据输入端； DOUT：A/D转换结果的三态 串行输出端； EOC：转换结束端； CLK：I/O时钟； REF ：正基准电压端； REF-：负基准电压端； VCC：电源； GND：地。,30,CS为高电平时，TLC3543的CLK和DIN被禁止，DOUT为高阻状态。 CS变低开始转换过程，CLK和DIN有效，并且DO

14、UT脱离高阻状态。 EOC开始为高，输入数据寄存器被置为全零，输出数据寄存器内容随机，并且第一次转换结果将被忽略。,31,（3）操作时序图,32,TLC2543的通道选择和方式数据位为8位： （1）D7-D4用于选择要转换的通道,33,（2）D3和D2用来选择输出数据长度 （3）D1和D0用于选择数据的导前位 D1、D0 = 00 则选择高位在前,34,由于TLC2543的时序，命令字的写入和转换结果的输出是同时进行的，即在读出转换结果的同时也写入下一次的命令字，若采集10个数据则要进行11次的转换。第一次写入的命令字是有实际意义的，但是第一次读出的转换结果是无意义的，应丢弃；而第11次写入的

15、命令字是无意义的操作，而读出的转换结果是有意义的。,35,例9-2 TLC2543 AD转换举例,36,应用TLC2543应注意的几个问题,（1）硬件设计中，EOC引脚是否连接问题。 EOC引脚由高变低是在第12个时钟的下降沿，它标志TLC2543开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换完成后EOC变高，标志转换结束。从理论上讲，应该通过EOC，判断是否可以进行新的周期以便从TLC2543中取出已转换的A/D数据，但是，正如前面介绍，TLC2543的一次A/D转换时间约为10s，而一般情况下，一个工作周期后，单片机的后续处理工作已大于10s，因此，除非特别需要，一般可以不接EOC。,37,（

16、2）一个输入输出工作周期为12个时钟信号，随这12个时钟信号的进入，TLC2543的DATA OUT引脚送出的12位数，为上一个工作周期的A/D转换数据，而这一数据是何通道的采集量，取决于上一工作周期从DATA INPUT引脚送入TLC2543的控制字的前四位。那么对于系统上电后第一个工作周期，从DATA OUT取出的数据是没有意义的。,应用TLC2543应注意的几个问题,38,（3）控制字的低4位决定输出数据长度及格式，初始设定后，一般不要在运行过程中改变，以免数据混乱。而在工作周期循环，若累加器A中数据没有处理好，容易把非法的控制字带入TLC2543，引起输出数据格式错误，这一点，应予特别

17、注意。,应用TLC2543应注意的几个问题,39,（3）控制字的低4位决定输出数据长度及格式，初始设定后，一般不要在运行过程中改变，以免数据混乱。而在工作周期循环，若累加器A中数据没有处理好，容易把非法的控制字带入TLC2543，引起输出数据格式错误，这一点，应予特别注意。,应用TLC2543应注意的几个问题,40,应用TLC2543应注意的几个问题,（4）对于转换结果用二进制方式输出，当输入电压等于VREF+时，转换结果为12个“1”，即(1111 1111 1111)，当输入电压等于VREF-时，转换结果为12个“0”，即(0000 0000 0000)，当输入电压等于(VREF+VREF

18、-)/2时，转换结果为(1000 0000 0000)，供校正参考。12位采集数据，对于8位单片机，分放在两个内存地址中，若是向微机系统传送，可以直接发送，由微机系统计算。若是自身使用，计算合成后，仍需放两个地址。,41,D/A（Digit to Analog）转换器 单片机应用系统需要模拟量输出，去控制系统中的执行机构,构成控制系统。将计算机中的数字信号转换为模拟信号，称为D/A 转换。 为把数字量转换成模拟量，在D/A转换芯片中要有解码网络,9.2 DA转换,42,T型电阻网络型D/A转换器：,D/A转换器的原理： 把输入数字量中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。根

19、据克希荷夫定律，如下关系成立： I0=20 I1=21 I2=22 I3=23,43,n位数字量与模拟量的关系式： VO =VREF（数字码 / 2n） (VREF 参考电压),注：因使用反相比例放大器来实现电流到电压的转换，所以输出模拟信号(VO)的极性与参考电压(VREF)极性相反。,44,D/A转换器的分类,D/A转换器的品种繁多、性能各异。 1、按输入数字量的位数分： 8位、10位、12位和16位等； 2、按输入的数码分： 二进制方式和BCD码方式； 3、按传送数字量的方式分： 并行方式和串行方式； 4、按输出形式分： 电流输出型和电压输出型； 电压输出型又有单极性和双极性； 5、按与

20、单片机的接口分： 带输入锁存的和不带输入锁存的。,D/A输出形式： 电压； 电流 运算放大器 电压。,45,注意区分D/A内部是否带有锁存器,46,DAC(Digital Analog Converter)性能指标是选用DAC芯片型号的依据，也是衡量芯片质量的重要参数。, 分辨率 分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量,取决于输入数字量的二进制为数。一个n位的DAC所能分辨的最小电压增量定义为满量程值的2-n倍。 例如：满量程为10V 的8位 DAC分辨率为10V2-8=39mv；一个同样量程的16位 DAC的分辨率高达10V2-16=153uV,DA转换器的性能指标,47, 转换精度

21、 转换精度和分辨率是两个不同的概念。转换精度是指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。,对T 型电阻网络的DAC,其转换精度和参考电压VREF、电阻值和电子开关的误差有关。例如：满量程时理论输出值为10V,实际输出值是在9.99V-10.01V之间，其转换精度为10mv。通常，DAC的转换精度为分辨率之半，即为LSB/2。LSB是分辨率，是指最低一位数字量变化引起的变化量。,48, 相对误差 绝对误差与满量程值之比用%表示，例如：转换精度为10mv,若满量程输出值为10V,则相对误差10mv /10V =0.1%。, 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

22、值。这种误差通常可以通过 DAC的外接VREF和电位计加以调整。, 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差。通常，线性度不应超出 1/2LSB。,49,3 ) DAC0832 内部结构,DAC0832 D/A转换器芯片,50,DAC0832的引脚,其中： DI0DI7（DI0为最低位）：8位数字量输入端。 ILE：数据允许控制输入线，高电平有效。 /CS：片选信号。 /WR1：写信号线1。 /WR2：写信号线2。 /XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。,51,DAC0832的引脚,IOUT1：模拟电流输出线1。它是数字量输入为“1”的模拟电流输出端。 IO

23、UT2：模拟电流输出线2，它是数字量输入为“0”的模拟电流输出端，采用单极性输出时，IOUT2常常接地。 Rfb：片内反馈电阻引出线，反馈电阻制作在芯片内部，用作外接的运算放大器的反馈电阻。 VREF：基准电压输入线。电压范围为10V10V。 VCC：工作电源输入端，可接5V15V电源。 AGND：模拟地。 DGND：数字地。,52, DAC0832与51单片机连接应用举例,DAC0832的性能指标如下： 转换时间：1s 分辨率：8位 线性误差：0.2%FSR 数字输入与TTL兼容 低功耗：20mw 单电源：+5+15V,DAC0832是带双缓冲数据锁存和电流输出的D/A芯片，可以和单片机直接

24、连接而不用另加接口电路。,53,DAC0832的工作方式,DAC0832有三种方式： 1、直通方式； 2、单缓冲方式； 3、双缓冲方式。,54,（1）直通方式,输入寄存器和DAC寄存器共用一个地址，同时选通输出；WR1和WR2同时进行，并且不与CPU相接。特点：转换速度快。 当引脚/WR1、/WR2、/CS、/XFER直接接地，ILE接电源，DAC0832工作于直通方式，此时，8位输入寄存器和8位DAC寄存器都直接处于导通状态，8位数字量到达DI0DI7，就立即进行D/A转换，从输出端得到转换的模拟量。,55,（2）单缓冲方式,输入寄存器和DAC寄存器共用一个地址，同时选通输出，输入数据在控制信号作用下，直接进入DAC寄存器中； WR1和WR2同时进行，并且与CPU的WR相连，CPU对0832执行一次写操作，将数据直接写入DAC寄存器中。 适用：只有一路模拟信号输出或几路模拟信号非同步输出。 当连接引脚/WR1、/WR2、/CS、/XFER，使得两个锁存器的一个处于直通状态，另一个处于受控制状态，或者两个被控制同时导通，DAC0832就工作于单缓冲方式。,56,DAC0832单缓冲单极性电压输出方式,57,（3）双缓冲方式,输入寄存器和DAC寄存器分配有各自的地址，可分别选通用同时输出多