十四节数模和模数转换电路课件.ppt

第十四节 数/模和模/数转换电路,1,数/模和模/数转换电路的概念,在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中，被控制或被测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量。这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到计算机进行处理。计算机处理的结果，也常常需要转换为模拟信号，驱动相应的执行机构，实现对被控对象的控制。若输入是非电的模拟信号，还需通过传感器转换成电信号。实现模拟量变换成数字量的设备称为模数转换器(AD)，数字量转换成模拟量的设备称为数模转换器(DA)。,2,具有模拟量输入和模拟量输出的MCS-51应用系统结构,模数数模转换技术是数字测量和数字控制领域中的一个专门分支。在微电子技术已取得巨大成果的今天，对那些具有明确应用目标的单片微机产品的设计人员来说，只需要合理地选用商品化的大规模AD、DA电路器件，了解它们的功能和接口方法即可。,3,14.2.1 DAC0832的引脚功能,DAC0832是一典型的8位并行D/A转换器。为20引脚的双列直插式封装 DAC0832内部主要由两个8位的寄存器和一个8位的DA转换器及一些控制逻辑组成。其内部结构及引脚排列如下图所示。,4,DI0DI7：8位数据输入引脚。逻辑电平与TIL兼容。ILE：输入数据锁存允许端，高电平有效。/CS：芯片片选输人端，低电平有效。/WR1：输入寄存器的写信号，低电平有效。当、ILE及信号同时有效时，DI0DI7的数据被锁存到输入寄存器。,/XFER：数据传送控制器信号，低电平有效。/WR2：DAC寄存器的写信号，低电平有效。当和信号同时有效时，将输入寄存器中的内容锁存到DAC寄存器中。,VREF：基准参考电压源输入端。电压范围：10+10VIOUT1：输出电流1。其值随转换的输入数据线性变化，输入数据为0FFH时，IOUT1输出最大，输入数据为00H时，IOUT1输出最小。IOUT2：输出电流2。RFB：芯片内部反馈电阻输入引脚，为使用外部运算放大器时提供反馈电阻。,VCC：芯片工作电源电压。范围：+5+15V。AGND：模拟地。模拟信号和基准电源的参考地。DGND：数字地。工作电源和数字逻辑地。,5,14.2.2 DAC0832的工作方式,1直通工作方式 当0832所有的控制信号(/CS、/WR1、/WR2、ILE、/XFER)都为有效时，两个寄存器处于直通状态，此时数据线的数字信号经两个寄存器直接进入DA转换器进行转换并输出。此工作方式适用于连续反馈控制中。,2单缓冲工作方式单缓冲工作方式是使两个寄存器始终有一个(多为DAC寄存器)处于直通状态，另一个处于受控状态。如使/WR2=0和/XFER=0，或将/WR1与/WR2相连及/XFER与/CS相连，则DAC寄存器处于直通状态，输入寄存器处于受控状态。应用系统中如只有一路DA转换，或有多路转换但不要求同步输出时，可采用单缓冲工作方式。,3双缓冲工作方式双缓冲工作方式是使输入寄存器和DAC寄存器都处于受控状态。这主要用于多路DA转换系统以实现多路模拟信号的同步输出。例如有三个八位二进制数，分别先后进入三个DAC0832芯片的输入寄存器，这时若将三个DAC0832的DAC寄存器的锁存信号同时变为低电平（三个DAC0832的引脚/WR2、/XFER分别接在一起，即可达到此目的），,则分别先后锁存在三个DAC0832芯片的输入寄存器中的数据同时打入其DAC寄存器，并随之进行数模转换，同时输出相应的模拟量。若三个DAC0832芯片的DAC寄存器处于直通状态，就无法控制三路模拟信号的同步输出。,6,14.3 DAC0832与单片机的接口及应用,图中为采用单缓冲工作方式的一路DA输出与8051单片机的连接图。图中采用将芯片两级寄存器的控制信号并接的方式，即将DAC0832的/WR1和/WR2并接后与805l的/WR信号线相连，/CS和/XFER并接后与P2.7相连，并将ILE接高电平。在这种工作方式下，输入数据在控制信号的作用下，送入DAC寄存器，再经DA转换输出一个与输入数据对应的模拟量。,DA转换器的基准电压VREF由稳压管上的电压分压后提供。图中运算放大器的作用将DA转换器输出电流转换成电压输出。,7,D/A转换程序设计,图中的接法是采用线选法把DAC0832当作8031扩展的一个并行IO口，当P2.7=0时，则信号/CS和/XFER有效，若设其它无关的地址位为“1”，则DAC0832的口地址为7FFFH。将一个8位数据送入DAC0832完成转换的指令如下：MOV DPTR，#7FFFH ；指向0832的口地址MOV A，#data ；待转换的数据送AMOVX DPTR，A ；写入0832，即实现一次转换并输出,8,（1）锯齿波,利用DA转换，可方便编程输出各种不同的程控电压波形。以下几个程序实例可在图中的运放输出端产生不同的电压输出波形：,（1）产生锯齿波 MOV DPTR，#7FFFH ；指向0832的口地址 MOV A，#00H ；将最小数字量00H送ALOOP：MOVX DPTR，A ；A中数据送0832转换，输出对应 ；的模拟量 INC A ；A中内容加1 LJMP LOOP ；继续循环转换,9,（2）产生方波 MOV DPTR，#7FFFH ；指向0832的口地址LOOP：MOV A，#0FFH ；将最大数字量0FFH送A MOVX DPTR，A ；送DA转换输出对应的模拟量 LCALL DEL ；调延时子程序 MOV A，#00H ；将最小数字量00H送A MOVX DPTR，A ；送DA转换输出对应的模拟量 LCALL DEL ；调延时子程序 LJMP LOOP ；继续循环转换 DEL： 延时子程序略,（2）方波,10,（3）产生三角波 MOV DPTR，#7FFFH；指向0832的口地址 MOV A，#00H ；将最小数字量00H送ALOOP1：MOVX DPTR，A ；送DA转换输出对应的模拟量 INC A ；A中内容加1 CJNE A，#0FFH，LOOP1；判A中内容是否到最大值， ；不到则转LOOP1继续LOOP2：MOVX DPTR，A ；已到，则送最大值至DA转换 ；输出对应的模拟量 DEC A ；A中内容减1 CJNE A，#00H，LOOP2 ；判A中内容是否到最小值， ；不到则转LOOP2继续 LJMP LOOP1 ；已到，转LOOPl继续循环,（3）三角波,12,14.4 A/D转换器的介绍,用于模数(A/D)转换的集成芯片种类很多，按其转换原理可分为计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。不同AD转换器芯片在速度、精度和价格上均有差别，其分辨率(输出转换结果的二进制数或BCD码位数)也有8位、10位、12位及16位等多种，这也是应用选型时应主要考虑的因素。由于逐次逼近法AD转换器在精度、速度和价格上都适中，8位的分辨率也可满足一般的应用要求，是最常见的AD转换器件。下面我们主要介绍逐次逼近型AD转换器的工作原理及典型芯片ADC0809与单片机的接口方法。,13,A/D转换器的工作原理,逐次逼近法AD转换器也称逐次比较法A/D。对于一个输出为N位的逐次逼近法A/D转换器，其内部原理框图如图所示。主要以一DA(数模)转换为基础，加上比较器、N位逐次逼近寄存器、置数控制逻辑电路以及时钟等组成。它通过对最高位(DN1)至最低位(D0)的逐次检测比较来逼近被转换的输入电压，转换原理为：,在启动信号控制下开始转换，置数控制逻辑电路首先置N位寄存器最高位(DN1)为1，其余位清0，随后N位寄存器的内容经DA转换后得到整个量程一半的模拟电压VN，通过电压比较器与输入电压VX比较。若VXVN时，则保留DN1 =1；若VXVN时，则DN1位清0。然后，控制逻辑使N位寄存器的下一位(DN2)置l，与上次的结果一起经DA转换再后与VX比较，重复上述过程，直至判断出位D0取1还是0，然后 DONE发出信号表示转换结束。经过上述N次比较后，N位寄存器中的数据就是与输入模拟量对应的数字量，经输出缓冲器输出即完成了转换。,整个转换过程就是这样通过逐次比较逼近的方式实现的，转换速度由时钟频率决定，一般在几微秒到上百微秒之间。,14,14.5 ADC0809芯片结构及引脚,ADC0809是一典型的逐次逼近型8路模拟量输入、8位数字量输出的A/D转换芯片，采用CMOS工艺制造，28引脚双列直插式封装。图为ADC0809的内部结构逻辑图，和ADC0809的引脚图。,15,ADC0809芯片引脚功能,为了实现8路模拟量的A/D转换，芯片内部集成有一个多路模拟开关，由地址译码器译码后可选通一路模拟量输入，8路模拟量共用一个AD转换器进行转换。转换结果送入输出锁存器锁存和输出。当外加时钟频率为640kHz时，转换时间为64us。,芯片引脚功能说明如下：IN0IN7 8路输入通道的模拟量输入端D0D7 8位数字量输出端START：启动信号。加上正脉冲后，开始启动AD转换。此信号要求保持200ns以上。,ADDA、ADDB、ADDC：地址线。用于选择所需的模拟输入通道。其地址状态与模拟输入通道的对关系如表所示。,EOC：转换结束输出信号。转换开始后，EOC信号变低；转换结束时，EOC返回高电平。查询这个引脚的信号状态可知AD转换器是否转换结束。也可以直接用作转换结束的中断请求信号，CPU通过中断服务子程序读取转换后的数字量。OE：输出允许控制端。CLK：时钟信号。频率范围：10kHz1.2MHz，通常采用500kHz。,VCC：芯片电源电压。由于是CMOS芯片，故允许的电源范围较宽(+5V+15V)。GND为地端。VREF(+)和VREF()：AD转换器的正负基准参考电压输入端。一般可将VREF(+)与VCC连接在一起，VREF()与GND连接在一起。,ALE：地址锁存信号。信号的上跳沿把三位地址信号送入地址锁存器，并经译码器得地址输出，以选择相应的模拟输入通道。,16,14.6 ADC0809与MCS-51单片机的接口方法,图中用于选通8路模拟输入的3根通道地址线A、B、C可直接与8031的P0.0P0.2相连，这是因为0809芯片内部具有通道地址锁存功能。采用线选法寻址，由8031的地址总线P2.0和/RD 、/WR信号线共同配合以控制AD转换器输入通道地址的锁存、启动转换和输出允许。,17,按ADC0809的3根通道地址线ADDA、ADDB、ADDC及8031的地址线P2.0的接法，并设其它无关位为“1”，可知对应8个模拟量输入IN0IN7的地址依次为FEF8HFEFFH。只要向FEF8HFEFFH中任何一个地址进行写操作即可启动对指定通道地址的转换。例如，把输入通道2（IN2）的模拟量转换为数字量，则单片机需提供的地址用二进制表示为：,二进制数转换为十六进制数，则地址为FEFAH，从图中看出，8031的P0.0P0.2与选通8路模拟输入的3根通道地址线ADDA、ADDB、ADDC相连，故当P0.0=0、P0.1=1、P0.2=0时，模拟通道IN2可被选择。,18,当P2.0=0并执行写操作时，写操作指令MOVX DPTR，A ，/WR为“0”，P2.0与/WR经过与非门，使启动信号START和地址锁存信号ALE同时为高电平，这样低三位地址P0.0、P0.1、P0.2，在地址锁存信号ALE的作用下，通过相应的地址线和0809的引脚ADDA、ADDB、ADDC锁存入如图所示的地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择出模拟输入通道IN2作为模数转换通道。同时由于启动信号START变为高电平，故启动A/D转换，把输入通道IN2的模拟量转换成八位二进制数字量。,转换结束后，0809的引脚EOC由低电平变为高电平，如图所示，经一非门立即向单片机芯片发出外部中断1的中断申请，CPU于是响应申请，转入中断服务子程序读转换后的数字量。,要读此数字量，应提供数字量的地址FEFAH并进行读操作，即MOV DPTR，#0FEFAH MOVX DPTR，A，提供了地址FEFAH，就意味着P2.0=0，执行了读操作，就意味着信号/RD变为“0”。这样/RD和P2.0经与非门，使输出允许信号OE有效。见图，在OE的作用下，打开输出锁存器的三态门，将8位转换结果读入CPU中。,19,ADC0809应用程序设计,根据图中的硬件连接，采用中断方式依次采集8个模拟量输入通道IN0IN7的模拟量信号，并将AD转换结果按顺序存入片内RAM的40H47H单元的程序实例。 ORG 0000H AJMP MAIN ；转移到主程序 ORG 0013H ；外部中断1的入口地址 AJMP INT1 ；转移到中断服务子程序 ,20,主程序（初始化）：MAIN： SETB IT1 ；设INT1为脉冲触发方式 SETB EA ；允许系统中断 SETB EX1 ；允许INT1中断 MOV R0，#40H ；R0指向存数单元首址 MOV R2，#08H ；设置采集次数 MOV DPTR，#0FEF8H ；指向通道IN0 MOVX DPTR，A ；启动AD转换 SJMP $ ；等待中断,21,中断服务子程序： INT1：MOVX A，DPTR ；读入转换结果 MOV R0，A ；存数 INC DPTR ；通道地址加1 INC R0 ；存数单元地址加1 DJNZ R2，LOOP ；判8个通道采集完否? ；未完，转LOOP继续 AJMP EXT ；已采完，直接中断返回LOOP：MOVX DPTR，A ；再次启动AD转换， ；由于转换需要一定时间，所以 ；为了不占用CPU的时间，故启动转换后， ；返回主程序。当转换结束后，会自动 ；再转入中断子程序读转换结果 EXT ：RETI ；返回主程序,22,