AT89S51单片机的模数与数模转换设计.ppt

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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。将模拟量电压

2、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的主要技术指标,分辨率

3、,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信号所经过的时间

4、。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位整除，所以在量化过程中

5、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压与理想输入电压之差。,

6、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。,9.1.2 逐次逼近式8位A/

7、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较器。,256电阻阶梯和树状开关,17

8、,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：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平

9、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器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输

10、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(+)和Vref(-)为参考电压输入线，用于给电阻阶

11、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。

12、（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 Interface）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

13、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DOUT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。,

14、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

15、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,（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

16、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

17、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-)/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

18、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

19、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(Digita

20、l 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 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

21、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)

22、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。IOUT2：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

23、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

24、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

25、、/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路模拟信号。适用：同时输出几路模拟信号的场合，可构成多个0832同步输出电路。当8位输入锁存器和8位DAC寄存器分开控制导通时，DAC0832工作于双缓冲方式，双缓冲方式时单片机对DAC0832的操作分两步，第一步，使8位输入锁存器导通，将8位数字量写入8位输入锁存器中；第二步，使8位DAC寄存器导通，8位数字量从8位输入锁存器送入8

26、位DAC寄存器。第二步只使DAC寄存器导通，在数据输入端写入的数据无意义。,58,例9-3 编写产生锯齿波、三角波、方波程序,59,60,电路图,61,由于DAC0832相当于外部存储器，因此也可以采用由“ABSACC.H”头文件锁定义的指令“XBYTEunsigned int”来实现对DAC0832的寻址。,62,例如，下列指令可在外部存储器区域访问地址0 x000F:xval=XBYTE0 x000F;/将地址0 x000F中的数据取出送给xval XBYTE0 x000F=0 xA8;/将数据”0 xA8”送入地址”0 x000F”,63,DAC0832 应用举例 用DAC0832产生锯

27、齿波程序,#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DAC0832 XBYTE0 xFFFE/-/延时/-void DelayMS(uint ms)uchar t;while(ms-)for(t=0;t 120;t+);,64,/-/主程序/-void main()uchar i;while(1)for(i=0;i 256;i+)DAC0832=i;DelayMS(1);,65,本章结束,本章回顾AD转换的原理及AD器件的使用及编程方法 ADC0809 TLC2543DA转换的原理及DA器件的使用及编程方法 DAC0832,