項目十--AD與DA轉換器《單片機原理及應用》接口設計與編程——數(shù)字電壓表設計和數(shù)模轉換電路設計

1、單片機原理及應用技術A/D與D/A轉換器接口設計與編程數(shù)字電壓表設計和數(shù)模轉換電路設計任務一 A/D轉換器任務二 典型應用數(shù)字電壓表設計任務三 D/A轉換器任務四 典型應用數(shù)模轉換電路設計Project 10A/DD/A單片機被控實體傳感器變送器多路開關其他功能單片機是數(shù)字部件，只能處理數(shù)字量“0”或“1”。在實際應用場合，會有一些模擬量需要單片機來處理，此時，單片機就需要連接A/D轉換器（Analog to Digital Converter，模數(shù)轉換器）將模擬量轉換為數(shù)字量，再進行相應處理；同時也有一些終端控制部件只能接受模擬量，此時，單片機就需要連接D/A轉換器（Digital to A

2、nalog Converter，數(shù)模轉換器）將其輸出的數(shù)字量轉換為模擬量，然后才能對終端部件實施控制。如圖所示為A/D、D/A轉換器與單片機的連接。任務1A/D轉換器A/D轉換器的基本原理one模擬信號iA/D轉換器數(shù)字量D0DnA/D轉換器用于將模擬信號轉換為數(shù)字信號，如圖所示。從模擬量到數(shù)字量的轉換可以分為采樣、保持、量化和編碼四個步驟。1采樣采樣是指周期地獲取模擬信號的瞬時值，從而得到一系列時間上離散的脈沖采樣值，如圖所示。2保持保持是指在兩次采樣之間，將前一次采樣值保存下來，使其在量化編碼期間不發(fā)生變化，如圖所示。3量化量化是將采樣保持電路輸出的模擬電壓轉化為最小數(shù)字量單位整數(shù)倍。4編

3、碼編碼是指將量化后的數(shù)值通過編碼用一個代碼表示出來，代碼就是A/D轉換器輸出的數(shù)字量。A/D轉換器的種類twoA/D轉換器按照輸出代碼的有效位數(shù)可以分為4位、6位、8位、10位、12位、14位、16位和BCD碼輸出的3位、4位、5位等多種；按照轉換速度可以分為超高速（轉換時間1ns）、高速（轉換時間1s）、中速（轉換時間1ms）、低速（轉換時間1s）等幾種；按轉化原理的不同可以分為雙積分型A/D轉換器、逐次逼近式A/D轉換器以及并行比較型A/D轉換器等。A/D轉換器的主要性能指標three1分辨率分辨率指A/D轉換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個n位二進制數(shù)輸出的A/D轉換器應能區(qū)

4、分輸入模擬電壓的2n個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為滿量程輸入的1/2n。2轉換誤差轉換誤差表示A/D轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別。3轉換時間轉換時間是指A/D轉換器從接到轉換啟動信號開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。A/D轉換器的轉換速度主要取決于轉換電路的類型，不同類型A/D轉換器的轉換速度相差很大。 雙積分型A/D轉換器的轉換速度最慢，需幾百毫秒左右； 逐次逼近式A/D轉換器的轉換速度較快，需幾十微秒； 并行比較型A/D轉換器的轉換速度最快，僅需幾十納秒時間。ADC0809（8位）引腳功能與內(nèi)部結構fourADC0809芯片是單片機系統(tǒng)中常用

5、的A/D轉換芯片，它屬于逐次逼近式A/D轉換器。1引腳功能如圖左圖所示為ADC0809的引腳圖，如圖右圖所示為ADC0809的實物圖。STARTA/D轉換啟動信號端。START端輸入下降沿時啟動芯片，開始A/D轉換，在數(shù)據(jù)轉換期間該引腳需要保持低電平狀態(tài)；START端輸入上升沿時復位芯片。EOC轉化結束信號輸出端。EOC=0時，表示正在進行轉換；EOC=1時，表示轉換結束。即可作為查詢的狀態(tài)標志，也可作為中斷請求信號。OE輸出允許信號端，用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉換后的數(shù)字量。OE=0時，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1時，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。CLOCK時鐘信號端。ADC0809內(nèi)部沒有時

6、鐘發(fā)生裝置，該引腳用于連接外部時鐘。時鐘頻率在101280KHz之間，典型值為640KHz。Vcc電源端，接+5V電壓。各引腳具體功能如下：Vref（+）和Vref（-）正、負基準電壓輸入端（典型值為+5V），用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。GND接地端。ALE地址鎖存允許端，高電平有效。用于將ADDAADDC地址狀態(tài)送入地址鎖存器。IN0IN7模擬量輸入通道D0D7數(shù)字量輸出通道，可以與單片機直接相連ADDAADDC地址碼輸入線，用于選擇通道。2內(nèi)部結構A/D轉換器的內(nèi)部結構如圖所示。A/D轉換器主要由8位模擬開關電路、地址鎖存與譯碼電路、8位A/D轉換器以及三態(tài)輸出鎖存緩

7、沖器組成。ADC0809芯片采用的是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法，8位模擬開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換，轉換結果通過三態(tài)輸出鎖存器輸出。地址鎖存與譯碼電路可以完成對ADDA、ADDB和ADDC3個地址位的鎖存和譯碼，譯碼輸出用于通道選擇，下表為通道選擇表。地址輸入通道ADDAADDBADDCY0000INT0001INT1010INT2011INT3100INT4101INT5110INT6111INT7任務2典型應用 數(shù)字電壓表設計硬件設計one在proteus中，我們采用ADC0808芯片（引腳功能與芯片ADC0809相同）將輸入的模擬信號進行

8、模數(shù)轉換，通過單片機對轉換的結果進行運算和處理，最后驅動數(shù)碼管顯示數(shù)字電壓信號。簡易數(shù)字電壓表的設計如圖（下頁）所示，在滑動電阻兩端連接一個電壓表（滑動變阻器的阻值變化，電壓表的測量值將隨之變化），模擬電壓值輸入芯片ADC0808的IN0引腳進行模數(shù)轉換，轉化結果經(jīng)由單片機處理后在數(shù)碼管上輸出。我們可以通過比較數(shù)碼管的輸出數(shù)字和電壓表的測量數(shù)值來判斷芯片的轉化精度。硬件原理圖關于圖中連線，說明如下：芯片ADC0809的ADDAADDC引腳均接地，用于選擇通道IN0。在實際應用中，常用同一條信號產(chǎn)生START和ALE信號，這里用單片機P3.6引腳與其相連。單片機的P3.1引腳與芯片ADC0809

9、的OE引腳相連。單片機的P3.0引腳與芯片ADC0809的EOC引腳相連。芯片ADC0809的CLOCK引腳連接500KHz的脈沖。芯片ADC0809的輸出數(shù)據(jù)線OUT1OUT8（OUT1是數(shù)據(jù)最高位）與單片機的P0.7P0.0相連。單片機的P1.0P1.7與數(shù)碼管的ADP相連單片機的P2.1P2.4與數(shù)碼管的14相連。提示在上圖中你會發(fā)現(xiàn)，許多連線沒有實際相連。這里我們使用了proteus中的一個功能來避免過多的連線。具體做法如下：在需要連線的引腳處畫一小段線，結束時雙擊鼠標，使連線以結點形式終止。然后在連線上右擊鼠標，在彈出的快捷菜單中選擇Place Wire Lable（放置導線標號）選

10、項（參見下頁如何連接線左圖），彈出下頁如何連接線右圖所示Edit Wire Label（編輯導線標號）對話框，然后在Label選項卡的String編輯框中填寫導線標號（連線的另一端以同樣的方式設置，必須填寫相同的名字）。要在proteus中獲得電壓表，可單擊符號欄中的Instruments（儀器）按鈕 ，在右側的選擇框中選擇DC VOLTMETER選項，如下頁圖如何添加電壓表所示。要在proteus中獲得滑動變阻器，可通過在Pick Device編輯框中輸入關鍵字POT-LIN。如何設計連線如何添加電壓表軟件設計two程序如下：ORG1000HSTART:MOVXDPTR,A;啟動AD轉換AA

11、:JNBP3.0,AAMOVA,P0;讀轉換結果MOV20H,A;轉換結果存入20HMOVB,#50DIVABMOV21H,A;整數(shù)部分送21HMOVA,BMOVB,#5DIVABMOV22H,A;第1位小數(shù)送22HMOVA,BRLAMOV23H,A;第2位小數(shù)送23H;MOVDPTR,#TAB;轉換表首地址送DPTRMOVA,21H;取整數(shù)部分送AMOVCA,A+DPTR;讀取相應字型碼MOVP1,A;A內(nèi)容送P1端口CLRP2.4;選通S1，在最高位顯示數(shù)字LCALLDELAY;延時MOVP1,#0;P1口置0MOVA,22H;取第一位小數(shù)送AMOVCA,A+DPTR;讀取相應字型碼MOV

12、P1,A;A內(nèi)容送P1端口CLRP2.2;選通S3，在第三個位置顯示數(shù)字SETBP2.4;復位S1信號LCALLDELAY;延時MOVP1,#0;0送P1端口MOVP1,#40H;40H（“”的字型碼）送P1端口CLRP2.3;選通S2，在第二個位置顯示“”SETBP2.2;復位S3信號CALLDELAY;延時MOVP1,#0;0送P1端口MOVA,23H;取第二位小數(shù)送AMOVCA,A+DPTR;讀取相應字型碼MOVP1,A;A的內(nèi)容送P1口CLRP2.1;選通S4，在第四個位置顯示數(shù)字SETBP2.3;復位S2信號LCALLDELAY;延時MOVP1,#0;0送P1端口SETBP2.1;復

13、位S4信號LJMPSTART;轉到START;TAB:DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH ;DELAY:RETEND在proteus中進行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)滑動變阻器的值并觀察電壓表及LED數(shù)碼管的顯示數(shù)值，如圖所示。當滑動變阻器兩端的電壓顯示1.80時，LED顯示屏顯示相同的數(shù)值。任務3D/A轉換器D/A轉換器的原理oneD/A轉換器模擬信號i數(shù)字量D0DnD/A轉化器是將離散的數(shù)字量轉換為連接變化的模擬量，如圖所示。數(shù)模轉換的基本思想與二進制數(shù)轉換為十進制數(shù)的原理相似。在將二進制數(shù)轉化為十進制數(shù)時，我們需要將二進制各位的數(shù)值與其位的權值相乘，然后

14、相加即可得到相應的十進制數(shù)。輸入值輸出值基準電壓運算放大電路D/A轉換的原理如圖所示，數(shù)字量以串行或并行方式輸入，存儲于數(shù)字寄存器中，各位分別控制對應的模擬電子開關，數(shù)字為的位將在位權網(wǎng)絡上產(chǎn)生與其權值成正比的電流值（由基準電壓通過不同的電阻控制得到），由求和電路將各種權值相加，即可得到數(shù)字量對應的模擬量。D/A轉換器的種類twoD/A轉換器按解碼網(wǎng)絡結構分類，可以分為T型電阻網(wǎng)絡DAC、倒T形電阻網(wǎng)絡DAC、權電流DAC和權電阻網(wǎng)絡DAC；按模擬電子開關電路分類，可以分為CMOS開關型DAC、雙極型開關型DAC（包括電流開關型DAC和ECL電流開關型DAC）。D/A轉換器的主要性能指標thr

15、ee分辨率分辨率是指輸出電壓的最小變化量（最低位為1其余各位為0）與滿量程（各位均為1）輸出電壓之比。對于n位D/A轉換器，分辨率1/（2n1）轉化速度轉換速度是指D/A轉換器從輸入數(shù)字量到轉換成穩(wěn)定的模擬輸出電壓所需要的時間。不同的DAC其轉換速度不同，一般從幾微秒到幾十微秒。非線性誤差非線性誤差是指D/A轉換器輸出電壓值與理想輸出電壓值之間的偏差。它主要是由模擬開關以及運算放大器的非線性引起的。溫度系數(shù)溫度系數(shù)是指在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化而變化的量。一般用滿刻度的百分數(shù)表示溫度每升高一度輸出電壓變化的值。1引腳功能DAC0832是雙列直插式8位D/A轉換器。左圖所示為AD

16、C0832的引腳圖，右圖所示為ADC0832的實物圖。DAC0832引腳功能與內(nèi)部結構fourCS：片選信號輸入端，低電平有效。WR1：8位輸入寄存器的寫信號端，低電平有效。WR2：DAC寄存器的寫信號端，低電平有效。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號端，高電平有效。XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號端，低電平有效。AGND：模擬電路接地端。DI0DI7：8位數(shù)字量輸入端。Vref：參考電壓輸入端，范圍為1010V。Rfb：反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部有反饋電阻，可用作外部運算放大器的分路反饋電阻。Iout1：模擬電流輸出端1。當DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時，輸出電流最大；當DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時，

17、輸出電流為0。Iout2：模擬電流輸出端2。Iout2與Iout1的和為一個常數(shù)，即Iout1Iout2常數(shù)。一般在單極性輸出時，Iout2接地；在雙極性輸出時，連接運算放大器。Vcc：電源端，一般515V。DGND：數(shù)字電路接地端。2內(nèi)部結構DAC0832芯片的內(nèi)部主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換器組成，如圖所示。由圖中可以看出，數(shù)字量是通過兩級寄存器后送至D/A轉換器的輸入端。這樣的設計可以做到當后一級鎖存器（8位DAC寄存器）向D/A轉換器輸出數(shù)據(jù)時，前一級寄存器（8位輸入寄存器）可接收新的數(shù)據(jù)，從而提高了轉換速度。ILE、CS和WR1是8位輸入寄存器的控制信號。當

18、WR1、CS、ILE均有效時，可以將引腳的數(shù)據(jù)寫入8位輸入寄存器。WR2和XFER是8位DAC寄存器的控制信號。當兩個信號均有效時，DAC寄存器工作在直通方式；當其中某個信號為高電平時，DAC寄存器工作在鎖存方式。DAC0832的三種工作方式fiveDAC0809有直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式三種工作方式，下面分別進行介紹。直通方式當兩個寄存器的5個控制信號均有效時，兩個寄存器均處于開通狀態(tài)，數(shù)據(jù)可以從輸入端經(jīng)兩個寄存器直接進入D/A轉換器。單緩沖方式兩個寄存器之中有一個處于直通方式（數(shù)據(jù)接收狀態(tài)），另一個受單片機控制。如圖所示DAC0832工作在單緩沖方式，信號WR2和XFER接地，DA

19、C寄存器處于直通方式；ILE端接高電平，CS端接譯碼輸出，WR1與單片機的WR信號相連，輸入寄存器的狀態(tài)由單片機控制。單緩沖方式用于只有一路模擬量輸出或有多路模擬量但不同時輸出的情況。雙緩沖方式兩個寄存器均處于受控狀態(tài)。這種工作方式適合于多模擬信號同時輸出的應用場合。采用雙緩沖方式時，數(shù)字量的輸入鎖存和D/A轉換輸出是分兩步進行的。第一步，CPU分時向各路D/A轉換器輸入要轉換的數(shù)字量并鎖存在各自的輸入寄存器中。第二步，CPU對所有的D/A轉換器發(fā)出控制信號，使各路輸入寄存器中的數(shù)據(jù)進入DAC寄存器，實現(xiàn)同步轉換輸出。如圖所示為兩片DAC0832與8031的雙緩沖方式連接電路，可以實現(xiàn)兩路同步

20、輸出。任務4典型應用數(shù)模轉換電路設計數(shù)模轉換電路如數(shù)模轉換電路圖（下頁）所示，單片機的P0端口與DAC0832的數(shù)字量輸入端相連，單片機的P1.0、P1.1、P1.2連接三個開關，分別用于輸出方形波、鋸齒波以及三角波。要求利用單片機和DAC0832控制輸出方形波、鋸齒波、三角波，并通過示波器顯示。硬件設計one提示要獲取運算放大器，可在Pick Devices對話框中輸入關鍵字operational amplifier進行搜索。要獲取虛擬示波器，可單擊左側符號欄中的Instruments（儀器）按鈕 ， 然后在彈出的儀器列表中OSCILLOSCOPE關鍵字。數(shù)模轉換電路 1示波器運算放大器數(shù)模轉換電路 2ORG0000HLJMPMAINORG0030HMAIN:JNBP1.1,HH2;按鍵KEY2輸出鋸齒波JNBP1.2,HH3;按鍵KEY3輸出三角波HH1:J