十四节数模和模数转换电路课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第十四节 数,/,模和模,/,数转换电路,1,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,(A,D),，数字量转换成模拟量的设备称为数模转换器,(D,A),。,2,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,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,A,D,、,D,A,电路器件，了解它们的功能和接口方法即可。,3,具有模拟量输入和模拟量输出的MCS-51应用系统结构 模数,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,D,A,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。,4,14.2.1 DAC0832的引脚功能DAC0832是一典型,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。,V,REF,：基准参考电压源输入端。电压范围：,10+10V,I,OUT1,：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，,I,OUT1,输出最大，输入数据为,00H,时，,I,OUT1,输出最小。,I,OUT2,：输出电流,2,。,R,FB,：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。,V,CC,：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,DI0DI7：8位数据输入引脚。逻辑电平与TIL兼容。/X,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,D,A,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,D,A,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,D,A,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。,6,14.2.2 DAC0832的工作方式1直通工作方式2,14.3 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,D,A,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,D,A,转换输出一个与输入数据对应的模拟量。,D,A,转换器的基准电压,V,REF,由稳压管上的电压分压后提供。图中运算放大器的作用将,D,A,转换器输出电流转换成电压输出。,7,14.3 DAC0832与单片机的接口及应用图中为采用单缓,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,I,O,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,A,MOVX DPTR,，,A,；写入,0832,，即实现一次转换并输出,8,D/A转换程序设计图中的接法是采用线选法把DAC0832当作,（,1,）锯齿波,利用,D,A,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,A,LOOP,：,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,（1）锯齿波 利用DA转换，可方便编程输出各种不同的程控电,（,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,D,A,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,D,A,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,（2）产生方波（2）方波10,十四节数模和模数转换电路课件,（,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,A,LOOP1,：,MOVX DPTR,，,A,；送,D,A,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,D,A,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,（3）产生三角波（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,A,D,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,A,D,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,A,D,转换器件。下面我们主要介绍逐次逼近型,A,D,转换器的工作原理及典型芯片,ADC0809,与单片机的接口方法。,13,14.4 A/D转换器的介绍用于模数(A/D)转换的集成,A/D,转换器的工作原理,逐次逼近法,A,D,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,D,A(,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,(D,N,1,),至最低位,(D,0,),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,(D,N,1,),为,1,，其余位清,0,，随后,N,位寄存器的内容经,D,A,转换后得到整个量程一半的模拟电压,V,N,，通过电压比较器与输入电压,V,X,比较。若,V,X,V,N,时，则保留,D,N,1,=1,；若,V,X,V,N,时，则,D,N,1,位清,0,。然后，控制逻辑使,N,位寄存器的下一位,(D,N,2,),置,l,，与上次的结果一起经,D,A,转换再后与,V,X,比较，重复上述过程，直至判断出位,D,0,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,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,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。,15,14.5 ADC0809芯片结构及引脚 ADC0809是一,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,A,D,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,A,D,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,A,D,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,。,V,CC,：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(,),：,A,D,转换器的正负基准参考电压输入端。一般可将,VREF(+),与,V,CC,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,ADC0809芯片引脚功能为了实现8路模拟量的A/D转换，芯,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,A,D,转换器输入通道地址的锁存、启动转换和输出允许。,17,14.6 ADC0809与MCS-51单片机的接口方法图中,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：,P2.7,P2.6,P2.5,P2.4,P2.3,P2.2,P2.1,P2.0,P0.7,P0.6,P0.5,P0.4,P0.3,P0.2,P0.1,P0.0,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,0,二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,按ADC0809的3根通道地址线ADDA、ADDB、ADDC,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,当P2.0=0并执行写操作时，写操作指令MOVX DPT,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,A,D,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,ADC0809应用程序设计根据图中的硬件连接，采用中断方式依,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,A,D,转换,SJMP $,；等待中断,21,主程序（初始化）：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,A,D,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,中断服务子程序：22,