7单片机应用技术2013-1资料

第七章模拟量输入输出通道A/D和D/A在控制系统中的地位一、D/A转换器及接口技术二、A/D转换器及接口技术20:331D/A转换器可直接将来自单片机的二进制数字量转换成模拟量，推动执行机构动作，以控制被控实体的工作过程。因此，D/A转换器是单片机在模拟环境中应用的数据转换接口。D/A转换的基本原理D/A转换器的性能指标MCS-51和D/A接口一、D/A转换器及接口技术20:332一、D/A转换器及接口技术D/A转换的基本原理——“按权展开，然后相加”把输入数字量中的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。D/A转换器内部须有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。解码网络加权电阻网络——每位二进制数的D/A转换通过相应加权电阻实现。T型电阻网络——并行输入数字量，每位代码同时被转换成模拟量。001122112222aaaaDnnnn20:333加权电阻网络——每位二进制数的D/A转换通过相应加权电阻实现。原理：通过相应加权电阻网络，按位分别实现D/A转换。缺点：加权电阻大小差别很大，精确制造这么大的电阻困难极大。例如：设某12位D/A转换器最高位电阻为10KΩ，则最低位电阻为211×10KΩ=20MΩ。因此，二进制加权电阻网络工程上不被用来制造D/A转换器1、D/A转换的基本原理20:334T型电阻网络——并行输入数字量，每位代码同时被转换成模拟量。工作原理输入数字量：b3b2b1b0→B输出电压：Vout若Vout∝B，则该电路可认为是D/A转换器1、D/A转换的基本原理20:335证明：Vout∝B若b3b2b1b0=1111B，根据克希荷夫定律（A点为虚拟地）有因S3S2S1S0受b3b2b1b0控制，故得通式：选取Rf=R和考虑A点虚拟地，且Irf=－Iout1，可得对n位T型电阻网络，上式变为20:336分辨率定义：能分辨的最小输出电压增量，常为满量程的2-n。例如：10V满量程的8位DAC芯片，分辨率=10*2-8=39mv10V满量程的16位DAC芯片，分辨率=10*2-16=153µv转换精度定义：实际输出值和理论值的接近程度。通常DAC的转换精度为分辨率的一半，即为LSB/2。偏移量误差输入数字量为0时，输出模拟量对0的偏移值。可通过VREF和电位计来调整线性度DAC的实际转换特性曲线和理想转换特性曲线之间的最大偏差。通常不超过±(1/2)LSB。2、D/A转换器的性能指标20:337建立时间（转换速度）DAC中的输入代码有满度值的变化时，其输出模拟信号电压（或电流）达到满度值±(1/2)LSB时所需的时间。温度灵敏度（温度系数）在满刻度输出的条件下，温度每升高1度，输出变化的百分比。电源抑制比满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比。工作温度范围较好的在-40~85℃，较差的在0~70℃之间。2、D/A转换器的性能指标20:338DAC0832由NSC（美国国民半导体公司）研制，是DAC0831的姐妹产品DAC0832内部结构8位输入寄存器：存放CPU送来的数字量（/LE1高电平时输出=输入，低电平锁存）8位DAC寄存器：存放待转换数字量（/LE2高电平时输出=输入，低电平锁存）8位D/A转换电路：8位电子开关和T型电阻网络3、MCS-51和D/A接口20:3393、MCS-51和D/A接口DAC0832引脚功能（20条）DI7-DI0（8条）：来自CPU的输入数字量电源线（4条）：Vcc（+5V~+15V）；VREF（-10V~+10V）；DGND（数字地）；AGND（模拟地）控制线（5条）：/CS（片选线）；ILE（输入允许线）；/WR1、/WR2（写命令线）；/XFER（传输控制线）输出线（3条）：Rfb（运放反馈线，和运放的Vout相连接）；Iout1（数字量全1时为最大值,数字量全0时为最小值）Iout2Iout1+Iout2=常数20:3310DAC的应用按数字量位数，D/A转换器通常可分为8位、10位、12位等三种，在单片机应用系统中应用广泛，主要有3种：（1）DAC用作单极性电压输出（2）DAC用作双极性电压输出（3）DAC用作控制放大器3、MCS-51和D/A接口20:33113、MCS-51和D/A接口DAC用作单极性电压输出根据前述关系：有式中，B=b7*27+b6*26+……+b1*21+b0*20VREF/256——常数显然，当B=全0时，则Vout=0当B=全1时，则Vout=－最大值即有：Vout=0~－最大值20:3312DAC用作双极性电压输出由克希荷夫定律（G点虚拟地）有解上述方程组得上述关系可列成表格3、MCS-51和D/A接口20:33133、MCS-51和D/A接口DAC用作控制放大器图中G点为虚拟地，故有如下方程成立解上述方程组得选R=Rfb后得到式中，20:3314MCS-51对8位DAC接口以8位DAC为例，讨论MCS-51对DAC的接口电路原理和接口程序设计。（1）直通方式（2）单缓冲方式（3）双缓冲方式3、MCS-51和D/A接口20:3315直通方式DI7~DI0可直通地到达8位DAC寄存器，进行D/A转换。常用于不带微控制器的控制系统中。注意：该方式的特点是/WR1、/WR2、/CS和/XFER都接地。当/CS=0、/WR1=0、ILE=1时，DAC内部的8位输入寄存器和DI7-DI0直通。当/WR2=0、/XFER=0时，DAC内部的8位输入寄存器和8位DAC寄存器直通。因此，DI7-DI0上数字量可直接输入，并被转换为相应模拟电压3、MCS-51和D/A接口20:3316单缓冲方式单片机应用系统中，DAC用作单缓冲电压输出的电路图图中，DAC0832的选口地址为FEH通过编程可分别实现如下输出波形：1）锯齿波2）三角波3）方波3、MCS-51和D/A接口20:33171）锯齿波2）三角波循环256次，Vout从0到负最大后又回到03、MCS-51和D/A接口20:33183、MCS-51和D/A接口3）方波20:3319双缓冲方式例题：请编出能把内部RAM以DA1和DA2为始址的数据块中数据以图表形式在示波器屏幕上显示的程序。3、MCS-51和D/A接口20:33203、MCS-51和D/A接口求解：DA1为始址的数据块（块长为30）→1#DAC0832DA2为始址的数据块（块长为30）→2#DAC0832指针分配：R0—FDH（0#区），FEH（1#区）R1—DA1始址（0#区），DA2始址（1#区）R2—块长（0#区）端口分配：FDH—1#0832数字量口FEH—2#0832数字量口FFH—0832启D/A口20:33213、MCS-51和D/A接口相应程序为若把Vx和Vy接到示波器，则可看到两条曲线显示在屏幕上。若改变DA1和DA2为始址数块中内容，则曲线形状跟着改变。20:3322MCS-51对12位DAC接口为了提高D/A转换精度，可采用10位或12位的D/A转换器。以12位DAC1208为例。DAC1208的内部结构和原理先送高8位（/LE1=0），后送低4位（/LE2=0），再启动D/A转换（/LE3=0）3、MCS-51和D/A接口20:3323MCS-51对DAC1208的连接例题：设内部RAM的DA和DA+1单元内存放一个12位数字量（DA中为高8位，DA+1中为低4位），4位输入寄存器地址是FEH，8位输入寄存器地址是FFH，12位DAC寄存器地址是FCH或FDH，试编写把12位数字量送到DAC进行转换的程序。3、MCS-51和D/A接口20:33243、MCS-51和D/A接口20:3325A/D转换器是一种能够把输入模拟量转换成与它成正比的数字量，以便为单片机所接收。A/D转换器是单片机在模拟环境中应用的数据转换接口。A/D转换的步骤：采样过程+量化过程1、A/D转换的基本原理2、A/D转换器的性能指标3、MCS-51和A/D接口二、A/D转换器及接口技术20:3326A/D转换器的类型1、A/D转换的基本原理常用的A/D转换器特点计数器式1）结构简单，造价低2）转换速度慢，用于仪器/仪表双积分式1）转换精度高2）转换速度慢，用于仪器/仪表逐次比较式1）精度高，速度快2）结构不太复杂，应用广泛并行A/D式1）精度高，速度极快2）结构复杂，造价高逐次比较式并行A/D式20:3327逐次比较式A/D转换器工作过程：1、控制电路先令N位寄存器最高位为“1”，经N位D/A转换网络后产生Vs电压。2、比较器对Vi和Vs进行比较。若Vi≥Vs，则比较器输出使N位寄存器最高位=1若ViVs，则比较器输出使N位寄存器最高位=03、同样比较次高位及其后各位，比较完成后控制电路令DONE=1（）4、CPU查询/响应DONE上中断，可从N位寄存器获得相应数字量1、A/D转换的基本原理举例：若满量程输出=5V（8位A/D）20:3328并行A/D转换器工作过程：1、VREF经23-1次分压成：作为比较器C7,C6,…C1的标准输入电压2、比较器C7,C6,…C1把输入电压Vx和标准电压比较。若Vx≥标准电压，则相应触发器Q置位若Vx标准电压，则相应触发器Q复位3、触发器Q端经异或门送M3、M2、M1输入端，并由M3、M2和M1输出数字量。1、A/D转换的基本原理演示：Vx=7/14VREFVREF……VREF131411420:33292、A/D转换器的性能指标转换速度定义：完成1次A/D转换所需时间的倒数，但通常以转换时间来表征例如：逐次逼近式A/D转换时间约100μs转换精度模拟误差：由电阻、电容和基压波动而引起的误差。数字误差：丢失码误差（某位触发器坏死造成的误差）。量化误差：和数字量位数有关，位数↑，误差↓。例如：设3位A/D转换器的I/O外特性为：显然，输入模拟量为0.5V、1.5V…6.5V时，量化误差最大为±0.5V。因此，量化误差为分辨率的一半0V1V2V3V4V5V6V7V000B001B010B011B100B101B110B111B20:33303、MCS-51和A/D接口ADC0809由NSC（美国国民半导体公司）研制，是8位A/D芯片，可以和单片机直接接口，是ADC0808的姐妹产品ADC0809内部结构1、地址锁存和译码器：控制8路模拟开关中哪一路输入比较器20:3331ADC0809引脚功能（28条）1）IN7-IN0(8条)：用于输入被转换模拟电压2）地址线和控制线（4条）ADDA、ADDB和ADDC：输入地址码，指示IN7-IN0中哪一路和Vin相连。ALE：控制地址码的输入3）数字量输出线和控制线（11条）2-1-2-8：数字量输出线，2-1为最高位START：启动脉冲输入线,上升沿清零SAR,下降沿启动A/D转换EOC：转换结束输出线；OE：输出允许线4）电源线（5条）CLOCK：时钟（640K）脉冲输入线；Vcc：+5V；GND：地线，VREF（+）和VREF（-）：参考电压输入线3、MCS-51和A/D接口20:3332MCS-51和A/D接口MCS-51对A/D的接口必须弄清如下三个问题：（1）要给START线送一个正脉冲（2）从EOC线上获取状态信息（是A/D转换的结束标志）（3）给OE线一个高电平，就可提取A/D后的数字量。MCS-51和A/D的接口通常有两种工作方式：中断法：把EOC上信号取反后作为中断请求信号；查询法：对EOC上信号进行查询，当它为低电平时表示A/D转换已完成，便可从ADC芯片取走A/D后的数字量。分以下两个问题进行讨论：一、MCS-51对ADC0809接口二、MCS-51对AD574A接口3、MCS-51和A/D接口20:3333MCS-51对ADC0809接口ADC0809内部有一个8位三态输出锁存器，可以锁存A/D转换后的数字量，故A/D芯片本身就可看作一个输入设备。电路连接及工作过程3、MCS-51和A/D接口1）CPU给STA