數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口71DA轉(zhuǎn)換器.pptVIP

第7章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口,7.1 D/A轉(zhuǎn)換器,7.2 MCS-51單片機(jī)與8位D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù),7.4 D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)舉例,7.5 A/D轉(zhuǎn)換器,下頁,概 述,在微機(jī)過程控制和數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中，經(jīng)常要對 過程參數(shù)進(jìn)行測量和控制 。,連續(xù)變化的物理量,如：溫度、壓力、流量 速度、位移 等等,物理過程,單片機(jī),傳感器,A/D,D/A,執(zhí)行機(jī)構(gòu),物理過程,過程控制儀表示意圖,模擬量,實(shí)現(xiàn)模擬量 到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)數(shù)字量 到模擬量的轉(zhuǎn)換,AI,AO,一、 DA轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù),有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。,（1）、分辨率,如十位DAC分辨率：,（2）、偏移誤差,它是指輸入數(shù)字量為0時(shí)，輸出模擬量對0的偏移值,即輸出電壓的大小正比于輸入二進(jìn)制數(shù)的大小，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換,（4）、精度,輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差。即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。參考電壓波動是影響因素之一。,（5）、轉(zhuǎn)換速度,即每秒鐘可以轉(zhuǎn)換的次數(shù)，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換時(shí)間。,上頁,下頁,回目錄,（3）、線性度,是指D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際轉(zhuǎn)移特性與理想直線之間的最大誤差或最大偏移,8.2 MCS-51單片機(jī)與8位D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù),一、0832的技術(shù)指標(biāo), 分辨率8位； 電流穩(wěn)定時(shí)間1s； 可雙緩沖，單緩沖或直接數(shù)字輸入； 只需在滿量程下調(diào)整其線性度； 單一電源供電(+5V+15V)； 低功耗，20mW；,二、DAC0832的結(jié)構(gòu)及原理,8位DAC:將00H0FFH轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬直流電壓,輸入寄存器,DAC寄存器,D/A轉(zhuǎn)換器,三大部分組成：,一個(gè)8位輸入寄存器 一個(gè)8位DAC寄存器 一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器,為寄存命令。當(dāng) =1時(shí)，寄存器的輸出隨輸入變化； =0時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存在寄存器中，而不隨輸入數(shù)據(jù)的變化而變化,原理：,當(dāng)ILE=1, =0， =0時(shí)， =1，允許數(shù)據(jù)輸入，而當(dāng) =1時(shí)， =0，則數(shù)據(jù)被鎖存,引腳功能：,三、DAC0832管腳功能,四、8位D/A轉(zhuǎn)換器 接口方法,1、單緩沖型接口方法,(a),圖8-4(a)的接口電路是把DAC寄存器接成常通狀態(tài)；即ILE接高電平， 和 接地， 與P2.7口連接， 與單片機(jī)的 端連接。,(b),圖8-4(b)的接口電路是把輸入寄存器接成常通狀態(tài)；即ILE接高電平， 、 接地， 與P2.7口連接， 與單片機(jī)的 端連接。,(c),圖8-4(c)的接口電路使兩個(gè)寄存器同時(shí)選通及鎖存；即將ILE接高電平 ， 和 與單片機(jī)的 連接， 和 與P2.7口連接。,圖8-5 雙緩沖型接口電路,主要應(yīng)用在多路D/A轉(zhuǎn)換器同步系統(tǒng)中。,2、 雙緩沖型接口方法,五、D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式,1、單極性輸出,輸出與數(shù)字量DATA相對應(yīng) 模擬量： MOV DPTR，#7FFFH MOV A，#DATA MOVX DPTR,A,表8-1 單極性輸出D/A關(guān)系,數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換關(guān)系：,單極性輸出接口系統(tǒng)設(shè)計(jì),題目要求：若在外部RAM區(qū)6000H607FH單元中存放著一個(gè)控制模型（128個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)），要求實(shí)現(xiàn)如下功能：按順序從6000H開始的存貯區(qū)域中取出一個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)送往D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓輸出，經(jīng)過t延時(shí)后，再取下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成電壓輸出。直到128個(gè)字節(jié)都轉(zhuǎn)換完畢。再從頭重復(fù)執(zhí)行上述過程。,6264地址范圍：6000H7FFFH,DAC0832地址：0BFFFH,ORG 0H LJMP DA0 ； DA0： MOV R7，#128 ；置數(shù)據(jù)長度 MOV DPTR，#6000H ；預(yù)置暫存器 DA1： MOVX A，DPTR ；取數(shù) MOV P2，#0BFH ；置D/A指針高8位 MOV R0，#0FFH ；置D/A指針低8位 MOVX R0，A ；送數(shù) INC DPTR ；指向下一個(gè)數(shù)據(jù) LCALL DLY ；調(diào)延時(shí)ts DJNE R7，DA1 ；128個(gè)數(shù)未完則轉(zhuǎn) LJMP DA0 ；重新開始 END ；結(jié)束,程序設(shè)計(jì),2、雙極性輸出,VO2= (R2/R3)VO1+(R2/R1) VREF) 代入R1、R2、R3的值，可得： VO2= (2VO1VREF) 設(shè)VREF =5V ： 當(dāng)數(shù)字量=00H時(shí)，VO1=0V， VO2= 5V； 當(dāng)數(shù)字量=80H時(shí)，VO1= 2.5V，VO2=0V， 當(dāng)數(shù)字量=00H時(shí)，VO1= 5V， VO2=5V。,運(yùn)算放大器U3的作用是把運(yùn)算放大器U2的單向輸出電壓轉(zhuǎn)變成雙向輸出，其輸出電壓：,表8-2 雙極性輸出D/A關(guān)系 ,電壓波形發(fā)生器,1、硬件設(shè)計(jì),(1) 反向鋸齒波程序清單 MSW：MOV DPTR，#0BFFFH ；指向D/A輸入寄存器 DA0： MOV R7，#80H ；置輸出初值 DA1： MOV A，R7 ；數(shù)字量送A MOVX DPTR，A ；送D/A轉(zhuǎn)換 DJNZ R7，DA1 ；修改數(shù)字量 AJMP DA0 ；重復(fù)下一個(gè)波形,2、軟件設(shè)計(jì),(a),(2) 正向鋸齒波程序清單 PSW： MOV DPTR，#0BFFFH ；指向D/A輸入寄存器 DAP0：MOV R7，#80H ；置輸出初值 DAP1：MOV A，R7 ；數(shù)字量送A MOVX DPTR，A ；送D/A轉(zhuǎn)換 INC R7 ；修改數(shù)字量 CJNE R7，#255，DAP1 ；數(shù)字量255，轉(zhuǎn)DAP1 AJMP DAP0 ；重復(fù)下一個(gè)波形,(3) 三角波程序清單 SSW： MOV DPTR，#0BFFFH DAS0： MOV R7，#80H DAS1： MOV A，R7 ;80H0FEH MOVX DPTR，A INC R7 CJNE R7，#255，DAS1 DAS2: MOV A，R7 ;0FFH81H MOVX DPTR，A DEC R7 CJNE R7，#80H，DAS2 AJMP DAS0,+5V,(4) 正弦波電壓輸出 正弦波電壓輸出為雙極性電壓，最簡單的辦法是將一個(gè)周期內(nèi)電壓變化的幅值(-5V+5V)按8位D/A分辨率分為256個(gè)數(shù)值列成表格，然后依次將這些數(shù)字量送入D/A轉(zhuǎn)換輸出。只要循環(huán)不斷地送數(shù)，在輸出端 就能獲得正弦波輸出。 SIN： MOV R7，#00H DAS0： MOV A，R7 ； MOV DPTR，#TABH；設(shè)指針 MOVC A，A+DPTR ；取數(shù)據(jù) MOV DPTR，#8000H ； MOVX DPTR，A ；送D/A轉(zhuǎn)換 INC R7 ；修改偏移量 AJMP DAS0 ； TAB： DB 80H，83H，86H，89H，8DH，90H DB 93H，96H，99H，9CH，9FH，0A2H DB 0A5H，0A8H，0ABH，0AEH DB 6FH，72H，76H，79H，7CH，80H,8.5 A/D轉(zhuǎn)換器,把連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)位數(shù)的數(shù)字量。,廣泛應(yīng)用的三種類型ADC: 逐次逼近型ADC,如8位ADC0809,12位ADC1210,AD574等； 雙斜率式積分式ADC，如MC14433(三位半)，icl7135(四位半)等； V/F變換式ADC，如LM331,AD650等,ADC的主要技術(shù)指標(biāo),其他重要指標(biāo)：工作溫度、精度、量程等,器件的最小量化單位，通常用數(shù)字量的位數(shù)累表示。位數(shù)越高，分辨率越高，轉(zhuǎn)換期間對輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。,完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。表明器件速度的快慢，逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間是微妙級的，雙斜率式積分式ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間是百毫秒級的，V/F變換式ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間根據(jù)精度要求確定達(dá)到哪個(gè)秒級。,1、分辨率：,2、轉(zhuǎn)換時(shí)間：,8.6 MCS-51單片機(jī)與8位A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù),1、ADC0809的主要功能：, 分辨率為8位。 總的不可調(diào)誤差在(1/2)LSB和1LSB范圍內(nèi)。 典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s。 具有鎖存控制的8路多路開關(guān)。 具有三態(tài)緩沖輸出控制。 單一+5V供電，此時(shí)輸入范圍為05V。 輸出與TTL兼容。 工作溫度范圍4085。,(1) IN0IN7：8個(gè)模擬量輸入端。,(2) VREF (+)，VREF ()：正負(fù)參考電壓，用來提供D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)參考電壓。一般VREF (+)接+5V高精度參考電源，VREF ()接模擬地。,(3)START：啟動A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)START為高電平時(shí)，A/D開始轉(zhuǎn)換。,(4) EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，由低電平轉(zhuǎn)為高電平。此信號可用作A/D轉(zhuǎn)換是否完成的查詢信號或向CPU請求中斷的信號。,2、引腳介紹,OE（OUTPUT ENABLE）：輸出允許信號或稱為A/D數(shù)據(jù)讀信號。當(dāng)此信號為高電平時(shí)，可從A/D轉(zhuǎn)換器中讀取數(shù)據(jù)。此信號可作系統(tǒng)中的片選信號。 CLK：工作時(shí)鐘，最高允許值為1.2MHz，可通過外接振蕩電路改變頻率，也可用系統(tǒng)ALE分頻獲得，當(dāng)CLK為640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s。 (6) ALE：通道地址鎖存允許，上升沿有效，鎖存C、B、A通道地址，則選中的通道的模擬輸入送A/D轉(zhuǎn)換器。 (7) A、B、C：通道地址輸入，C為最高，A為最低。 (8) D0D7：數(shù)字量輸出線。 (10) VCC，GND：電源電壓VCC接+5V，GND為數(shù)字地。,3、轉(zhuǎn)換時(shí)序,4、 8031與ADC0808/0809接口設(shè)計(jì),接模擬量,例8-1 模擬量由通道0輸入，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量之后存入內(nèi)部RAM的40H單元中。 程序清單： MOV R0，#40H ；置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針 MOV DPTR，#7FF8H ；置IN0通道地址 MOVX DPTR，A ；IN0接A/D，并啟動A/D JB P3.2，$ ；為高，則繼續(xù)查詢 MOVX A，DPTR ；數(shù)據(jù)讀入A MOV R0，A ；存入40H單元,(1) 程序查詢方式,根據(jù)測量系統(tǒng)要求不同以及CPU忙閑程度，通常多采用三種軟件編程控制方式：程序查詢方式、延時(shí)方式和中斷控制方式。,2. ADC0808/0809轉(zhuǎn)換器程序設(shè)計(jì)方法,程序清單：CLR A ； MOV R2，A ； MOV R3，A ；清除工作單元R3R2 MOV R7，#8；作采樣次數(shù)計(jì)數(shù)器 MOV DPTR，#7FFFH ；選IN7通道 L1：MOVX DPTR，A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換 JB P3.2，$ ；等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束 MOVX A，DPTR ；采樣 ADD A，R2 ；加低8位 MOV R2，A ；存低8位 MOV A，R3 ；取高8位 ADDC A，#0 ；加CY MOV R3，A ；存高8位 DJNZ R7，L1 ；未完則繼續(xù),MOV R7，#3 ；R7作移位計(jì)數(shù)器 L2: CLR C ；清除CY MOV A，R3 ； RRC A ； MOV R3，A ； MOV A，R2 ； RRC A MOV R2，A ； DJNZ R7，L2 ；R3R2內(nèi)容右移三次即除8 MOV 7FH，A ；存算術(shù)平均值,例8-2 求通道7模擬量8次采樣的算術(shù)平均值，并存入內(nèi)部RAM的7FH單元中。,這種取8次采樣平均值的方法，可以消除干擾，使采樣數(shù)據(jù)更穩(wěn)定可靠。,(2) 延時(shí)方式讀取ADC值,若8031的晶振為6MHz，ALE為1MHz，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100s，則延時(shí)程序清單如下： MOV Rn，#25 ；延時(shí)常數(shù) DJNZ Rn，$ ；重復(fù)執(zhí)行一次4s 為了確保轉(zhuǎn)換完成，延時(shí)時(shí)間一定要大于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間,(3) 中斷采樣方式,采用中斷方式。在中斷方式中，CPU啟動A/D轉(zhuǎn)換后，可以繼續(xù)執(zhí)行主程序。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，發(fā)出一轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC，該信號經(jīng)反相器接8031的P3.2()引腳，向CPU發(fā)出中斷請求。CPU響應(yīng)中斷后，即可讀入數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。,例8-3 根據(jù)圖8-22接口電路連接圖，采用中斷方式對IN0通道的模擬輸入量依次采樣16個(gè)點(diǎn)，存放在內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器70H7FH單元中待用。 程序分為三部分： 初始化程序：對中斷和各工作單元初始化； 主程序：啟動A/D轉(zhuǎn)換、控制通道地址/數(shù)據(jù)存貯器地址修改； 中斷服務(wù)程序：讀取A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)、送存。,程序清單如下： ORG 0 LJMP START ORG 03H LJMP INT0P；初始化程序 START： MOV R0，#70H ； RAM首地址 MOV R7，#16 ； 計(jì)數(shù)器 MOV SP，#3FH ； 設(shè)堆棧區(qū) SETB IT0 ； 邊沿觸發(fā) SETB EX0 ； 開中斷 SETB EA ； CPU開中斷 MAIN0： MOV DPTR，#7FF8H；通道首址MAIN： CLR F0 ； 清F0 MOVX DPTR，A ；啟動轉(zhuǎn)換 TEST: JNB F0，DONE ； 測試 DJNZ R7，MAIN ；16個(gè)點(diǎn)未 完，則繼續(xù) ； DONE： ； 繼續(xù)執(zhí)行 SJMP TEST,；中斷處理程序 INT0P： PUSH ACC ；進(jìn)棧 SETB F0 ；置位F0 MOVX A，DPTR；讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) MOV R0，A ；A/D數(shù)據(jù)送存RAM INC R0 ；地址加1 POP ACC ；退棧 RETI ；返回,8.8 測控系統(tǒng)中的模擬量輸入通道,8.8.1 模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式,1. 共享采/保電路和A/D轉(zhuǎn)換器方式,2. 多路采/保電路共享A/D轉(zhuǎn)換器方式,3. 多路A/D轉(zhuǎn)換器并行工作方式,8.8.2 多通道模擬開關(guān),目前，可供微機(jī)測控系統(tǒng)使用的集成化多通道模擬開關(guān)有4選1，雙4選1，8選1，雙8選1和16選1五種類型。常用的芯片有CD4051(8選1)，CD4052(雙4選1)，AD7501/AD7503(8選1)，AD7506(16選1)，DG508(8選1)等。,模擬輸入端,模擬輸出端,正電源（+5 +15）,負(fù)電源（-5 -15）,通道地址線,禁止控制端,電源地線,多通道模擬開關(guān)的擴(kuò)展應(yīng)用,用兩片CD4051和一反相器可組成16選1的16通道模擬開關(guān)電路,8.8.4 采樣/保持電路,對于一個(gè)動態(tài)模擬信號在模擬轉(zhuǎn)換過程中，輸入的模擬信號是不確定的，從而引起轉(zhuǎn)換器輸出的不確定性誤差，直接影響轉(zhuǎn)換精度,要求輸入模擬量在整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中被“凍結(jié)”起來，保持不變。但在轉(zhuǎn)換之后，又要求A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端能跟蹤輸入模擬量的變化，能完成上述任務(wù)的器件叫采樣/保持電路，簡稱采/保(S/H)。,最基本的采/保電路由模擬開關(guān)，保持電容和緩沖放大器組成,采/保集成電路,最常用的采/保集成電路有AD582、AD583、AD585以及國家半導(dǎo)體公司的LF398等。,保持電容CH值的大小一般由采樣頻率和系統(tǒng)所要求的采樣精度來選擇，采樣頻率越高，CH值越小，但此時(shí)輸出衰減速度加快，采樣精度下降，因此兩者需要綜合考慮。通常在一些采樣檢測的系統(tǒng)中，CH值一般選擇在幾百pF到0.01F之間。,8.9 A/D轉(zhuǎn)換中數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì),在A/D轉(zhuǎn)換過程中，由于被測對象工作環(huán)境有時(shí)比較惡劣，輸入信號中常含有各種噪聲和干擾，如電場、磁場以及溫濕度場等的輻射引起的干擾，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度,需采取一定的抗干擾措施.,微機(jī)組成的測控系統(tǒng)中則常采用數(shù)字濾波的方法,8.9.1 算術(shù)平均值法濾波,算術(shù)平均值法是按輸入N個(gè)采樣數(shù)據(jù)Xi(i=1N)計(jì)算它們的算術(shù)平均值作輸入信號Y，即：,對速度要求不高的系統(tǒng)可采用這一方法,8.9.2 中值法濾波,對參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N為奇數(shù)),從大到小或從小到大，按遞增或遞減順序排序,取中間值作本次采樣值,可提高采樣精度，它不像算術(shù)平均值法濾波連同干擾信號一同計(jì)算進(jìn)去，檢測結(jié)果仍受到一定影響，但若N較大，N次采樣時(shí)間仍比較長。,8.9.3 滑動平均值法濾波,在RAM區(qū)中設(shè)置一個(gè)先進(jìn)先出的循環(huán)隊(duì)列作測量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其長度固定為N，每采樣一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將其存入隊(duì)尾，而丟掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，而后求出包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這樣每進(jìn)行一次采樣，就可計(jì)算出一個(gè)新的平均值，從而提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和測量精度。,8.9.4 程序判斷法濾波,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定兩次采樣值所允許的最大偏差x。若先后兩次的采樣XnXn1x，則表明該輸入是干擾信號，應(yīng)該丟掉，用上次采樣值作本次采樣值；若XnXn1x，則表明本次采樣值沒有受到干擾，本次采樣有效。當(dāng)采樣值xi0時(shí)，則應(yīng)求補(bǔ)取其絕對值。,8.9.5 復(fù)合法數(shù)字濾波,為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度，有時(shí)可以把兩種或兩種以上濾波方法結(jié)合起來使用，組成復(fù)合數(shù)字濾波器，或稱為多級數(shù)字濾波器。例如，先采用程序判斷法采樣A/D轉(zhuǎn)換器，去掉電網(wǎng)波動和傳感器失真，然后用算術(shù)平均值法濾波，使檢測數(shù)據(jù)更逼近真實(shí)情況。也可以采用中值法濾波，比如連續(xù)采樣3次，去其中最大值和最小值，取其中間值，有效地去掉干擾信號，再用滑動平均值法濾波，既提高了速度，又提高了系統(tǒng)精度，獲得理想的濾波效果。,8.6 MCS-51單片機(jī)與12位A/D轉(zhuǎn)換器接口技術(shù),1、AD574的主要功能：, 分辨率：12位 非線性誤差：(1/2)LSB 模擬輸入 (兩個(gè)量程)：雙極性5V、10V，單極性010V、020V。 供電電源：VLOGIC邏輯電源+5V，VCC（+12V/+15V），VEE（12V/15V）。 內(nèi)部參考電平10.000.1(max)V 轉(zhuǎn)換時(shí)間25s 低功耗390mW,(1) DB0DB11：12位數(shù)據(jù)。,(2) 片選線，低電平有效,(3) CE ：片使能，高電平有效。 CE 均有效時(shí)，AD574才能操作，否則處于禁止操作狀態(tài)。,2、引腳介紹,(4) R/ ：讀出和啟動轉(zhuǎn)換控制線：當(dāng)R/ =0時(shí)，啟動AD574轉(zhuǎn)換；當(dāng)R/ =1時(shí)，讀AD574轉(zhuǎn)換結(jié)果。 ,表8-3 AD574控制信號真值表,R/,12/,低4位加上尾隨4個(gè)0,1,地,1,0,1,高8位并行輸出,0,地,1,0,1,12位并行輸出,+5V,1,0,1,啟動8位轉(zhuǎn)換,1,0,0,1,啟動12位轉(zhuǎn)換,0,0,0,1,禁止,1,禁止,0,工作狀態(tài),A0,CE,(7) STS：轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號輸出。STS