《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)與實(shí)訓(xùn)》第七章

1、第七章第七章 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換原理及應(yīng)用模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換原理及應(yīng)用7.1 用用TLC2543組成簡易模擬溫度報警系統(tǒng)組成簡易模擬溫度報警系統(tǒng)7.2 用用TLC5615 構(gòu)成簡易波形發(fā)生器構(gòu)成簡易波形發(fā)生器7.1.1 任務(wù)要求與效果呈現(xiàn)任務(wù)要求與效果呈現(xiàn) 7.1.1 任務(wù)要求與效果呈現(xiàn)任務(wù)要求與效果呈現(xiàn) 用AT89C51與TLC2543組成溫度報警電路，用10K電位器滑動臂輸入05V電壓模擬溫度輸入信號0500攝氏度，當(dāng)溫度超過指定值200攝氏度時，LED發(fā)光報警。效果如圖7-1所示。圖7-1 簡易模擬溫度報警器 7.1.2 相關(guān)知識與任務(wù)分析相關(guān)知識與任務(wù)分析1模/數(shù)轉(zhuǎn)換器原理 A/D轉(zhuǎn)換器是用來

2、通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法很多，常用的有逐次逼近法、雙積分法及電壓頻率轉(zhuǎn)換法等。其中，采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器速度快、分辨率高、成本低，在計算機(jī)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的主要性能參數(shù) 分辨率 它表明A/D對模擬信號的分辨能力，由它確定能被A/D辨別的最小模擬量變化。一般來說，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，其分辨率則越高。實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器，通常為8，10，12，16位等。 量化誤差 在A/D轉(zhuǎn)換中由于整量化產(chǎn)生的固有誤差。 轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間是A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間。一般轉(zhuǎn)換速度越快越好，常見有高速（轉(zhuǎn)換時間1us）、

3、中速（轉(zhuǎn)換時間1ms）和低速（轉(zhuǎn)換時間1s）等。 絕對精度 對于A/D，指的是對應(yīng)于一個給定量，A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差大小由實(shí)際模擬量輸入值與理論值之差來度量。 相對精度 對于A/D，指的是滿度值校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字輸出所對應(yīng)的實(shí)際模擬輸入值（中間值）與理論值（中間值）之差。例如，對于一個8位0+5V的A/D轉(zhuǎn)換器，如果其相對誤差為1LSB，則其絕對誤差為19.5mV，相對誤差為0.39%。3TLC2543 芯片介紹 圖7-3 TLC2543引腳1）TLC2543的引腳功能如圖7-3所示。各引腳名稱及功能如下： A IN0A IN10： 模擬輸入端； /CS ： 片選端； DIN： 串行數(shù)據(jù)

4、輸入端； DOUT： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端； EOC： 轉(zhuǎn)換結(jié)束端； CLK： I/O時鐘； REF+ ：正基準(zhǔn)電壓端； REF- ：負(fù)基準(zhǔn)電壓端； VCC ：電源； GND： 地。2）TLC2543 工作原理 控制字的格式 控制字為從DATE INPUT端串行輸入的8 bit數(shù)據(jù), 它規(guī)定了TLC2543要轉(zhuǎn)換的模擬量通道、轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)長度以及輸出數(shù)據(jù)的格式。 高4 bit （D7D4）：決定模擬輸入通道號，對于0通道至10通道，該4bit為00001010H，當(dāng)為10111101時，用于對TLC2543的自檢，分別測試(Vref+ +Vref- ) /2、Vref + 、Vref-的值

5、，當(dāng)為1110時, TLC2543進(jìn)入休眠狀態(tài)。 低4 bit（D3D0）：決定輸出數(shù)據(jù)長度及格式。其中D3、D2決定輸出數(shù)據(jù)長度，01表示輸出數(shù)據(jù)長度為8 bit，11表示輸出數(shù)據(jù)長度為16 bit，其他為12 bit。D1決定輸出數(shù)據(jù)是高位先送出，還是低位先送出，為0表示高位先送出，D0決定輸出數(shù)據(jù)是單極性（二進(jìn)制）還是雙極性（2的補(bǔ)碼），若為單極性，該位為0，反之為1。 轉(zhuǎn)換過程 上電后，片選/CS必須從高到低，才能開始一次工作周期，此時EOC為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為0，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機(jī)的。開始時，片選/CS為高, I/O CLOCK、DATA INPUT被禁止，DATA O

6、UT呈高阻狀態(tài)，EOC為高。使/CS變低，I/O CLOCK、DATA INPUT使能，DATA OUT脫離高阻狀態(tài)。12個時鐘信號從I/O CLOCK端依次加入，隨著時鐘信號的加入，控制字從DATA INPUT一位一位地在時鐘信號的上升沿時被送入TLC2543 (高位先送入) ，同時上一周期轉(zhuǎn)換的A /D數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DATA OUT一位一位地移出。 TLC2543收到第4個時鐘信號后，通道號也已收到，此時TLC2543開始對選定通道的模擬量進(jìn)行采樣，并保持到第12個時鐘的下降沿。在第12個時鐘下降沿，EOC變低，開始對本次采樣的模擬量進(jìn)行A /D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間約需10s，

7、轉(zhuǎn)換完成后EOC變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個工作周期輸出，此后,可以進(jìn)行新的工作周期。對TLC2543的操作，關(guān)鍵是理清接口時序圖和寄存器的使用方式。TLC2543的接口時序圖如圖7-4所示。圖7-4 在/CS使能的前提下，使用12 bit模式的接口時序圖4任務(wù)分析 用TLC2543設(shè)計本任務(wù)，其要點(diǎn)是： 1）能根據(jù)實(shí)際要求，考察選用的ADC之分辨率、轉(zhuǎn)換速度、量化誤差等是否符合要求。 2）必須掌握TLC2543的引腳、A/D轉(zhuǎn)換基本過程和使用方法。 3）由于TLC2543帶有串行外設(shè)接口（SPI），而51單片機(jī)沒有SPI接口，所以需要掌握用軟件實(shí)現(xiàn)SPI功能的方法，同時必須處

8、理好TLC2543與單片機(jī)的接口電路。7.1.3 硬件與軟件設(shè)計硬件與軟件設(shè)計1硬件設(shè)計XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A

9、922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51X112MC122pFC222pFC310uFR110k+5V+5VSW1AIN12AIN23AIN34AIN45AIN56AIN67AIN78AIN89AIN911AIN1012REF+14REF-13AIN01SDO16SDI17CS15EOC19CLK18U2TLC2543RV11kR2330D1LED-YELLOW+88.8Volts圖7-5 “簡易模擬溫度報警系統(tǒng)”電路2軟件設(shè)計圖7-6 “簡易模擬溫度報警系統(tǒng)”程序流程圖程序流程見圖7-6，參考代碼見項(xiàng)目包。7

10、.2 用串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片用串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5615 構(gòu)成簡易波形發(fā)生器構(gòu)成簡易波形發(fā)生器7.2.1 任務(wù)要求與效果呈現(xiàn)任務(wù)要求與效果呈現(xiàn) 用AT89C51與TLC5615組成波形發(fā)生器，用按鍵選擇產(chǎn)生的波形，及鋸齒波還是矩形波。用示波器觀察波形，設(shè)定參數(shù)，使輸出波形、輸出電壓幅值及周期符合相應(yīng)要求。 7.2.2 相關(guān)知識及任務(wù)分析相關(guān)知識及任務(wù)分析1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器原理 D/A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路。數(shù)字量輸入的位數(shù)有8位、12位和16位等，輸出的模擬量有電流和電壓兩種。 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入量是數(shù)字量D，輸出量為模擬量o，要求輸出量與輸入量成正比，即o=DVR,其中VR 為基準(zhǔn)

11、電壓。 數(shù)字量是由一位一位的數(shù)字構(gòu)成，每個數(shù)位都代表一定的權(quán)。例如10000001，最高位的權(quán)是27，所以此位上的代碼1表示數(shù)值1128。因此，數(shù)字量D可以用每位的權(quán)乘以其代碼值，然后各位相加。圖7-8 簡單的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 例如，4個權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器如圖7-8所示。電阻阻值按2n（2的n次方）分配，接入與否由數(shù)字量控制，運(yùn)放輸入電流： 運(yùn)放輸出電壓：Vo=-IoRF。設(shè)RF=R/2，d1d2d3d4=1000，VR=5V，則RVdRVdRVdRVdIdIdIdIdIRRRRO8421432144232211)2222(244332211ddddRVRVVRRVVRRO5 . 2

12、212)1610810410211 (22數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）的主要性能參數(shù)1）分辨率 分辨率表明DAC對模擬量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所對應(yīng)的模擬量，它確定了能由D/A產(chǎn)生的最小模擬量的變化。通常用二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示DAC的分辨率，如分辨率為8位的D/A能給出滿量程電壓的1/（28）的分辨能力，顯然DAC的位數(shù)越多，則分辨率越高。2）線性誤差 D/A的實(shí)際轉(zhuǎn)換值偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大偏差與滿量程之間的百分比稱為線性誤差。3）建立時間 這是D/A的一個重要性能參數(shù)，定義為：在數(shù)字輸入端發(fā)生滿量程碼的變化以后，D/A的模擬輸出穩(wěn)定到最終值1/2LSB時所需要的時間。4）溫度靈敏度

13、它是指數(shù)字輸入不變的情況下，模擬輸出信號隨溫度的變化。一般D/A轉(zhuǎn)換器的溫度靈敏度為50PPM/。PPM為百萬分之一。5）輸出電平 不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電平相差較大，一般為5V10V，有的高壓輸出型的輸出電平高達(dá)24V30V。3TLC5615介紹 圖7-9 8腳PDIP封裝引腳圖表7-1 TLC5615引腳功能一覽表1）引腳及功能2）TLC5615的工作原理 串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5615的使用方式有兩種, 即級聯(lián)方式和非級聯(lián)方式。本項(xiàng)目采用非級聯(lián)方式，輸入數(shù)據(jù)序列如下圖所示。DIN只需輸入12位數(shù)據(jù), 前10位為輸入TLC5615的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù), 輸人時高位在前, 低位在后, 后兩位

14、寫入數(shù)值零。 第二種方式為級聯(lián)方式,，即16 位數(shù)據(jù)序列，輸入數(shù)據(jù)序列如圖7-12所示?？梢詫⒈酒腄OUT 接到下一片的DIN , DIN需要先后輸入高4 位虛擬位、10 位有效位和低2 位填充位, 由于增加了高4 位虛擬位, 所以需要16 個時鐘脈沖。 TLC5615使用通過固定增益為2的運(yùn)放緩沖的電阻串網(wǎng)絡(luò)，把10位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位模擬電壓電平，TLC5615的輸出具有與基準(zhǔn)輸入相同的極性。無論工作在哪一種方式,輸出電壓為：V OUT = 2V REFIN N / 1024 其中, VREFIN 是參考電壓, N 為輸入的二進(jìn)制數(shù)。 圖7-12 TLC5615的級聯(lián)方式下的數(shù)據(jù)序列4任務(wù)分

15、析 根據(jù)任務(wù)要求，用AT89C51與TLC5615組成波形發(fā)生器，其設(shè)計要點(diǎn)是：1）掌握TLC5615的工作原理以及與單片機(jī)的連接方法。2）根據(jù)實(shí)際要求，查看DAC芯片的性能指標(biāo)是否滿足要求，比如分辨率、輸出電平等。3）由于TLC5615的三線接口與SPI串行標(biāo)準(zhǔn)兼容，而51單片機(jī)沒有SPI接口，所以需要掌握用軟件實(shí)現(xiàn)SPI功能的方法。4）能根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整輸出波形、輸出電壓的幅值及周期。7.2.3 硬件與軟件設(shè)計硬件與軟件設(shè)計1硬件設(shè)計XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A82