項(xiàng)目8 AD與DA轉(zhuǎn)換電路

1、項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D與與D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路8.1 A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用用于AD轉(zhuǎn)換的芯片種類很多，按其工作原理分為計數(shù)比較型、逐次逼近比較型、雙積分型等。不同AD轉(zhuǎn)換器芯片在速度、精度和價格上均有差別，分辨率（輸出結(jié)果的二進(jìn)制數(shù)或BCD碼位數(shù)）也有8位、10位、12位及16位等。8.1.1 A/D8.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)1.分辨率分辨率是指數(shù)字量變化一個最小值時模擬信號的變化量。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入模擬信號的反應(yīng)就越靈敏。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位等。若把滿量程為5V的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，選用的A/D

2、器件的精度為8位，那么該系統(tǒng)最小可以測量的電壓為0.0195V（5/28），我們就稱其分辨率為19.5mV；若用12位的A/D器件，則其分辨率為0.00122V（5/212）；顯然位數(shù)越多，分辨率越高。項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路2.量化誤差A(yù)DC把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，用數(shù)字量近似的表示模擬量，這個過程稱為量化。量化誤差是ADC的有限位數(shù)對模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。分辨率高的A/D轉(zhuǎn)換器具有較小的量化誤差。3.零值誤差零值誤差指的是輸入信號為零時，輸出信號不為零的值。4.滿刻度誤差A(yù)/D的滿刻度誤差指的是滿刻度輸出數(shù)碼所對應(yīng)的實(shí)際輸入與理想輸入電壓之差。5.絕

3、對精度絕對精度（簡稱精度）是指在整個刻度范圍內(nèi)，任一數(shù)碼所對應(yīng)的模擬量實(shí)際輸入值與理論模擬值輸入之間的最大誤差。6.轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間。轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)是轉(zhuǎn)換速率，為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率必須保證小于或等于轉(zhuǎn)換速率。7.線性度線性度又稱為非線性度，是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際的轉(zhuǎn)換特性與理想直線的最大偏差。8.量程即所能轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路8.1.2 ADC08098.1.2 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳功能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳功能ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道、8位逐次逼近

4、式A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809可以和單片機(jī)直接連接，由于它的性能一般能滿足用戶要求且價格低廉，因此是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。下面我們主要介紹逐次逼近型ADC的典型芯片ADC0809及與單片機(jī)的接口方法。1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是采用逐次逼近法的8位AD轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)邏輯如圖8-1所示，它內(nèi)部除AD轉(zhuǎn)換部分外，還帶有鎖存功能的八通道多路模擬開關(guān)和8位三態(tài)輸出鎖存器。項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路8-1 ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8-2 ADC0809引腳配置圖項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路2.芯片引腳1)IN0I

5、N7：八個模擬量輸入端，允許8路模擬量分時輸入，共用一個AD轉(zhuǎn)換器；2)A、B、C：通道端口選擇線，C為高位地址，地址編碼關(guān)系如表8-1所示。3)ALE：地址鎖存允許，當(dāng)ALE為上升沿時，可將地址選擇信號C、B、A鎖入地址寄存器內(nèi)。4)START：啟動A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)START為上升沿時，開始AD轉(zhuǎn)換。5)EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，轉(zhuǎn)換開始后，EOC信號變低；當(dāng)轉(zhuǎn)換完畢之后，該端由低電平跳轉(zhuǎn)為高電平。6)OE：輸出允許控制端，高電平有效。此信號用以打開三態(tài)輸出鎖存器，將A/D轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)字量輸出至單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。7)CLOCK：時鐘信號輸入端，ADC0809內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號需外界

6、提供。通常使用500KHz的時鐘信號。8)D7D0：數(shù)字量輸出端。9)VREF（+）和VREF（-）：參考電壓端，一般VREF（+）= 5V， VREF（-）=0V。10)VCC、GND：+5V電源及地。地址編碼被選中的通道C B A0 0 0IN00 0 1IN10 1 0IN20 1 1IN31 0 0IN41 0 1IN51 1 0IN61 1 1IN7表8-1 通道選擇表 項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路8.1.3 8051單片機(jī)與單片機(jī)與ADC0809的接口及應(yīng)用的接口及應(yīng)用 ADC0809與8051單片機(jī)的連接如圖8-3所示。電路連接主要涉及兩個問題，一

7、是8路模擬信號通道的選擇，二是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。圖8-3 ADC0809與單片機(jī)的連接 項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路1.8路模擬通道選擇模擬通道選擇信號A、B、C分別接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址鎖存允許信號ALE由P2.0控制，則8路模擬通道的地址為0FEF8H0FEFFH，只要向0FEF8H0FEFFH中任何一個地址進(jìn)行寫操作即可啟動對指定地址的轉(zhuǎn)換。此外，通道地址選擇以作寫選通信號，這一部分電路連接如圖8-4所示。圖8-4 地址鎖存信號連接電路 8-5信號時間配合示意圖。項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與

8、與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 從圖8-4可以看到，把ALE信號與START信號接在一起了，這樣連接使得在信號的前沿寫入（鎖存）通道地址，緊接著在其后沿就啟動轉(zhuǎn)換。圖8-5是有關(guān)信號的時間配合示意圖。 啟動A/D轉(zhuǎn)換只需要一條MOVX指令。在此之前，要將P2.0清零并將最低三位與所選擇的通道好像對應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。例如要選擇IN0通道時，可采用如下兩條指令，即可啟動A/D轉(zhuǎn)換：MOV DPTR ， #FE00H ；送入0809的口地址MOVX DPTR ， A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換（IN0）項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路2.轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送A/D轉(zhuǎn)換后得

9、到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。1）定時傳送方式對于一種A/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時間為128s，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計一個延時子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。2）查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可確知轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。3）中斷方

10、式芯片EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路8.2 D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用計算機(jī)運(yùn)算處理的結(jié)果（數(shù)字量）有時需要轉(zhuǎn)換成為模擬量，送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)或其他輸出部件，以便操縱被控制對象，這一過程即為數(shù)模轉(zhuǎn)換（DA）。實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路或設(shè)備稱為DA轉(zhuǎn)換器或DAC。8.2.1 D/A8.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器輸入的是數(shù)字量，該數(shù)字量經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出的是模擬量。下面介紹與單片機(jī)幾口有關(guān)的幾個技術(shù)性能指標(biāo)。1.分辨率分辨率是D/A轉(zhuǎn)換器對輸入量

11、變化敏感程度的物理量，與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)，如果數(shù)字量德爾位數(shù)為n，則D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為2-n 這就意味著D/A轉(zhuǎn)換器能對滿刻度的2-n 輸入量做出反應(yīng)，例如，8位數(shù)的分辨率為1/256，10位數(shù)的分辨率為1/1024等。使用時，應(yīng)根據(jù)分辨率的需要來選定轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。D/A轉(zhuǎn)換器常用的有8位、10位、12位幾種。項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路2.轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是描述D/A轉(zhuǎn)換速度快慢的一個參數(shù)，指輸入數(shù)字量到輸出模擬量所需要的時間。轉(zhuǎn)換器的輸出形式為電流時，轉(zhuǎn)換時間較短;輸出形式為電壓時，由于轉(zhuǎn)換時間還要加上放大器的延時時間，故轉(zhuǎn)換時間較長，但總的來說，D

12、/A轉(zhuǎn)換速度遠(yuǎn)高于A/D轉(zhuǎn)換速度，快速的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度可達(dá)1us。3.線性度線性度是指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想直線特性之間的最大偏差。4.絕對精度絕對精度（簡稱精度）是指在整個刻度范圍內(nèi)，任一輸入數(shù)碼所對應(yīng)的模擬量實(shí)際輸出值與理論模擬值之間的最大誤差。5.接口形式D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口方便與否，主要取決于轉(zhuǎn)換器本身是否帶數(shù)據(jù)鎖存器。不帶鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器，為了保存來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，接口時要另加鎖存器，因此該轉(zhuǎn)換器必須在口線上；而自帶鎖存器的D/A轉(zhuǎn)換器，可以當(dāng)做一個輸出口，因此可以直接接在數(shù)據(jù)總線上。項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路8.2.2 DAC083

13、28.2.2 DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳功能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳功能DAC0832是并行輸入、電流輸出型的通用8位DAC0832，它具有與單片機(jī)連接簡便、控制方便、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于微機(jī)系統(tǒng)中。DAC0832每次輸入數(shù)字為8位二進(jìn)制數(shù)，基準(zhǔn)電壓范圍為-10V+10V；轉(zhuǎn)換時間為lus；數(shù)據(jù)輸入方式有直通、單緩沖、雙緩沖；單一電源供電+ 5V+15V；輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)節(jié)；功耗為20mw。1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能DAC0832內(nèi)部由1個8位輸入寄存器、1個8位DAC寄存器、一個8位DA轉(zhuǎn)換器及邏輯控制電路組成。輸入數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器構(gòu)成了兩級緩存，可以實(shí)現(xiàn)多通道同步轉(zhuǎn)換輸

14、出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8-9所示 。項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路圖8-9 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳排列圖圖8-10 DAC0832引腳排列圖項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路2.DAC0832的工作方式DAC0832芯片內(nèi)部分別設(shè)計有輸入寄存器和DAC寄存器，以便對于不同的應(yīng)用簡化硬件接。口電路設(shè)計。由于對兩個寄存器可以采用不同的控制方法，因此DAC0832可有三種不同的工作方式。1）直通工作方式當(dāng)DAC0832所有控制信號（ILE、 、 、 、 ）都為有效時，兩個寄存器處于直通狀態(tài)，此時數(shù)據(jù)線的數(shù)字信號經(jīng)兩個寄存器直接進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器

15、進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出。2)單緩沖工作方式單緩沖工作方式是使兩個寄存器始終有一個（多為DAC寄存器）處于直通狀態(tài)，另一個處于受控狀態(tài)。如使和為低電平，或?qū)⑴c相連及與相連，則DAC寄存器處于直通狀態(tài)，輸入寄存器處于受控狀態(tài)。應(yīng)用系統(tǒng)中如只有一路D/A轉(zhuǎn)換，或有多路轉(zhuǎn)換但不要求同步輸出時，可采用單緩沖工作方式。3)雙緩沖工作方式雙緩沖工作方式是使輸入寄存器和DAC寄存器都處于受控狀態(tài)。這主要用于多路D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)多路模擬量信號的同步輸出。CSCS1WR2WRXFER項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路8.2.3 DAC08328.2.3 DAC0832與單片機(jī)的接口及應(yīng)用與單

16、片機(jī)的接口及應(yīng)用根據(jù)應(yīng)用需要，DAC0832與單片機(jī)的接口可以采用不同的接法以工作于不同的工作方式。下面僅以單緩沖方式為例介紹具體的接口電路及應(yīng)用編程。圖8-11為單緩沖工作方式的一路D/A輸出與8051單片機(jī)的連接圖。圖中采用將芯片兩級寄存器的控制信號并接的方式，即將0832的和并接后與8051的“寫信號”線相連，和并接后與P2.7相連，并將ILE接高電平。在這種工作方式下，輸入數(shù)據(jù)在控制信號的作用下，將直接送入DAC寄存器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出一個與輸入數(shù)據(jù)相對應(yīng)的模擬量。圖中運(yùn)算放大器的作用是將D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出。項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路

17、8-11 單緩沖方式的DAC0832與單片機(jī)的連接圖項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路圖中的接法是采用線選法把DAC0832當(dāng)作8051擴(kuò)展的一個并行I/O口，若設(shè)其他無關(guān)的地址為“1”，則DAC0832的口地址為7FFFH。將一個8位數(shù)據(jù)送入DAC0832完成轉(zhuǎn)換的指令如下： MOV DPTR,#7FFFH ;指向0832的口地址 MOV A,#DATA ;待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送A MOVX DPTR,A ;寫入0832，實(shí)現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換并輸出利用D/A轉(zhuǎn)換，可以方便編程輸出各種不同的程控電壓波形，以下幾個程序?qū)嵗稍趫D8-11的運(yùn)算放大器輸出端產(chǎn)生不同的電壓輸出波形（延時子程

18、序省略）。項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路1.產(chǎn)生鋸齒波 MOV DPTR，#7FFFH ;指向0832的口地址 MOV A，#00H ;待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)00H送A LOOP: MOVX DPTR，A ;A 中的值送0832轉(zhuǎn)換，輸出對應(yīng)模擬量 INC A ;A 中的值加1 LJMP LOOP ;繼續(xù)循環(huán)轉(zhuǎn)換2.產(chǎn)生方波 MOV DPTR，#7FFFH ;指向0832的口地址 LOOP: MOV A，#0FFH ;待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)0FFH送A MOVX DPTR，A ;A 中的值送0832轉(zhuǎn)換，輸出對應(yīng)模擬量 LCALL DELAY ;調(diào)用延時子程序 MOV A,#00H ;待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)00H送A MOVX DPTR, A ;A 中的值送0832轉(zhuǎn)換，輸出對應(yīng)模擬量 LCALL DELAY ;調(diào)用延時子程序 LJMP LOOP ;繼續(xù)循環(huán)轉(zhuǎn)換項(xiàng)目項(xiàng)目8 A/D8 A/D與與D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路3.產(chǎn)生三角波 MOV DPTR,#7FFFH ;指向