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1、1,3.7,第10章 80C51单片机的测控接口,D/A转换接口技术,10.1,A/D转换接口技术,10.2,开关量的接口技术,10.3,07:33,2,单片机用于智能仪表和测控系统时，需要处理大量的外部信息，这些信息除包含数字量外，还可能包含模拟量与开关量信息。 工程实践中经常遇到被测对象的一些物理参数，如温度、流量、压力、位移、速度等，这些参数均是模拟量。虽然这些模拟量已经由传感器、变送器变换成标准的电压或电流信号，但还需要通过模拟量/数字量(A/D)转换器，将其转换成为计算机能够处理的相应的数字信号。,07:33,3,同样，计算机对模拟量设备进行控制时，如控制电动调节阀、模拟调速系统、模
2、拟记录仪等，就需要将计算机输出的数字信号通过数字量/模拟量(D/A)转换器，转换成外设能够接收的相应的模拟信号。 另一类常见的信号是开关信号，它们来自开关类器件的输入，如拨盘开关、扳键开关、继电器的触点等。当计算机输出控制对象是具有开关状态的设备时，计算机的输出就应该为开关量。,07:33,4,模拟量I/O接口的作用： 实际工业生产环境检测与控制的是连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部进行处理的是离散的数字量 二进制数、十六进制数,07:33,5,模拟量I/O通道的组成,07:33,6,模拟量输入通道,传感器（Transducer） 非电量电压、电流 变送器（
3、Transformer） 转换成标准的电信号 信号处理（Signal Processing） 放大、整形、滤波 多路转换开关（Multiplexer） 多选一 采样保持电路（Sample Holder，S/H） 保证变换时信号恒定不变 A/D变换器（A/D Converter） 模拟量转换为数字量,07:33,7,模拟量输出通道,D/A变换器（D/A Converter） 数字量转换为模拟量 低通滤波 平滑输出波形 驱动放大 提供足够的驱动电压，电流,07:33,8,10.1 D/A转换接口技术,数字量到模拟量的转换称为数/模转换。 完成数/模转换的器件称为D/A转换器(Digital to
4、Analog Converter)，通常用DAC表示。DAC能够将数字量转换成与之成正比的电压或电流信号。,07:33,9,组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络 基本结构如图：,1. D/A转换器的基本原理及分类,数字量是二进制代码的位组合，每一位数字代码都有一定的“权”，并对应一定大小的模拟量。为了将数字量转换成模拟量，应将每一位都转换为相应的模拟量，然后将其求和即可得到与该数字量成正比的模拟量。,07:33,10,D/A变换原理,运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输入电压Vin的关系为：,式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻,Vin,R
5、f,Vo,R,07:33,11,若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：,Vin,Rf,VO,R1,式中：Ri 为第i支路的输入 电阻,Rn,07:33,12,令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref，则有:,若Si=1,该项对VO有贡献 若Si=0,该项对VO无贡献,如果每个支路由一个开关Si 控制，Si =1表示Si 合上，Si=0表示Si 断开，则上式变换为:,07:33,13,2Rf 4Rf 8Rf 16Rf 32Rf 64Rf 128Rf 256Rf,Vref,Rf,VO,S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1,D/A转换原理电路
6、,运放,权电阻网络,模拟开关,07:33,14,如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，那么根据二进制代码的不同，输出电压VO也不同，这就构成了8位的D/A转换器。 可以看出，当代码在0FFH之间变化时，VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化。 为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络(见下页)，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。,07:33,15,R-2R T型电阻网络,07:33,16,T型电阻网络D/A转换器的原理图,计算机输出的数字信号首先传送到数据锁存器(或寄存器)中，然后由模拟电子开关把数字
7、信号的高低电平变成对应的电子开关状态。 当数字量某位为1时，电子开关就将基准电压源VREF接入电阻网络的相应支路；若为0时，则将该支路接地。 各支路的电流信号经过电阻网络加权后，由运算放大器求和并变换成电压信号，作为D/A转换器的输出。,07:33,17,T型电阻网络D/A转换器的原理图,VREF为外加基准电源，Rfb为外接运算放大器的反馈电阻。D7D0为控制电流开关的数据。由图可以得到：,输出电压VO的大小与数字量具有对应的关系。这样就完成了数字量到模拟量的转换。,07:33,18,D/A转换器的分类： (1) 依数字量的位数分：8位、10位、12位与16位D/A转换器； (2) 依数字量的
8、数码形式分：二进制码和BCD码D/A转换器； (3) 按信号输入方式分：并行总线D/A转换器和串行总线D/A转换器； 并行D/A转换器通过并行总线接收数据。 串行D/A转换器通过I2C总线、SPI总线等串行总线接收数据。串行方式占用接口资源少，用于转换速度要求不高的系统。并行方式占用接口资源多，用于转换数据量大，转换速度高的系统。 (4) 按输出信号的形式：电压输出型和电流输出型。 电压输出型D/A转换器可以直接从电阻阵列输出电压，常作为高速D/A转换器使用。电流输出型D/A转换器通常需要在其输出端接入一个反相输入的运算放大器，将其转换为电压输出。,07:33,19,早期的D/A转换芯片只具有
9、电流输出型的，且不具有输入寄存器。所以在单片机应用系统中使用这种芯片必须外加数字输入锁存器、基准电压源以及输出电压转换电路。这一类芯片主要有DAC0800系列(美国National Semiconductor公司生产)、AD7520系列(美国Analog Devices公司生产)等。 中期的D/A转换芯片在芯片内增加了一些与计算机接口相关的电路及控制引脚，具有数字输入寄存器，能和CPU数据总线直接相连。通过控制端，CPU可直接控制数字量的输入和转换，并且可以采用与CPU相同的+5V电源供电。这类芯片特别适用于单片机应用系统的D/A转换接口。这类芯片有DAC0830系列、AD7524等。 近期的
10、D/A转换器将一些D/A转换外围器件集成到了芯片的内部，简化了接口逻辑，提高了芯片的可靠性及稳定性。如芯片内部集成有基准电压源、输出放大器及可实现模拟电压的单极性或双极性输出等。这类芯片有AD558、DAC82、DAC811等。,07:33,20,2. D/A转换器的主要技术指标,(1) 分辨率,分辨率是指D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。 输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，在实际应用中往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。 此外，D/A转换器也可以用能分辨的最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是0)与最大输出电压(此时输入的数字代码各
11、有效位全为1)之比给出。n位D/A转换器的分辨率为 ，表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。,07:33,21,(2) 转换误差,表示D/A转换器实际输出的模拟量与理论输出模拟量之间的差别。 转换误差的来源很多，如转换器中各元件参数值的误差、基准电源不够稳定和运算放大器零漂的影响等。D/A转换器的绝对误差(或绝对精度)是指输入端加入最大数字量(全1)时，D/A转换器的理论值与实际值之差。该误差值应低于LSB/2(LSB指Least Significant Bit，最低有效位)。,07:33,22,(3) 建立时间 指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。一般用D/A转换器输
12、入的数字量从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围(LSB/2)时所需时间表示。D/A转换器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达0.1s以内。 (4) 线性度 也称非线性误差，是实际转换特性曲线与理想直线特性之间的最大偏差。常以相对于满量程的百分数表示。如1%是指实际输出值与理论值之差在满刻度的1%之内。 (5) 温度系数 指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1oC，输出电压变化的百分数作为温度系数。 除上述各参数外，在使用D/A转换器时还应注意它的输出电压特性。由于输出电压事实上是一串离散的瞬时信号，要恢复信号原来的时
13、域连续波形，还必须采用保持电路对离散输出进行波形复原。 此外还应注意D/A的工作电压、输出方式、输出范围和逻辑电平等。,07:33,23,DAC0832是美国National Semiconductor生产的DAC0830系列产品中的一种，该系列芯片具有以下特点： 并行D/A转换； 分辨率8位； 电流建立时间1s； 片内二级数据锁存，提供数据输入双缓冲、单缓冲和直通三种工作方式； 电流输出型芯片，通过外接一个运算放大器，可以很方便地提供电压输出。 输出电流线性度可在满量程下调节； 逻辑电平输入与TTL兼容，与80C51单片机连接方便； 单一电源供电(+5V+15V)。 低功耗，20mW。,10
14、.1.2 DAC0832芯片及其与单片机的接口,07:33,24,1. DAC0832的结构,图10-2 DAC0832的内部逻辑框图,07:33,25,2. DAC0832的引脚,07:33,26,2. DAC0832的引脚,07:33,27,07:33,28,3. DAC0832的工作方式,图10-4 DAC0832单极性输出电路,D为数字输入量，VREF为基准电压。可见，单极性输出VOUT的正负极性由VREF的极性确定，当VREF的极性为正时，VOUT为负，当VREF的极性为负时，VOUT为正。,VOUT=-DVREF/2n,07:33,29,图10-5 DAC0832双极性输出电路,将
15、待转换的数字量的偏移二进制码代替上式中的D，可求出双极性VOUT。若VREF由正改为负，那么VOUT也反相。例如数字量D的十进制为+127，对应的带符号二进制为01111111B，偏移二进制代码则为1111 1111B，此时输出VOUT(假设VREF为正)：,07:33,30,图10-5 DAC0832双极性输出电路,同理，当数字量D的十进制为-127，对应的带符号二进制数为1111 1111B，偏移二进制代码则为0000 0001B，此时输出OUT为：,在双极性输出中，1LSB=VREF/2n-1= VREF/128，而单极性输出中，1LSB= VREF/2n= VREF/256。可见双极性
16、输出时的分辨率比单极性输出时降低了1/2，这是由于对双极性输出而言，最高位作为符号位，只有7位数值位。,07:33,31,4. DAC0832与80C51单片机的接口方式,(1) 直通方式,两个锁存器都处于跟随状态，不对数据进行锁存，即控制信号CS、WR1、ILE、WR2和XFER都预先设置为有效状态，使LE1和LE2都为1。这样，D/A转换不受控制，一旦有数字量输入就立即进行D/A转换。因此DAC0832的输出随时跟随输入的数字量的变化而变化。,07:33,32,(2)单缓冲方式,单缓冲方式有两种实现方法，其一是令两个数据缓冲器一个处于直通方式，另一个处于受控方式，如图10-6所示；其二是将两级数据缓
