项目9 信号发生器的设计

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1、电子工业出版社,单片机控制技术 项目式教程 （C语言版）,电子工业出版社,项目9 信号发生 器的设计,能了解D/A转换器的相关技术指标； 能理解DAC0832的工作原理与应用方法； 能掌握DAC0832与51单片机的接口方法； 能掌握信号发生器的硬件电路的分析与设计方法； 能熟练编写信号发生器产生各种波形信号的单片机控制程序。,学习目标,叙述D/A转换器的技术指标要求； 叙述DAC0832的工作原理； 设计单片机控制的信号发生器的工作电路； 编写信号发生器产生各种波形信号的单片机控制程序。,工作任务,任务9.1 灯光亮度调节器的设计 任务9.2 信号发生器的设计 项目拓展 串行D/A转换芯片P

2、CF8591在实验板 上的应用 项目小结 思考与训练,项目9 信号发生器的设计,任务9.1 灯光亮度调节器的设计,D/A转换的功能就是将数字量转换成模拟量。 基本的D/A转换器由电压基准或电流基准、精密电阻网络、电子开关及全电流求和电路构成。,9.1.1 D/A转换器的基本原理,1D/A 转换器的分类 按工作方式分：并行D/A转换器（权电阻D/A转换器、 R- 2R T型D/A转换器） 串行D/A转换器 间接D/A转换器,按D/A转换的分辨率分：低分辨率D/A转换器 中分辨率D/A转换器 高分辨率D/A转换器,按模拟量输出方式分：电流输出D/A转换器 电压输出D/A转换器,按模拟电子开关电路的

3、不同分： CMOS开关型D/A转换器（速度要求不高) 双极型开关D/A转换器 电流开关型（速度要求较高） ECL电流开关型（转换速度更高）,2D/A 转换器的组成,D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压等几部分组成。 以R-2R T型D/A转换器为例，其由基准电压Vref、T型（R-2R）电阻网络、位切换开关和运算放大器组成。,3D/A 转换器的工作原理,数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，实

4、现数字模拟转换。,R-2R T型D/A转换器工作原理：,图9.1 R-2R T型D/A转换器原理电路,图示的电路是一个3位二进制数的D/A转换电路，每位二进制数控制一个开关S。当第i位的数码为“0”时，开关Si打在左边；当第i位的数码为“1”时，开关Si打在右边。当S0接通时， I0 I0 I0 ， I1 I0+ I0 2I0 同理 I1 I1 I1 ， I2 2I1 I2 I2 I2 ， I 2I2 推出 I0 I/8 ，I1 I/4 ，I2 I/2 I I0 + I1 + I2 （1/8 + 1/4 + 1/2）I - Uref（1/8 + 1/4 + 1/2）/R,将上式推广到n位二进制

5、数的转换，可得一般表达式 I- Uref（a0/2n + a1/2n-1 + + an-1/21 +an/20）/R 则输出电压为 Uo（I）Rf-Uref（a0/2n+ a1/2n-1+an-1/21+an/20）Rf/R,输出电压会因器件误差、集成运放的非理想特性而产生一定的转换误差。,一般D/A转换器：,OUT BUr 其中：Ur为常量，由参考Uref决定。 B为输入数字量，为二进制数。B可为8位、12位、16 位等，由DAC芯片型号决定。 当B为n位时： Bbn-1bn-2b1b0bn-12n-1+ bn-22n-2+ b121+b020 式中，bn-1为最高位；b0为最低位。,1分辨

6、率 分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n，则D/A转换器的分辨率为1/2n。即数/模转换器能对满刻度的1/2n输入量作出反应。,9.1.2 D/A转换器的技术性能指标,分辨率输出模拟量的满量程值2n,如：8位数的分辨率为1/256，10位数分辨率为1/1024,通常用D/A转换器输入数字量的位数来表示分辨率。,D/A转换器常可分为8位、10位、12位三种。,2精度,如果不考虑D/A的转换误差，D/A转换的精度为其分辨率的大小。因此，要获得一定精度的D/A转换结果，首要条件是选择有足够分辨率的D/A转换器。,转换速度是DAC每秒可以转换的次

7、数，其倒数为转换时间。转换时间是指从输入数字量到转换为模拟量输出所需的时间。当D/A转换器的输出形式为电流时，转换时间较短；当D/A转换器的输出形式为电压时，转换时间要加上运算放大器的延迟时间而长一点，一般在几十微秒内。,3转换速度,4建立时间,建立时间是指从输入数字量变化到输出达到终值误差(1/2)LSB(最低有效位)时所需的时间，即输入的数字量变化后，输出模拟量稳定到相应的数字范围内所需的时间。 通常以建立时间来表示转换速度。,输入编码形式是指D/A转换电路输入的数字量的形式。如二进制码、BCD码等。,5输入编码形式,6线性度,线性度是指D/A转换器的实际转移特性与理想直线之间的最大误差，

8、或最大偏移。通常给出在一定温度下的最大非线性度，一般为0.01%0.03。,大部分D/A转换芯片是电压型输出，一般为510V；也有高压输出型的，为2430V。有一些是电流型的输出，低者为20mA左右，高者可达3A。,7输出电平,8尖峰,尖峰是输入的数字量发生变化时产生的瞬时误差。通常尖峰的转换时间很短，但幅度很大。在许多场合是不允许有尖峰存在的，应采取措施予以消除。,正确了解D/A转换器件的技术性能参数，对于合理选用转换芯片、正确设计接口电路十分重要。,D/A转换器的性能指标很多，但在选用合适的芯片型号时主要考虑的是它的分辨率、精度和转换速度。,目前单片机系统常用的D/A转换器的转换精度有8位

9、、10位、12位等，与单片机的接口方式有并行接口、串行接口。,9.1.3 DAC0832芯片及其与单片机接口电路,1DAC0832芯片介绍,（1）DAC0832的性能 8位D/A转换器，单电源供电，在+5+15 V范围均可正常工作。基准电压的范围为10V；电流建立时间为1s；CMOS工艺，低功耗(仅为20 mW)。,DAC0832主要特性： 输出电流线性度可在满量程下调节； 转换时间（电流建立时间）为； 数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式； 增益温度补偿为0.02%FS/； 每次输入数字为8位二进制数； 低功耗，20mW； 逻辑电平输入与TTL兼容； 基准电压的范围为10V； 单电源供电，

10、可在515V 内正常工作。,（2）DAC0832的内部结构,该转换器由输入寄存器和DAC寄存器构成两级数据输入锁存。使用时数据输入可以采用两级锁存(双锁存)形式，或单级锁存(一级锁存，一级直通)形式，或直接输入(两级直通)形式。 此外，由3个与门电路可组成寄存器输出控制逻辑电路，该逻辑电路的功能是进行数据锁存控制。当 =0时，输入数据被锁存；当 =1时，锁存器的输出跟随输入的数据。 D/A转换电路是一个R-2R T型电阻网络，可实现8位数据的转换。,（3）DAC0832的引脚 DAC0832为20引脚、双列直插式封装。,Vcc：电源线。DAC0832的电源可以在515V内变化。典型使用时用+1

11、5V电源。 AGND和DGND：AGND为模拟量地线，DGND为数字量地线。使用时，这两个接地端应始终连在一起。,CS：片选输入信号，低电平有效。只有当CS=0时，这片DAC0832才被选中。 DI0DI7：8位数字量输入端。应用时，如果数据不足8位，则不用的位一般接地。,ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。只有当ILE=1时，输入数字量才可能进入8位输入寄存器。 WR1：写信号1，低电平有效，控制输入寄存器的写入。ILE和WR1信号控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式：当ILE=1且WR1=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1且WR1=1时，为输入寄存器锁存方式。 WR2：写信

12、号2，低电平有效，控制DAC寄存器的写入。 XFER：数据传送控制输入信号，低电平有效，控制数据从输入寄存器到DAC寄存器的传送。WR2和XFER信号控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式：当WR2=0且XFER =0时，为DAC寄存器直通方式；当WR2=1或XFER =1时，为DAC寄存器锁存方式。,Vref：参考电压线。Vref接外部的标准电源，与芯片内的电阻网络相连接，该电压可正可负，范围为1010V。 Iout1和Iout2：电流输出端。Iout1为DAC电流输出1，当DAC寄存器中的数据为0xFF时，输出电流最大，当DAC寄存器中的数据为0x00时，输出电流为。Iout2为D

13、AC电流输出2。DAC转换器的特性之一是Iout1Iout2=常数。在实际使用时，总是将电流转为电压来使用，即将Iout1和Iout2加到一个运算放大器的输入端。,Rfb：运算放大器的反馈电阻端，电阻（15k）已固化在芯片中。因为DAC0832是电流输出型D/A转换器，为得到电压的转换输出，使用时需在两个电流输出端接运算放大器，Rfb即为运算放大器的反馈电阻。,图9.5 运算放大器的接法,（4）DAC0832的工作原理,将数字量的每一位按权值分别转换成模拟量，再通过运算放大器求和相加，D/A转换器内部有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。,（5）DAC0832的输出,DAC0832是

14、电流输出型D/A转换器。,图9.6 DAC0832单极性电压输出电路,单极性输出运放： VoutIout1Rfb BVref/256,双极性输出运放： Vout ( Vout1/R Vref/2R )2R 2Vout1Vref 2BVref/256Vref BVref/128Vref Vref(B128)/128,图9.7 DAC0832双极性电压输出电路,当Vref为正，数字量在0x010x7F之间变化时，Vout为负值；当数字量在0x800xFF之间变化时，Vout为正值。,（1）直通方式下的接口电路 直通方式是数据直接输入(两级直通)的形式。 两个8位数据寄存器都处于数据接收状态，LE1

15、=1，LE2=1，ILE=1，而WR1、WR2、CS和XFER均为0。输入数据直接送到内部D/A转换器去转换。,2DAC0832与51单片机的接口电路,DAC0832的工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式,图9.8 直通方式下89C51与DAC0832的连接图,（2）单缓冲方式下的接口电路 单缓冲方式是单级锁存(一级锁存，一级直通)形式， 就是使DAC0832的两个8位数据寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者两个8位数据寄存器处于同时受控的方式，即同时送数，同时锁存。, 在单缓冲工作方式下，可以将8位DAC寄存器置于直通方式。为此，应将WR2和XFER接地，而输入

16、寄存器的工作状态受单片机的控制。,WR=0，P2.7=0， DAC0832的地址为 0x7FFF， 将数字量0x08转换为模拟量的程序： #define DAC0832 XBYTE0x7FFF DAC0832=0x08； 或 output(0x7FFF，0x08)；,两个输入寄存器同时受控的连接方法，WR1和WR2一起接89C51的WR，CS和XFER共同接89C51的P2.7，因此两个寄存器的地址相同。,（3）双缓冲方式下的接口电路 双缓冲方式的数据输入可以采用两级锁存(双锁存)的形式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。DAC0832的WR1、WR2、CS和XFER都受单片机送来的信号的控制。,当 WR=0，P2.7