单片机AD与DA转换课件.pptx

第六章第六章 AD与与DA转换转换 第六章第六章 AD与与DA转换转换6.2 DA转换器接口转换器接口6.1 AD转换器接口转换器接口概述概述第六章第六章 AD与与DA转换转换AD与与DA转换概述转换概述 在单片机测控系统中，被测量的温度、压力、流量、在单片机测控系统中，被测量的温度、压力、流量、速度等非电物理量，经传感器先转换成连续变化的模速度等非电物理量，经传感器先转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），模拟电信号必须转换成数拟电信号（电压或电流），模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中进行处理。字量后才能在单片机中进行处理。 实现模拟量转换成数字量的器件称为实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器转换器（ADC）。）。 单片机处理完毕的数字量，有时需要转换为模拟信单片机处理完毕的数字量，有时需要转换为模拟信号输出。数字量转换成模拟量的器件称为号输出。数字量转换成模拟量的器件称为D/A转换器转换器（DAC）。）。第六章第六章 AD与与DA转换转换例例1 1：温度控制系统：温度控制系统炉炉 窑窑热电偶热电偶 输入输入 A/D 计计 外外 阀门阀门 D/A 机机 操作台操作台算算设设输输出出例例2 2：机械手随动系统：机械手随动系统A/D D(Z) D/A 放大放大 KT压力传感器压力传感器 机械手机械手第六章第六章 AD与与DA转换转换 6.1 A/D 6.1 A/D转换器转换器 完成模拟量转换成数字量的器件。 6.1.1 A/D6.1.1 A/D转换器的分类转换器的分类 A/DA/D转换器的种类很多，通常有以下转换器的种类很多，通常有以下3 3种分类方法种分类方法： （1 1）按位数）按位数 有8位、10位、12位、16位等。位数越多，分辨率越高，但价格也越贵。 （2 2）按结构）按结构 有单一的A/D转换器，内含多路开关的A/D转换器、多功能A/D转换器（含多路开关、放大器和采样保持器）。 （3 3）按转换方式）按转换方式 有逐次逼近型、双积分型、V/F、 变换器。第六章第六章 AD与与DA转换转换第六章第六章 AD与与DA转换转换 6.1.2 6.1.2 转换方式转换方式（1 1）逐次逼近）逐次逼近ADCADC（2 2）双积分）双积分ADCADC（3 3） VFCVFC第六章第六章 AD与与DA转换转换 6.1.3 A/D 6.1.3 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1 1、分辨率、分辨率 输入量达到满量程时，能识别的最小的输入增量称为分辨率。常用满量程输入的的增量衡量。如n=8，满量程输入为5.12V， LSB=5.12/256=20mV。 双积分型输出BCD 码的A/D转换器MC14433，其满量程输入电压为2V，其输出最大的十进制数为1999，分辨率为三位半（三位半（BCD BCD 码），码），如果换算成二进制位数表示，其分辨率约为分辨率约为1111位位，因为1999最接近于211=2048。 量化过程引起的误差称为量化误差量化误差。提高A/D位数既可以提高分辨率，又能够减少量化误差。第六章第六章 AD与与DA转换转换 2 2、转换时间和转换速率、转换时间和转换速率 完成一次模拟量到数字量转换所需的时间。转换时间的倒数为转换速率。 3 3、线性误差、线性误差 实际转换结果与理想线性转换结果的误差，常用LSB表示。 4 4、转换精度、转换精度 转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，可用绝对误差或相对误差表示。其误差一般由温度、环境等因素引起。第六章第六章 AD与与DA转换转换 6.1.46.1.4 常用常用A/DA/D转换器转换器 型号 位数 转换时间 电压和通道 类型 ADC0808/0809 8 100S 0-5V/8通道 逐次逼近 ADC12030/4/8 12 8S 0-5V/8通道 串行接口 AD574 12 25S 0-10V 逐次逼近 AD5711 24 1KSPS 2通道 -ADC MC14433 3.5 100ms +2V 双积分 ICL7106 3.5 100ms +2V 双积分 MAX1092 10 400kspS 0-5V/4通道 逐次逼近第六章第六章 AD与与DA转换转换 6.1.5 A/D转换器转换器ADC0809 1ADC0809引脚及功能引脚及功能 逐次比较型8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器，引脚如图图。10IN0IN7:8路模拟信号输入端。 D0D7:转换的8位数字量输出端。 A、B、C:控制8路模拟输入通道的切换。A、B、C分别与单片机的三条地址线相连，C、B、A = 000111对应IN0IN7通道的地址。第六章第六章 AD与与DA转换转换OE： OE为输出允许端START：START为启动信号输入端CLK：时钟信号输入端。EOC：转换结束输出信号。当转换结束输出信号。当A/D转换开始转换时，转换开始转换时，该引脚为低电平，当该引脚为低电平，当A/D转换结束时，该引脚为高电转换结束时，该引脚为高电平。平。 ALE： A、B、C 3位的地址锁存信号位的地址锁存信号VR（+）、）、VR（）：）：基准电压输入端基准电压输入端。11第六章第六章 AD与与DA转换转换 2 2ADC0809ADC0809结构结构 结构如结构如图图6-16-1。采用逐次比较法完成。采用逐次比较法完成A/DA/D转换，单转换，单一一+5V+5V电源供电。电源供电。 片内带有锁存功能的片内带有锁存功能的8 8选选1 1模拟开关，由模拟开关，由C C、B B、A A的的编码编码来决定来决定所选的通道所选的通道。完成一次转换需。完成一次转换需100100 s s左右左右（转换时间与（转换时间与CLKCLK脚的时钟频率有关），具有输出脚的时钟频率有关），具有输出TTLTTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，可对通过适当的外接电路，可对0 05V5V的模拟信号进行转的模拟信号进行转换。换。12第六章第六章 AD与与DA转换转换13图图6-1 ADC0809结构框图第六章第六章 AD与与DA转换转换14图6-2 ADC0809与AT89S51查询式接口3AT89S51单片机与单片机与ADC0809的接口的接口P2.0第六章第六章 AD与与DA转换转换151、P0口经74LS373锁存，将P0.0-P0.2信号接到ADC0809的A、B、C作输入8路的选通信号。2、单片机ALE经2分频作ADC0809的时钟信号。3、WR与P2.0组合经或非门接ADC0809的START和ALE，写入有效时74LS373输出地址到A、B、C的地址信号有效，选中输入一路，START信号同时有效，启动AD转换。4、当转换结束，使RD和P2.0信号有效，OE打开，转换后的数字信号经数据线D0-D7送往单片机第六章第六章 AD与与DA转换转换 A/D转换器在转换时需要基准电压，基准电压要单独用高精度稳压电源供给，其电压的变化要小于1LSB。 由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89S51提供的ALE信号经D触发器二分频后获得时钟信号，ALE脚的频率是AT89S51时钟频率的1/6（但要注意，每当访问外部数据存储器时，将少一个ALE脉冲）。如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE引脚的输出频率为1MHz，再二分频后为500kHz，符合ADC0809对时钟频率的要求。当然，也可采用独立的时钟源，直接加到ADC0809的CLK脚上。 16第六章第六章 AD与与DA转换转换 由于ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚D0D7可直接与单片机的P0口相连。地址译码引脚C、B、A分别与地址总线的低三位A2、A1、A0相连，以选通IN0IN7中的一个通道。 在启动启动A/D转换转换时，由单片机的写信号WR* 和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于由于ALE和和START连在一起连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号 和P2.7引脚经一级“或非门”后产生的正脉冲作为OE信号，用来打开三态输出锁存器。17第六章第六章 AD与与DA转换转换 单片机读取ADC的转换结果时，可采用查询和中断控制两种方式。 查询方式是在单片机把启动信号送到ADC之后，执行其他程序，同时对ADC0809的EOC脚不断进行检测，以查询ADC变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。 中断控制方式是将EOC接INT0/1，在ADC0809转换结束，由EOC向单片机发出中断请求信号，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换完毕的数据。 中断控制方式效率高，特适合于转换时间较长的ADC。18第六章第六章 AD与与DA转换转换图6-2连接后ADC0809的通道地址表：. . . . . . . . . . . . . . . .单片机P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00809STCBAIN00000IN10001IN70111若可选项设为“1”，IN0-IN7的地址：FEF8-FEFF。第六章第六章 AD与与DA转换转换 4、 单片机与单片机与A/D转换器接口程序设计转换器接口程序设计 主要有以下四个步骤： 1、启动A/D转换，START引脚得到下降沿。 2、查询EOC引脚状态，EOC引脚由0变1，表示A/D转换过程结束。 3、允许读数，将OE引脚设置为1状态。 4、读取A/D转换结果。. . . . . . . . . . . . . . . .第六章第六章 AD与与DA转换转换#include /绝对地址访问头文件 #include#define uchar unsigned char#define IN0 XBYTE0 xfef8 /设置AD0809的通道0地址sbit ad_busy=P33; /定义EOC状态void ad0809(uchar idata *x) uchar i;uchar xdata *ad_adr; /定义指向外部RAM的指针ad_adr=&IN0; /通道0的地址送ad_adrfor(i=0;i8;i+) /处理8通道. . . . . . . . . . . . . . . .第六章第六章 AD与与DA转换转换*ad_adr=0; /写外部I/O地址操作，启动转换， i=i; /延时等待EOC变低 i=i; while(ad_busy=0)；/查询等待转换结束 xi=*ad_adr ; /读操作，输出允许信号有效存转换结果 ad_adr+; /地址增1，指向下一通道 void main(void) static uchar idata ad10; /static是静态变量的类型说明符 ad0809(ad); /采样AD0809通道的值第六章第六章 AD与与DA转换转换中断方式：中断方式：当当A/D转换结束时转换结束时EOC脚脚变为高电平，经取变为高电平，经取反后作为外中断请反后作为外中断请求信号触发单片机求信号触发单片机中断，在中断服务中断，在中断服务程序中读取程序中读取A/D转转换的结果。换的结果。 23第六章第六章 AD与与DA转换转换#include#include#define uchar unsigned char#define IN0 XBYTE0 xfef8uchar i;uchar x8;uchar xdata *ad_adr;void service_int1(void) interrupt 2 xi=*ad_adr; ad_adr+; i+; while(i=8) EA=0; void main(void)/主函数 IT1=1;/边沿触发方式 EX1=1; /外部中断1开中断 EA=1; /开总中断允许位 i=0; /初始化i为第0通道 ad_adr=&IN0;/通道0地址送ad_adr *ad_adr=0;/写操作启动A/D转换 while(1);/等待中断 第六章第六章 AD与与DA转换转换6.2 D/A转换器转换器接口接口单片机只能输出数字量，但对于控制而言，常需要输出模拟量，例如直流电动机的转速控制，这就要求单片机系统应能够输出模拟量，数字量转换成模拟量由D/A完成 。25 6.2.1 D/A转换器的组成和转换原理转换器的组成和转换原理 1、组成、组成 D/A转换器由标准电源、数字开关电路、模拟转换、数字接口、放大器等部分组成。第六章第六章 AD与与DA转换转换26标准电源标准电源模拟转换模拟转换数字开关数字开关数字接口数字接口放大器放大器数字量输入数字量输入模拟量输出模拟量输出 2 2、转换原理、转换原理 转换的数字量经数字接口控制各位相应的数字开关，接通转换的数字量经数字接口控制各位相应的数字开关，接通或断开与开关配合的解码电阻，改变标准电源经电阻解码网或断开与开关配合的解码电阻，改变标准电源经电阻解码网络所产生的电流；电流经放大器放大后，输出与模拟电压络所产生的电流；电流经放大器放大后，输出与模拟电压V V。 标准电源使用稳定度高并且漂移小的电源。数字开关由晶标准电源使用稳定度高并且漂移小的电源。数字开关由晶体管或场效应管组成。体管或场效应管组成。 转换器主要由解码网络构成。有两种主要结构的解码网络：转换器主要由解码网络构成。有两种主要结构的解码网络：权电阻解码网络和权电阻解码网络和R-2R TR-2R T型解码网络。型解码网络。第六章第六章 AD与与DA转换转换权电阻解码网络权电阻解码网络第六章第六章 AD与与DA转换转换倒倒T型型电阻网络电阻网络第六章第六章 AD与与DA转换转换 3、D/A转换器与单片机的接口形式转换器与单片机的接口形式 单片机与D/A转换器的连接，早期多采用8位数字量并行传输的并行接口，现在除并行接口外除并行接口外，带有串行口的串行口的D/A转换器品种也不断增多转换器品种也不断增多。 除了通用的UART串行口串行口外，目前较为流行的还有I2C串行口串行口和SPI串行口串行口等。所以在选择单片D/A转换器时，要考虑单片机与D/A转换器的接口形式接口形式。29第六章第六章 AD与与DA转换转换6.2.2 D/A的的主要技术指标主要技术指标（1）分辨率）分辨率指单片机输入给输入给D/A转换器的转换器的单位数字量的变化单位数字量的变化，所引起的所引起的模拟量输出的变化模拟量输出的变化，通常定义为定义为输出满刻度值与2n之比，n为D/A转换器的二进制位数。位数越多，分辨率越高，即D/A转换器对输入量变化的敏感程度越高。例如，例如，8位的D/A转换器，若满量程输出为10V，根据分辨率定义，则分辨率为则分辨率为10V/2n，分辨率为，分辨率为10V/256=39.1mV 。30第六章第六章 AD与与DA转换转换（2）建立时间）建立时间描述D/A转换器转换快慢转换快慢的一个参数，用于表明转表明转换时间或转换速度换时间或转换速度。其值为从其值为从输入数字量到输出达到输入数字量到输出达到终值误差终值误差 (1/2)LSB时时所需的时间所需的时间。电流输出电流输出的转换时间较短较短，而电压输出电压输出的转换器，由于要加上完成I-V转换的运算放大器的延迟时间，因此转换时间要长一些转换时间要长一些。快速D/A转换器的转换时间可控制在1s以下。31第六章第六章 AD与与DA转换转换 （3）转换精度）转换精度 理想情况下，转换精度与分辨率基本一致，位数越多精度越高。 但由于电源电压、基准电压、电阻、制造工艺等各种因素存在着误差。严格讲，转换精度与分辨率转换精度与分辨率并不完全一致并不完全一致。只要位数相同，分辨率则相同，但但相同位数的不同转换器相同位数的不同转换器转换精度转换精度会有所不同会有所不同。 例如，例如，某种型号的8位DAC精度为0.19%，而另一种型号的8位DAC精度为0.05%。32第六章第六章 AD与与DA转换转换6.2.3 AT89S51与与8位位D/A转换器转换器0832的接口设计的接口设计1DAC0832芯片介绍芯片介绍（1）DAC0832的特性的特性美国国家半导体公司的DAC0832芯片是具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与AT89S51单片机连接，主要特性如下主要特性如下。 分辨率为分辨率为8位。位。 电流输出，建立时间为电流输出，建立时间为1 s。 可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入。可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入。 单一电源供电（单一电源供电（+5V+15V），低功耗，），低功耗，20mW。33第六章第六章 AD与与DA转换转换（2）DAC0832的引脚及逻辑结构的引脚及逻辑结构引脚引脚如图图6-3所示，DAC0832的逻辑结构逻辑结构如图图6-4所示。34图6-3 0832芯片引脚第六章第六章 AD与与DA转换转换 图图6-4 DAC0832的逻辑结构35第六章第六章 AD与与DA转换转换DAC0832内部电路如图图6-4所示。“8位输入寄存器位输入寄存器”用于存放单片机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由 LE1*加以控制；“8位位DAC寄存器寄存器”用于存放待转换的数字量，由LE2* 控制； “8位位D/A转换电路转换电路”受“8位DAC寄存器”输出的数字量控制，能输出和数字量成正比的模拟电流。因此，需外接I-V转换转换的运算放大器电路，才能得到模拟输出电压模拟输出电压。36第六章第六章 AD与与DA转换转换引脚功能：引脚功能：DI0DI7：8位数字信号输入端，位数字信号输入端，与单片机的数据与单片机的数据总线总线P0口相连口相连，用于接收单片机送来的待转换为模，用于接收单片机送来的待转换为模拟量的数字量，拟量的数字量，DI7为最高位。为最高位。CS* ：片选端，当片选端，当 为低电平时，本芯片被选中。为低电平时，本芯片被选中。ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效。数据锁存允许控制端，高电平有效。WR1*：第一级输入寄存器写选通控制，低电平有第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。当效。当 CS*=0，ILE=1， WR1*=0时，待转换的数时，待转换的数据信号被锁存到第一级据信号被锁存到第一级8位输入寄存器中。位输入寄存器中。XFER*：数据传送控制，低电平有效。37第六章第六章 AD与与DA转换转换WR2*：DAC寄存器写选通控制端，低电平有效。当 XFER*=0，WR2*=0时，输入寄存器中待转换的数据传入8位DAC寄存器中。IOUT1：D/A转换器电流输出1端，输入数字量全为“1”时，IOUT1最大，输入数字量全为“0”时，IOUT1最小。IOUT2：D/A转换器电流输出2端，IOUT2 + IOUT1 = 常数。Rfb：外部反馈信号输入端，内部已有反馈电阻Rfb，根据需要也可外接反馈电阻。VCC：电源输入端，在+5V+15V范围内。DGND：数字信号地。AGND：模拟信号地，最好与基准电压共地。38第六章第六章 AD与与DA转换转换2AT89S51单片机与单片机与DAC0832的接口电路设计的接口电路设计设计接口电路时，常用直通、单缓冲方式单缓冲方式或双缓冲双缓冲方式方式的三种方式。（1）直通方式）直通方式指DAC0832内部的两个数据缓冲器两个数据缓冲器都都处于处于直通直通方方式式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，可采用直通方式。直通方式时：ILE=1，CS=WR1=WR2=XFER=039第六章第六章 AD与与DA转换转换（2）单缓冲方式）单缓冲方式指DAC0832内部的两个数据缓冲器两个数据缓冲器有一个有一个处于处于直直通通方式方式，另一个另一个处于受AT89S51单片机控制的锁存锁存方式方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽是多路模拟量输出但并不要求多路输出同步的情况下，可采用单缓冲方式。单缓冲方式单缓冲方式的接口电路如图图6-5。40第六章第六章 AD与与DA转换转换 图图6-5 单缓冲方式下单片机与DAC0832的接口电路41第六章第六章 AD与与DA转换转换图图6-56-5中，中，DAC0832DAC0832的的XFERXFER* *和和WR2WR2* *脚接地直通，单脚接地直通，单片机的片机的WRWR* *脚控制脚控制WR1WR1* *脚脚,P2.7,P2.7接接CSCS* *，ILEILE接接5V5V。当。当WRWR* *脚为低时，单片机这时把数字量送入脚为低时，单片机这时把数字量送入DAC0832DAC0832并转并转换输出。下面说明单缓冲方式下换输出。下面说明单缓冲方式下DAC0832DAC0832的应用。的应用。【例例6-56-5】根据根据图图6 6-4-4路，编写路，编写产生产生如图如图6-66-6 图图6-86-8所示的所示的各种波形程序。各种波形程序。一、编写产生锯齿波的程序一、编写产生锯齿波的程序42图6-6 DAC0832产生的锯齿波输出第六章第六章 AD与与DA转换转换 1 1、原理、原理 输入给D/A转换器的数字量从0开始，逐次加1，转换器输出的模拟量与输入的数字量成正比。 当输入数字量为FFH时，再加1则溢出清“0”，模拟输出又为0，然后再重复上述过程，如此循环，输出的波形就是锯齿波，如图所示。 实际上，每一个上升斜边要分成256个小台阶，改变延时，则可以改变锯齿波的频率。 43第六章第六章 AD与与DA转换转换 2、产生锯齿波的参考程序如下：#include/绝对地址访问头文件#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DA0832 XBYTE0 x7fff/DAC0832地址void delay_1ms() TH1=0 xfc;/ 置定时器初值 TL1=0 x18; TR1=1; / 启动定时器1 while(!TF1); / 查询计数是否溢出TF1=1 TF1=0; / 1ms时间到，TF1清零第六章第六章 AD与与DA转换转换void main()/ 主函数 uchar i; TMOD=0 x10; / 置定时器1为方式1 while(1) for(i=0;i=255;i+)/形成锯齿波输出值，最大255 DA0832=i;/D/A转换输出 delay_1ms(); 第六章第六章 AD与与DA转换转换二、编写产生图二、编写产生图6-7的的三角波三角波程序程序。46图图6-7 DAC0832产生的三角波输出只需锯齿波上升到一定位置，再使其逐位下降。第六章第六章 AD与与DA转换转换二、二、DAC0832DAC0832产生三角波程序产生三角波程序#include/绝对地址访问#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DA0832 XBYTE0 x7fffvoid delay_1ms(); /延时1ms程序void main(void) uchar i;TMOD=0 x10; /置定时器1为方式1 while(1) for(i=0;i=0;i-) /形成三角波下降， DA0832=i;/D/A转换输出 delay_1ms(); 第六章第六章 AD与与DA转换转换三、编写产生矩形波程序（延时略）。三、编写产生矩形波程序（延时略）。#include #define DAC0832 XBYTE0 x7fff /* 0832数据端口地址*/#define uchar unsigned char void delay() ;void rectangular ( ) ；uchar i；while(1) DAC0832=0 xaf;/*产生矩形波的上限电平*/ delay( ) ;/矩形波上限电平的持续时间*/DAC0832=0 x10;/*产生矩形波的下限电平*/delay( ) ; /*矩形波下限电平的持续时间*/48图6-8 矩形波第六章第六章 AD与与DA转换转换 （3）双缓冲方式）双缓冲方式 多路的多路的D/A转换要求同步输出时，须采用双缓冲转换要求同步输出时，须采用双缓冲同步方式，此时数字量的输入锁存和同步方式，此时数字量的输入锁存和D/A转换输出转换输出是分两步完成的。是分两步完成的。AT89S51与与DAC0832的双缓冲方的双缓冲方式的连接如式的连接如图图6-9。 要求每个寄存器都分配一个地址，以便按地址操要求每个寄存器都分配一个地址，以便按地址操作。用地址译码器分别接作。用地址译码器分别接CS*和和XFER* ，再由，再由WR*控制控制WR1*和和WR2*的选通，实现双缓冲接口方式。的选通，实现双缓冲接口方式。第六章第六章 AD与与DA转换转换50 图图6-9 单片机和两片单片机和两片DAC0832的双缓冲方式接口电路的双缓冲方式接口电路第六章第六章 AD与与DA转换转换ILECSXFERDI9-DI0 WR1WR2 图 形X 显 示Y 器IOUT1IOUT2IOUT1IOUT2RfbRfb ILECSXFERDI9-DI0 WR1WR2OO+5V+5V21A13WRA14A15双缓冲的双缓冲的应用应用