第12章-AD與DA-轉(zhuǎn)換課件

2單片機(jī)是數(shù)字芯片，能夠直接處理的只有數(shù)字信號(hào)，但單片機(jī)常用來控制外部對(duì)象（如電動(dòng)機(jī)），為了準(zhǔn)確地控制外部對(duì)象的工作，往往先要知道控制對(duì)象當(dāng)前的運(yùn)行情況，也就是說控制對(duì)象應(yīng)該先告訴單片機(jī)它現(xiàn)在的情況是怎么樣的。從信號(hào)的角度上來說，控制對(duì)象給出的信號(hào)有些是模擬信號(hào)，這是就需要先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，再給單片機(jī)，這樣單片機(jī)才能識(shí)別，此時(shí)需要用到AD轉(zhuǎn)換芯片，如ADC0808/0809等；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)分析、加工，最后給出控制思路，但控制對(duì)象（如有些電機(jī)）通常是模擬型器件，要控制它，只能為其提供模擬信號(hào)，此時(shí)單片機(jī)就需要借助于D/A轉(zhuǎn)換芯片（如DAC0832等）將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。3412.1.1ADC0808芯片工作原理12.1.2ADC0808應(yīng)用硬件電路圖12.1.3程序設(shè)計(jì)5ADC0808和ADC0809除精度略有差別外（前者精度為8位、后者精度為7位），其余各方面完全相同。它們都是CMOS器件，不僅包括一個(gè)8位的逐次逼近型的ADC部分，而且還提供一個(gè)8通道的模擬多路開關(guān)和通道尋址邏輯，因而有理由把它作為簡(jiǎn)單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。利用它可直接輸入8個(gè)單端的模擬信號(hào)分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回檢測(cè)和過程控制、運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用十分廣泛。6①分辨率：8位。②總的不可調(diào)誤差：ADC0808為±1/2LSB，ADC0809為±1LSB。③轉(zhuǎn)換時(shí)間：取決于芯片時(shí)鐘頻率，如CLK=500kHz時(shí)，TCONV=128ms。④單一電源：+5V。⑤模擬輸入電壓范圍：?jiǎn)螛O性0～5V；雙極性±5V，±10V（需外加一定電路）。⑥具有可控三態(tài)輸出緩存器。⑦啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制為脈沖式（正脈沖），上升沿使所有內(nèi)部寄存器清零，下降沿使A/D轉(zhuǎn)換開始。⑧使用時(shí)不需進(jìn)行零點(diǎn)和滿刻度調(diào)節(jié)。1．主要技術(shù)指標(biāo)和特性72．內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳ADC0808的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12-1所示，外部引腳如圖12-2所示。圖12-1ADC0808內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖12-2ADC0808外部引腳圖8內(nèi)部各部分的作用和工作原理在內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中已一目了然，在此就不再贅述，下面僅對(duì)各引腳定義分述如下：①IN0～I(xiàn)N7——8路模擬輸入，通過3根地址譯碼線ADDA、ADDB、ADDC來選通一路。②D7～D0——A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，故可直接和微處理器數(shù)據(jù)線連接。8位排列順序是D7為最高位，D0為最低位。③ADDA、ADDB、ADDC——模擬通道選擇地址信號(hào)，ADDA為低位，ADDC為高位。地址信號(hào)與選中通道對(duì)應(yīng)關(guān)系如表12-1所示。表12-1通道與地址的關(guān)系地址選中通道ADDCADDBADDA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN79④VR（+）、VR（-）——正、負(fù)參考電壓輸入端，用于提供片內(nèi)DAC電阻網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)電壓。在單極性輸入時(shí)，VR（+）=5V，VR（-）=0V；雙極性輸入時(shí)，VR（+）、VR（-）分別接正、負(fù)極性的參考電壓。⑤ALE——地址鎖存允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)此信號(hào)有效時(shí)，A、B、C三位地址信號(hào)被鎖存，譯碼選通對(duì)應(yīng)模擬通道。在使用時(shí)，該信號(hào)常和START信號(hào)連在一起，以便同時(shí)鎖存通道地址和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。⑥START——A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。如正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)又接到新的啟動(dòng)脈沖，則原來的轉(zhuǎn)換進(jìn)程被中止，重新從頭開始轉(zhuǎn)換。10⑦EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，高電平有效。該信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換過程中為低電平，其余時(shí)間為高電平。該信號(hào)可作為被CPU查詢的狀態(tài)信號(hào)，也可作為對(duì)CPU的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在需要對(duì)某個(gè)模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下，EOC也可作為啟動(dòng)信號(hào)反饋接到START端，但在剛加電時(shí)需由外電路第一次啟動(dòng)。⑧OE——輸出允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)微處理器送出該信號(hào)時(shí)，ADC0808/0809的輸出三態(tài)門被打開，使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線被讀走。在中斷工作方式下，該信號(hào)往往是CPU發(fā)出的中斷請(qǐng)求響應(yīng)信號(hào)。113．工作時(shí)序與使用說明ADC0808/0809的工作時(shí)序如圖12-3所示。當(dāng)通道選擇地址有效時(shí)，ALE信號(hào)一出現(xiàn)，地址便馬上被鎖存，這時(shí)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)緊隨ALE之后（或與ALE同時(shí)）出現(xiàn)。START的上升沿將逐次逼近寄存器SAR復(fù)位，在該上升沿之后的2us+8個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)（不定），EOC信號(hào)將變低電平，以指示轉(zhuǎn)換操作正在進(jìn)行中，直到轉(zhuǎn)換完成后EOC再變高電平。微處理器收到變?yōu)楦唠娖降腅OC信號(hào)后，便立即送出OE信號(hào)，打開三態(tài)門，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖12-3ADC0808工作時(shí)序12模擬輸入通道的選擇可以相對(duì)于轉(zhuǎn)換開始操作獨(dú)立地進(jìn)行（當(dāng)然，不能在轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行），實(shí)際中通常是將通道選擇和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)合起來完成（因?yàn)锳DC0808的時(shí)間特性允許這樣做），這樣可以用一條寫指令既選擇模擬通道又啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在與微機(jī)接口時(shí)，輸入通道的選擇可有兩種方法：一種是通過地址總線選擇，一種是通過數(shù)據(jù)總線選擇。如用EOC信號(hào)去產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，要特別注意EOC的變低相對(duì)于啟動(dòng)信號(hào)有2us+8個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，要設(shè)法使它不致產(chǎn)生虛假的中斷請(qǐng)求。為此，最好利用EOC上升沿產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，而不是靠高電平產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。13ADC0808應(yīng)用硬件電路如圖12-4所示。圖12-4ADC0808/0809仿真圖

在Protues仿真中，ADC0808中的輸出OUT1對(duì)應(yīng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)位的D7，OUT7對(duì)應(yīng)D0。說明14程序代碼如下：//*********************************************************************// ADC0808/0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換程序//*********************************************************************#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar//sbitOE=P0^0;sbitEOC=P0^1;sbitSTART=P0^2;//=================共陽極數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)數(shù)組===================constcharnum_display[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf87,0x80,0x90};//=========毫秒級(jí)延時(shí)函數(shù)===============================voiddelay(inti){ intj; for(j=0;j<i;j++) //內(nèi)部函數(shù)延時(shí)1ms { unsignedchara,b,c; for(c=1;c>0;c--) for(b=142;b>0;b--) for(a=2;a>0;a--); }}//=========微秒級(jí)延時(shí)函數(shù)===============================voiddelay1us(inti){ while(i--);}//==================================================voiddisplay(intadc_num) //注意，傳入?yún)?shù)如果超過255，

//則不能用unchar{ //變量類型進(jìn)行聲明，否則就會(huì)發(fā)

//生數(shù)據(jù)丟失情況 P3=0xf1; //數(shù)碼管共陽極，位驅(qū)動(dòng)高電平有效 P2=num_display[(adc_num/1000)]&0x7f; //顯示千位,其中將結(jié)果與上0x7f的 //目的是讓千位后顯示一個(gè)小數(shù)點(diǎn) adc_num=adc_num%1000; delay(3); P3=0xf2; //數(shù)碼管共陽極，位驅(qū)動(dòng)高電平有效 P2=num_display[(adc_num/100)]; //顯示百位,其中將結(jié)果與上0x7f的

//目的是 //讓百位后顯示一個(gè)小數(shù)點(diǎn) adc_num=adc_num%100; delay(3); P3=0xf4; P2=num_display[adc_num/10]; //顯示十位 adc_num=adc_num%10; delay(3); P3=0xf8; P2=num_display[adc_num]; //顯示個(gè)位 delay(3);}//=================================================voidmain(void){ //要讓LED數(shù)碼管正確顯示相應(yīng)的 //數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)類型的定義非常重要 floatx; intresult; while(1) { START=1; //在上升沿的時(shí)候，所有的內(nèi)部

//寄存器全部清零 delay1us(5); START=0; //在下降沿的時(shí)候，

//開始進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換 while(EOC!=1); //等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，

//當(dāng)EOC=1，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，

//EOC=0表示正在轉(zhuǎn)換 result=P1; //將結(jié)果保存到變量result當(dāng)中 //x=result*(5/255)*1000; //處理運(yùn)算結(jié)果，

//讓LED數(shù)碼管顯示4位數(shù)據(jù)，

//3位小數(shù) x=result*19.6; //將結(jié)果乘以19.6的目的是

//根據(jù)上一行被注釋的形式，/*放大1000倍，從而可以取到4位數(shù)據(jù)，整數(shù)1位，小數(shù)3位。但不能直接按x=result*(5/255)*1000;表達(dá)式書寫，不然在5/255過程中就被當(dāng)成了0來處理*/ display(x); delay(3); }}151612.2.1DAC0832芯片工作原理12.2.2DAC0832應(yīng)用硬件電路圖12.2.3DAC0832正弦波發(fā)生程序12.2.4DAC0832三角波發(fā)生程序12.2.5DAC0832矩形波發(fā)生程序17DAC0832是雙列直插式8位D/A轉(zhuǎn)換器。能完成數(shù)字量輸入到模擬量（電流）輸出的轉(zhuǎn)換。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1ms，滿量程誤差為±1LSB，供電電源為（+5～+15）V，邏輯電平輸入與TTL兼容。圖12-5為DAC0832的引腳圖。圖12-5DAC0832引腳圖18DAC0832中各引腳的功能定義如下：DI7～DI0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。IOUT1：模擬電流輸出端1，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時(shí)，輸出電流為0。IOUT2：模擬電流輸出端2，IOUT2與IOUT1的和為一個(gè)常數(shù)，即IOUT1＋I(xiàn)OUT2＝常數(shù)。RFB：反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以RFB端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間。VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個(gè)正電壓，也可接一個(gè)負(fù)電壓，它決定0至255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度，VREF范圍為（+10～-10）V。VREF端與D/A內(nèi)部T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。Vcc：芯片供電電壓，范圍為（+5～15）V。AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。DGND：數(shù)字量地。19DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12-6所示，在DAC0832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號(hào)為ILE；第二級(jí)鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)/XFER。圖12-6DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)ILE為高電平，片選信號(hào)

和寫信號(hào)

為低電平時(shí)，輸入寄存器控制信號(hào)為1，這種情況下，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng)由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)成為低電平，此時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)DB的變化而變化。對(duì)第二級(jí)鎖存來說，傳送控制信號(hào)/XFER和寫信號(hào)/WR2同時(shí)為低電平時(shí)，二級(jí)鎖存控制信號(hào)為高電平，8位的DAC寄存器的輸出隨輸入而變化，此后，當(dāng)/WR2由低電平變高時(shí)，控制信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，于是將輸入寄存器的信息鎖存到DAC寄存器中。

20第一種方法使輸入寄存器工作在鎖存狀態(tài)而DAC寄存器工作在直通狀態(tài)。具體地說就是使/WR2和/XFER都為低電平，DAC寄存器的鎖存選通端得不到有效電平而直通，此外使輸入寄存器的控制信號(hào)ILE處于高電平、/CS處于低電平，這樣當(dāng)/WR1端來一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)就可以完成1次轉(zhuǎn)換第二種方法使輸入寄存器工作在直通狀態(tài)而DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)。就是使/WR1和/CS為低電平，且ILE為高電平，這樣輸入寄存器的鎖存選通信號(hào)處于無效狀態(tài)而直通；當(dāng)/WR2和/XFER端輸入1個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，使得DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)，提供鎖存數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換量可以采用兩種方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存。21①單緩沖方式

單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時(shí)接收數(shù)據(jù)，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。②雙緩沖方式

雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收數(shù)據(jù)，再控制輸入寄存器的輸出數(shù)據(jù)到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入數(shù)據(jù)。此方式適用于多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情節(jié)。根據(jù)上述對(duì)DAC0832的輸入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3種工作方式：③

直通方式直通方式是數(shù)據(jù)不經(jīng)兩級(jí)鎖存器鎖存，即/WR1、/WR2、/XFER和/CS均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路，不過在使用時(shí)，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換。22DAC0832應(yīng)用硬件電路如圖12-7所示。該電路主要由單片機(jī)、DAC0832以及信號(hào)產(chǎn)生電路三部分組成。單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)由P0口輸出，分別接到DAC0832的數(shù)字輸入端DI0～DI7，工作狀態(tài)控制端/CS、/WR1、/WR2、/XFER由單片機(jī)的P2.0、P2.1來控制，參考電壓電路由R4、R5、RV1組成，運(yùn)算放大器U3:A與U3:B與DAC0832的電流輸出端組成輸出信號(hào)產(chǎn)生電路，將電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)。圖12-7DAC0832與單片機(jī)連接電路23產(chǎn)生正弦波波形程序如下：//***********************************************************************// 利用DAC0832產(chǎn)生正選波，正弦波波形產(chǎn)生數(shù)據(jù)在數(shù)組sin_tab[256]中//***********************************************************************#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineDAdata P0sbitDA_S1=P2^0; //控制DAC0832的8位輸入寄存器，僅當(dāng)都為0時(shí)， //可以輸出數(shù)據(jù)（處于直通狀態(tài)），否則，輸出將被鎖存sbitDA_S2=P2^1; //控制DAC0832的8位DAC寄存器，僅當(dāng)都為0時(shí)， //可以輸出數(shù)據(jù)（處于直通狀態(tài)），否則，輸出將被鎖存//===================畫正弦波需要的數(shù)組=============ucharcodesine_tab[256]={//*********************************輸出電壓從0到最大值（正弦波1/4部分）0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5,0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5,0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,//*********************************輸出電壓從最大值到0（正弦波1/4部分）0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,//*********************************輸出電壓從0到最小值（正弦波1/4部分）0x80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51,0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16,0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,//*********************************輸出電壓從最小值到0（正弦波1/4部分）0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4c,0x4e,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80};//==========DA輸出子函數(shù)==========================voidDAout(uchartemp){ DAdata=temp; DA_S1=0; //打開8位輸入寄存器 DA_S1=1; //關(guān)閉8位輸入寄存器}voidmain(){ uchari,k; i=0; DAdata=0; DA_S1=0; //打開8位輸入寄存器 DA_S2=0; //使DAC寄存器處于直通狀態(tài) while(1) { for(i=0;i<256;i++) //下面四個(gè)for循環(huán)，可輸出正弦波 { k=sine_tab[i]; P0=k; } }}24將上述正弦波信號(hào)產(chǎn)生程序經(jīng)編譯后生產(chǎn)的HEX文件裝載到圖12-7中的單片機(jī)中，進(jìn)行仿真后在虛擬示波器上出現(xiàn)如圖12-8所示的正弦波。圖12-8示波器顯示正弦波圖形25產(chǎn)生三角波波形程序如下：//************************************************************************// 利用DAC0832產(chǎn)生三角波

// 三角波主要由上升沿與下降沿組成// 利用函數(shù)循環(huán)產(chǎn)生上升沿與下降沿即可產(chǎn)生三角波//************************************************************************#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineDAdata P0sbitDA_S1=P2^0; //控制DAC0832的8位輸入寄存器，僅當(dāng)都為0時(shí)， //可以輸出數(shù)據(jù)（處于直通狀態(tài)）；否則，輸出將被鎖存sbitDA_S2=P2^1; //控制DAC0832的8位DAC寄存器，僅當(dāng)都為0時(shí)， //可以輸出數(shù)據(jù)（處于直通狀態(tài)）；否則，輸出將被鎖存//==========DA輸出子函數(shù)==========================voidDAout(uchartemp){ DAdata=temp; DA_S1=0; //打開8位輸入寄存器 DA_S1=1; //關(guān)閉8位輸入寄存器}voidmain(){ uchari,k; i=0; DAdata=0; DA_S1=0; //打開8位輸入寄存器 DA_S2=0; //使DAC寄存器處于直通狀態(tài) while(1) { //****************產(chǎn)生三角波的上升斜邊******************* for(i=0;i<255;i++) { DAout(i); } //****************產(chǎn)生三角波的下降斜邊******************* for(i=255;i>0;i--) { DAout(i); } }}26電路圖如圖12-7所示。圖12-