《單片機應用技術》課件第6章

項目6簡易信號發(fā)生器設計6.1項目要求

6.2理論知識

6.3項目分析及實施

6.4項目拓展

6.5項目總結習題

6.1項目要求

在計算機應用領域，尤其是在實時控制系統(tǒng)中，經常需要將計算機計算結果的數字量轉換為連續(xù)變化的模擬量，用來控制、調節(jié)一些電路，實現對被控對象的控制。能夠實現數字量轉為模擬量的器件通常稱作數/模(D/A)轉換器。

本項目通過信號發(fā)生器設計，介紹D/A轉換器在單片機控制系統(tǒng)中的應用，項目要求以STC89C52單片機為核心，設計一個簡易信號發(fā)生器，此信號發(fā)生器可以輸出正弦波、三角波、方波、鋸齒波。項目重難點：

(1)D/A轉換器的相關技術指標；

(2)D/A轉換器與51單片機的接口電路設計；

(3)51單片機控制D/A轉換器程序設計。

技能培養(yǎng)：

(1)熟練掌握單片機與常見D/A轉換器的接口電路設計方法；

(2)熟練掌握常見D/A轉換程序設計方法；

(3)能夠分析和解決D/A轉換中遇到的問題。

6.2理論知識

6.2.1

D/A轉換器的基本原理

1.D/A轉換器的分類

D/A轉換器按工作方式可分為并行D/A轉換器、串行D/A轉換器和間接D/A轉換器等。在并行D/A轉換器中，又分為權電阻D/A轉換器和R-2RT型D/A轉換器。

D/A轉換器按模擬量輸出方式可分為電流輸出D/A轉換器和電壓輸出D/A轉換器。

D/A轉換器按D/A轉換的分辯率可分為低分辯率D/A轉換器、中分辯率D/A轉換器和高分辯率D/A轉換器。

D/A轉換器按模擬電子開關電路的不同可分為CMOS開關型D/A轉換器(速度要求不高)、雙極型開關D/A轉換器、電流開關型(速度要求較高)和ECL電流開關型(轉換速度更高)。

2．D/A轉換器的組成

D/A轉換器由數碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼網絡、求和電路及基準電壓等幾部分組成。

以R-2RT型D/A轉換器為例，其由基準電壓VREF、T型(R-2R)電阻網絡、位切換開關和運算放大器組成。

3.D/A轉換器的工作原理

數字量是用代碼按數位組合起來表示的，對于有權碼，每位代碼都有一定的位權。為了將數字量轉換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權的大小轉換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的總模擬量，從而實現了數字—模擬轉換。這就是D/A轉換器的基本指導思想。

數字量以串行或并行方式輸入、存儲于數碼寄存器中，數字寄存器輸出的各位數碼，分別控制對應位的模擬電子開關，使數碼為1的位在位權網絡上產生與其權值成正比的電流值，再由求和電路將各種權值相加，即得到數字量對應的模擬量。我們以R-2RT型D/A轉換器為例簡要介紹D/A轉換器的工作原理。如圖6-1所示為R-2RT型D/A轉換器原理電路。圖6-1

R-2RT型D/A轉換器原理電路圖6-1所示的電路是一個3位二進制數的D/A轉換電路，每位二進制數控制一個開關S。當第i位的數碼為“0”時，開關Si打在左邊；當第i位的數碼為“1”時，開關Si打在右邊。當S0接通時，由圖可知：

由于B點對地電阻相當于兩個2R的并聯即等于R，所以：

同理可以推出：則可以推出：

將上式推廣到n位二進制數的轉換，可得一般表達式：則輸出電壓為：

輸出電壓會因器件誤差、集成運放的非理想特性而產生一定的轉換誤差。

一般D/A轉換器用如圖6-2所示的框圖表示。圖中輸入量與輸出量的關系為

ＵOUT＝B×Ur

圖6-2

D/A轉換器框圖6.2.2

D/A轉換器的技術性能指標

1．分辯率

分辨率是D/A轉換器對輸入量變化敏感程度的描述，與輸入數字量的位數有關。如果數字量的位數為n，則D/A轉換器的分辨率為1/2n。這就意味著數/模轉換器能對滿刻度的1/2n輸入量作出反應。即：

分辨率＝輸出模擬量的滿量程值／2n

2.精度

如果不考慮D/A的轉換誤差，D/A轉換的精度為其分辨率的大小。因此，要獲得一定精度的D/A轉換結果，首要條件是選擇有足夠分辨率的D/A轉換器。當然，D/A轉換的精度不僅與D/A轉換器本身有關，也與外電路以及電源有關。

3.轉換速度

轉換速度是DAC每秒可以轉換的次數，其倒數為轉換時間。轉換時間是指從輸入數字量到轉換為模擬量輸出所需的時間。當D/A轉換器的輸出形式為電流時，轉換時間較短；當D/A轉換器的輸出形式為電壓時，由于轉換時間還要加上運算放大器的延遲時間，因此轉換時間要長一點，一般在幾十微秒內。

4.建立時間

建立時間是描述D/A轉換速度快慢的一個重要指標，指從輸入數字量變化到輸出達到終值誤差±(1/2)LSB(最低有效位)時所需的時間，即輸入的數字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應的數字范圍內所需的時間。

通常以建立時間來表示轉換速度。轉換器的輸出形式為電流時建立時間較短；而當輸出形式為電壓時，由于還要加上運算放大器的延遲時間，因此建立時間要長一點。但總的來說，D/A轉換速度遠高于A/D轉換速度，例如快速的D/A轉換器的建立時間只需1μs。

5.輸入編碼形式

輸入編碼形式是指D/A轉換電路輸入的數字量的形式。如二進制碼、BCD碼等。

6.線性度

線性度是指D/A轉換器的實際轉移特性與理想直線之間的最大誤差或最大偏移。通常給出在一定溫度下的最大非線性度，一般為0.01%～0.03％。

7.輸出電平

不同型號的D/A轉換芯片，輸出電平相差很大。大部分D/A轉換芯片是電壓型輸出，一般為5～10V；也有高壓輸出型的，為24～30V。也有一些是電流型的輸出，低者為20mA左右，高者可達3A。

8.尖峰

尖峰是輸入的數字量發(fā)生變化時產生的瞬時誤差。通常尖峰的轉換時間很短，但幅度很大。在許多場合是不允許有尖峰存在的，應采取措施予以消除。

正確了解D/A轉換器件的技術性能參數，對于合理選用轉換芯片、正確設計接口電路十分重要。但要注意的是目前各器件生產廠家對同一參數給出不同的定義，使用時要注意。

其實在選擇D/A轉換器時，不僅要考慮上述性能指標，還要考慮D/A轉換芯片的如下的一些結構特性和應用特性。

(1)數字輸入特性：串行輸入或并行輸入以及邏輯電平等。

(2)模擬輸出特性：電流輸出或電壓輸出以及輸出的范圍等。

(3)鎖存特性及轉換特性：是否具有鎖存功能，是單緩沖還是雙緩沖，如何啟動轉換等。

(4)參考電壓：是內部參考電壓還是外部參考電壓以及其大小和極性等。

(5)電源：功耗的大小，是否具有低功耗的模式，正常工作時需要幾組電源及電壓的高低等。 6.3項目分析及實施

6.3.1任務1——燈光亮度調節(jié)器設計

1.任務要求和分析

1)任務要求

利用單片機控制一個發(fā)光二極管，使發(fā)光二極管的亮度逐漸變暗，再逐漸變亮，不斷循環(huán)。

2)任務分析

我們用一只電阻和發(fā)光二極管串聯，發(fā)光二極管的正極接電源，負極接地就可以點亮發(fā)光二極管。當其限流電阻固定時，改變電源的電壓值就可以改變LED燈的亮度。改變電源電壓值實質上是通過改變電壓達到改變電流的目的。也就是若要改變發(fā)光二極管的亮度，必須改變通過發(fā)光二極管的電流，因為發(fā)光二級管是電流驅動的，電流連續(xù)的變化時，發(fā)光二極管的亮度也會逐漸變化。但是單片機輸出的是數字量，因此必須將這個數字量轉換成模擬量之后，再去控制流過發(fā)光二極管的電流，就能制作成一個燈光亮度調節(jié)器。這里我們需要D/A轉換芯片完成數字量到模擬量的轉換任務。

2.器件及設備選擇

集成的D/A轉換器我們稱為DAC芯片，有多種型號。根據DAC芯片是否可采用總線形式與單片機直接接口，可以分為兩類：一類在芯片內部只有完成D/A轉換功能的基本電路，不帶數據鎖存器(如DAC0808)，這類DAC芯片內部結構簡單，價格較低，但是與單片機連接時不太方便，為了保存來自單片機的轉換數據，接口時需要另外加鎖存器；另一類在芯片內部除了有完成D/A轉換功能的基本電路外，還帶有數據鎖存器(如DAC0832)，帶鎖存器的D/A轉換器可以看作一個輸出口，可直接連接在數據總線上，不需要另外加鎖存器，目前這類DAC芯片應用比較廣泛。目前單片機系統(tǒng)常用的D/A轉換器的轉換精度有8位、10位、12位等，與單片機的接口方式有并行接口，也有串行接口。這里我們選用DAC0832轉換器。

1)DAC0832芯片介紹

DAC0832由美國國家半導體公司研制，同系列芯片還有DAC0830和DAC0831，它們都是8位D/A轉換器，可以互換。DAC0832是采用COMS/Si-Cr工藝制成的雙列直插式單片8位D/A轉換器。它可以直接與CPU相連，也可以同單片機相連，以電流形式輸出。當需要轉換為電壓輸出時，可外接運算放大器。其主要特性有：

(1)輸出電流線性度可在滿量程下調節(jié)；

(2)轉換時間(電流建立時間)為１μs；

(3)數據輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式；

(4)增益溫度補償為0.02%FS/℃；

(5)每次輸入數字為8位二進制數；

(6)低功耗，20mW；

(7)邏輯電平輸入與TTL兼容；

(8)基準電壓的范圍為±10V；

(9)單電源供電，可在＋5～＋15V內正常工作。

DAC0832可以直接接收從單片機輸入的數字量，并經一定的方式轉換成模擬量。D/A轉換器輸出的模擬量與輸入的數字量是成正比關系的。

DAC0832的工作原理很簡單，它將數字量的每一位按權值分別轉換成模擬量，再通過運算放大器求和相加，因此D/A轉換器內部有一個解碼網絡，以實現按權值分別進行D/A轉換。

DAC0832由兩個數據鎖存器、一個8位D/A轉換器和控制電路等組成。DAC0832的內部結構如圖6-3所示。

8位輸入寄存器由8個D鎖存器組成。它的8條輸入線可以直接和單片機的數據總線相連。LE1為其控制輸入端，當LE1=1時，8位輸入寄存器處于送數狀態(tài)；當LE1=0時，為鎖存狀態(tài)。圖6-3

DAC0832的內部結構圖

8位DAC寄存器也由8個D鎖存器組成。8位輸入數據只有經過DAC寄存器才能送到D/A轉換器進行轉換。它的控制端為LE2，當LE2=1時，8位DAC寄存器處于送數狀態(tài)；當

LE2=0時，為鎖存狀態(tài)。DAC寄存器的輸出數據直接送到8位D/A轉換器進行數模轉換。

8位D/A轉換器是采用一個R-2R的T型電阻網絡的D/A轉換電路，其輸出是與數字量成比例的電流。為了得到電壓信號還需外接運算放大器?？刂七壿嫴糠纸邮胀鈦淼目刂菩盘栆钥刂艱AC0832的工作。當ILE、CS、WR1都有效時，8位輸入寄存器處于送數狀態(tài)，數據由8位輸入寄存器的輸入端傳送到其輸出端。當XFER、WR2都有效時，DAC寄存器處于送數狀態(tài)，數據由DAC寄存器的輸入端傳送到其輸出端,并進行D/A轉換。雙列直插式封裝的DAC0832的引腳排列如圖6-4所示。圖6-4

DAC0832的引腳運算放大器的接法如圖6-5所示。圖6-5運算放大器的接法

2)DAC0832的輸出

DAC0832是電流輸出型D/A轉換器，為了得到電壓輸出，在使用時需要在兩個電流輸出端連接運算放大器。根據運放和DAC0832的連接方法，運放的輸出可以分為單極性輸出和雙極性輸出兩種。圖6-6是一種單極性輸出電路。圖6-6

DAC0832單極性電壓輸出電路在圖6-4中DAC0832的Iout2被接地，Iout1輸出的電流經運放器741輸出一個單極性電壓。運放的輸出電壓為

式中，B為DAC0832的輸入數字量。由于VREF接－5V的基準電壓，所以單極性電壓的范圍為0～＋5V。

如果在單極性輸出的電路中再加一個加法器，便構成雙極性輸出電路。圖6-7是一種雙極性電壓輸出電路。圖6-7

DAC0832雙極性電壓輸出電路由以上運放的連接方法，可以導出輸出電壓與輸入數據的關系。假設運放OP1的輸出為Vout1，OP2的輸出為Vout，則

根據上式，當VREF為正，數字量在0x01～0x7F之間變化時，Vout為負值；當數字量在0x80～0xFF之間變化時，Vout為正值。

3)DAC0832與51單片機的接口方式

DAC0832由輸入寄存器和DAC寄存器構成兩級數據輸入鎖存，也就是可以實現兩次緩沖，即在輸出的同時，還可以存放一個帶轉換的數字量，這就提高了轉換速度。當多芯片同時工作時，可用同步信號實現各模擬量同時輸出。所以DAC0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。直通方式是數據直接輸入(兩級直通)的形式，單緩沖方式是單級鎖存(一級鎖存，一級直通)形式，雙緩沖方式的數據輸入可以采用兩級鎖存(雙鎖存)的形式。在3種不同的工作方式下，DAC0832與單片機的接口也不同。

(1)直通方式下的接口電路。

在直通方式下，兩個8位數據寄存器都處于數據接收狀態(tài)，即LE1和LE2都為1。為此，ILE=1，而WR1、WR2、CS和XFER均為0。輸入數據直接送到內部D/A轉換器去轉換。

直通方式下51單片機與DAC0832的接口電路如圖6-8所示。

用指令“P1=0xFF；”就可以將一個數字量(0xFF)轉換為模擬量。圖6-8直通方式下89C51與DAC0832的連接圖

(2)單緩沖方式下的接口電路。所謂單緩沖方式，就是使DAC0832的兩個8位數據寄存器中有一個處于直通方式，而另一個處于受控的鎖存方式，或者兩個8位數據寄存器處于同時受控的方式，即同時送數，同時鎖存。在實際應用中，如果只有一路模擬量輸出或雖有幾路模擬量但并不要求同步輸出的情況，就可采用單緩沖方式。

例如，在單緩沖工作方式下，可以將8位DAC寄存器置于直通方式。為此，應將WR2和XFER接地，而輸入寄存器的工作狀態(tài)受單片機的控制。單緩沖方式下51單片機與DAC0832的一種接口電路如圖6-9所示。圖6-9單緩沖方式下89C51與DAC0832的連接圖一

DAC0832單緩沖工作方式的另一種接口電路如圖6-10所示。圖6-10單緩沖方式下89C51與DAC0832的連接圖二

(3)雙緩沖方式下的接口電路。所謂雙緩沖方式，就是把DAC0832的兩個鎖存器都接成受控鎖存方式。DAC0832的WR1、WR2、CS和XFER都受單片機送來的信號的控制。雙緩沖方式下51單片機與兩片DAC0832的接口電路如圖6-11所示。圖6-11雙緩沖方式下89C51與兩片DAC0832的連接圖

3.任務實施

1)燈光亮度調節(jié)器硬件原理圖設計

用Protus軟件繪制燈光亮度調節(jié)器的硬件電路如圖6-12所示。DAC0832工作于單緩沖方式，地址由P2和P0口決定，由于片選信號CS必須低電平有效，所以P2.7須為0，這樣DAC0832的地址為0x7FFF。由于DAC0832的VREF接－5V的基準電壓，所以其輸出的單極性電壓在0～＋5V之間變化。圖6-12燈光亮度調節(jié)器硬件電路圖

2)燈光亮度調節(jié)器軟件程序設計

根據任務的要求，依次從單機PI口送出0xFF到0x00數字量給DAC0832，經過D/A轉換后輸出的模擬量就可以使發(fā)光二極管由亮變暗，反之由暗變亮。

源程序如下：程序分析：

DAC0832的地址為0x7FFF，在程序的開始就定義好，這樣只要將傳送的數字信號送給該地址就可以了。首先將i=255送入DAC0832，轉換出的電壓就是+5V，LED處于最亮的狀況，逐漸減小i值，則輸出的電壓也逐漸減小，LED由亮逐漸變暗，每一次改變i值延時1ms，當i值減到0后又逐漸增加，輸出的電壓也逐漸增大，LED又由暗逐漸變亮，用while(1)反復執(zhí)行。

3)軟硬件聯合調試

在Protus環(huán)境下，將編譯好的軟件下載到單片機中運行,可以看到LED燈如任務要求的一樣先由亮逐漸變暗，再由暗逐漸變亮。6.3.2任務2——信號發(fā)生器的設計

1.任務要求和分析

1)任務要求

用單片機AT89C51和D/A轉換芯片DAC0832設計簡易信號發(fā)生器，輸出鋸齒波、三角波、方波或正弦波。

2)任務分析

鋸齒波、三角波和方波的生成比較簡單，向DAC0832反復送入0x00～0xFF數據，就會生成幅度為0V～+5V的鋸齒波，而向DAC0832反復送入0x00～0xFF和0xFF～0x00數據，就會生成幅度為0V～+5V的三角波，若向DAC0832送入一定時長的0x00和一定時長的0xFF，則會生成幅度為0V～+5V的方波，其周期與單片機的機器周期和程序中的延時長短相關。正弦波的生成相對復雜一些。如果把正弦信號按等時間間隔進行分割，計算出分割時刻的信號幅值，將這些幅值對應的數字量存儲到ROM中，然后用查表的方法取出這些取樣值，送到DAC0832轉換后輸出，那么輸出信號就是正弦波形。比如要產生頻率為50Hz的正弦波信號，波形如圖6-13所示。如果將正弦波信號以5°作為1個階梯，則共分割成360°／5°＝72份，則時間間隔應該為20ms／72＝0.278ms。當參考電壓為－5V時，72個采樣值、輸出電壓值、正弦值、角度如表6-1所示。表6-1正弦波數據表

2.器件及設備選擇

我們運用實驗板中的D/A轉換部分就可以設計簡易的信號發(fā)生器，其中用到的主要器件就是AT89C51、DAC0832、UA741等，輸出波形可以通過示波器來觀察。

3.任務實施

1)簡易信號發(fā)生器硬件原理圖設計

信號發(fā)生器的硬件電路如圖6-14所示。DAC0832工作于單緩沖方式，地址為0x7FFF。由于DAC0832的VREF接－5V的基準電壓，用UA741運放將電流轉換為電壓，因此其輸出的單極性電壓在0～＋5V之間變化。在電壓輸出端加入一只虛擬示波器和一只電壓表用于觀察結果。圖6-14信號發(fā)生器的硬件電路

2)簡易信號發(fā)生器軟件程序設計

任務要求的波形不同，程序就有所區(qū)別，我們分別加以介紹。

(1)產生鋸齒波的源程序如下：

＃include<reg51.h>

＃include<absacc.h>

＃defineuintunsignedint

＃defineucharunsignedchar

＃defineDAC0832XBYTE［0x7FFF］

voidDelayMS(uintx)

{uchart；程序分析：

程序每循環(huán)一次，i加1，因此實際上鋸齒波的上升邊是由255個小階梯構成的。但因為階梯很小，所以宏觀上看就如同線性增長鋸齒波一樣?？赏ㄟ^循環(huán)程序段的機器周期數，計算出鋸齒波的周期。并可根據需要，通過延時的辦法來改變波形周期。當延遲時間較短時，可用空操作來實現(本程序就是如此)；當需要延遲時間較長時，可以使用一個延時子程序。延遲時間不同，波形周期不同，鋸齒波的斜率就不同。通過i加1，可得到正向的鋸齒波。如要得到負向的鋸齒波，改為減1指令即可實現。程序中i的變化范圍是0～255，因此得到的鋸齒波是滿幅度的。如要求得到非滿幅鋸齒波，可通過計算求得數字量的初值和終值，然后在程序中通過置初值判終值的辦法即可實現。

(2)產生三角波的源程序如下：

＃include<reg51.h>

＃include<absacc.h>

＃defineuintunsignedint

＃defineucharunsignedchar

＃defineDAC0832XBYTE［0x7FFF］

voidDelayMS(uintx)

{uchart；程序分析：

程序中將數字從0～255逐個增大送給DAC0832轉換，輸出的電壓會從0～+5V上升，之后又將數字從255～0逐個減小給DAC0832轉換，輸出的電壓會從+5V～0下降，形成三角波。

(3)產生正弦波的源程序如下：

＃include<reg51.h>

＃include<absacc.h>

＃defineuintunsignedint

＃defineucharunsignedchar

＃defineDAC0832XBYTE［0x7FFF］程序分析：

我們把表6-1中計算好的正弦波各點的數值存放在數組data［72］中，這樣在程序中只要將這一個周期的數值反復送入DAC0832轉換，就可以得到連續(xù)的正弦波信號。

3)軟硬件聯合調試

將上面相應波形的程序編譯為*.hex文件后，加載到單片機中運行，在虛擬示波器上可以看到對應的波形圖。在Proteus仿真運行過程中可能會提示CPU過載，這時虛擬示波器可能會無法實時顯示波形，可將虛擬示波器通道A中指向1的黃色旋鈕從1開始先正向旋轉一圈，再反向旋轉一圈，這樣會使虛擬示波器盡快刷新顯示波形。

如果是將程序下載到實驗板中，可以用示波器檢測UA741輸出的實際波形。

6.4項目拓展

1.TLC5615主要特性

(1)5V單電源供電；

(2)10位CMOS電壓輸出；

(3)與CPU3線串行接口；

(4)高阻抗基準輸入端；

(5)DAC的最大輸出電壓為基準輸入電壓的2倍；

(6)上電時內部自動復位；

(7)低功耗，最大功耗為1.75mW；

(8)轉換速率快，更新率為1.21MHz，建立時間12.5μs。小型(D)封裝TLC5615CD和塑料DIP(P)封裝TLC5615CP的工作溫度范圍均為0℃～70℃；而小型(D)封裝TLC5615ID和塑料DIP(P)封裝TLC5615IP的工作溫度在－40℃～85℃范圍內。

2.TLC5615內部結構及引腳

TLC5615的內部功能框圖如圖6-15所示，它主要由以下幾部分組成：

(1)10位DAC電路；

(2)一個16位移位寄存器，接受串行移入的二進制數。并且有一個級聯的數據輸出端DOUT；

(3)并行輸入/輸出的10位DAC寄存器，為10位DAC電路提供待轉換的二進制數據；圖6-15

TLC5615的內部功能框圖

(4)電壓跟隨器為參考電壓端REFIN提供很高的輸入阻抗，大約10MΩ；

(5)×2電路提供最大值為2倍于REFIN的輸出；

(6)上電復位電路和控制電路。

8腳直插式TLC5615的引腳分布如圖6-16所示。各引腳功能如下：

(1)DIN，串行二進制數輸入端；

(2)SCLK，串行時鐘輸入端；

(3)CS，芯片選擇，低電平有效；

(4)DOUT，串行數據輸出端；

(5)AGND，模擬地；

(6)REFIN，基準電壓輸入端；

(7)OUT，DAC模擬電壓輸出端；

(8)VDD，正電源電壓端。

3.TLC5615時序及工作過程

TLC5615的工作電源一般要求在4.5～5.5V，通常取5V；高電平輸入電壓不小于2.4V；低電平輸入電壓不高于0.8V，基準輸入電壓為2V～(VDD-2)，通常取2.048V，負載電阻一般不小于2kΩ。

TLC5615工作時序如圖6-17所示。圖6-17

TLC5615時序

TLC5615有兩種工作方式。從圖6-15可以看出，16位移位寄存器分為高4位虛擬位、低2位填充位以及10位有效位。在TLC5615工作時，只需要向16位移位寄存器按先后輸入10位有效位和低2位填充位，2位填充位數據任意，這是第一種方式，即12位數據序列。第二種方式為級聯方式，即16位數據序列，可以將本片的DOUT接到下一片的DIN，需要向16