MCS-51与DAAD的接口-杭电

8.3D/A转换器的接口与应用概述为什么要用D/A、A/D转换器件能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。多路开关数字控制计算机DACADC功率放大…功率放大执行机构…执行机构加热炉…加热炉温度传感器…温度传感器信号放大…信号放大多路开关8.3.1DAC的转换原理及分类•1.转换原理DAC的基本原理是把数字量的每一位按照权重转换成相应的模拟分量，然后根据叠加定理将每一位对应的模拟分量相加，输出相应的电流或电压。uo或io输出D/Ad0d1dn－1输入…)2222(00112211oddddKunnnnu•2.DAC的分类•1）根据DAC内部结构不同权电阻网络型“T”型电阻网络型2)根据输出结构的不同电压输出型（如TLC5620）电流输出型(如THS5661A)3)根据与单片机接口方式不同并行接口DAC(如DAC0832、DAC0808)串行接口DAC(TLC5615等)•1.权电阻型DAC权电阻型DAC核心思想在于用等比例的电阻在参考电压的作用下产生和权重对应的权电流，权电流在数字开关的作用下进行合成模拟信号。－＋OO0RR32R221R0I2R3RR12R021I2I3I＋OV2/RRFIREFV0d1d2d3d0S1S3S2S参考电压源、模拟开关、比例电阻、求和放大器8.3.1四位权电阻网络DAC结构权电阻网络型DAC优缺点：•优点:是电路结构简单，使用电阻数量较少；各位数码同时转换，速度较快。•缺点：是电阻译码网络中电阻种类较多、取值相差较大，随着输入信号位数的增多，电阻网络中电阻取值的差距加大；在相当宽的范围内保证电阻取值的精度较困难，对电路的集成化不利。该电路比较适用于输入信号位数较低的场合。2.T型电阻网络型DAC•T型电阻网络型DAC克服了权电阻型DAC电阻阻值较多的缺点，如图8.3.3所示，S0～S3为模拟开关，R—2R电阻解码网络呈倒T形，运算放大器A构成求和电路。REFV0d1d2d3d0S1S3S2SI2I4I8I16IOVRRRR2R2R2R2R2FR16I图8.3.3倒T形电阻网络D/A转换器D/A转换原理--倒T型电阻网络D/A转换电路原理倒T型电阻网络D/A转换原理图R2R2R2R2RRRRRD0D1D2D3节点3节点2节点1节点0IVREF+-VOUTI3I2I1I0图中D3D2D1D0是4位二进制数字量输入，当D3D2D1D0中的某一位状态为1时，图中开关打向右方，为0时，开关打向左方。RFIOUT1IOUT2VREF为基准电压输入，Vout是电压模拟量输出。由运算放大器概念可知：Vout=－RF•Iout1Iout1是开关打向右端的各支路电流Ii之和，实际上（其中就是数字量D3D2D1D0的某一位）Di（b）等效电路图R2R2R2R2RRRRRD0D1D2D3节点3节点2节点1节点0IVREFI3I2I1I0由等效电路图（b）可知，各支路电流分别为：iiiRVFOUTDRVREF30162上式右边iiiD302表示的就是数字量D3D2D1D0的值（按权展开），而左边是模拟量输出值，可见模拟量输出正比于数字量输入，即实现了D/A转换。D/A转换器的主要技术指标：•1）分辩率(Resolution)指最小模拟输出量（对应数字量仅最低位为‘1’）与最大量（对应数字量所有有效位为‘1’）之比。•分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：001.01023112110•2）建立时间(SettingTime)是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间。D/A中常用建立时间来描述其速度，而不是A/D中常用的转换速率。•一般地，电流输出D/A建立时间较短，电压输出D/A则较长。•其他指标还有线性度(Linearity)、转换精度、温度系数/漂移等。8.3.2并行接口DAC•并行DAC按照转换位数分为8位、10位、12位、16位等，考虑单片机接口便利程度这里以经典的DAC0832D/A转换器介绍并行接口DAC。DAC0832特点:DAC0832是一个8位通用型D/A转换器，该芯片具有以下特点：单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作基准电压的范围为－10～＋10V；电流建立时间为1uS；四象限电流输出型；CMOS工艺，低功耗20mW。DAC0832芯片及其与单片机接口与应用一.DAC0832的引脚(20PIN)及结构0832----8位D/A0832引脚功能IOUT2电流输出2CS选片WR1输入写DI0~DI7数据线CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFRDGNDVccILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT2IOUT1DAC0832DAC写WR2IOUT1电流输出1数据锁存ILE数据传送XFER图9-4DAC0832的引脚分布图二、DAC0832的控制信号引脚功能电流输出1输入写DAC写数据传送输入寄存器的使用1、ILE=1,WR1=0输入寄存器直通2、ILE=1,WR1=1输入寄存器锁存DAC寄存器的使用1、XFER=0,WR2=0DAC寄存器直通2、XFER=0,WR2=1DAC寄存器锁存已知：cs=0三．DAC0832的工作方式DAC0832有三种方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。1．直通方式：、、、直接接地，ILE接电源，DAC0832工作于直通方式，此时，8位输入寄存器和8位DAC寄存器都直接处于导通状态，8位数字量到达DI0~DI7，就立即进行D/A转换，从输出端得到转换的模拟量。WR1WR2CSXFER当引脚8031P2.7P1DI7~DI0CSXFERWR1WR2DAC0832IOUT2IOUT1+-RFRILE+5V8031P3.6P2.7P1DI7~DI0CSXFERWR1WR2DAC0832IOUT2IOUT1+-RFRDAC0832单缓冲方式接口电路ILE+5V2．单缓冲方式：WR1WR2CSXFER当连接引脚、、、，使得两个锁存器的一个处于直通状态，另一个处于受控制状态，或者两个被控制同时导通，DAC0832就工作于单缓冲方式，例如下图就是一种单缓冲方式的连接对于下图的单缓冲连接，只要数据DAC0832写入8位输入锁存器，就立即开始转换，转换结果通过输出端输出。3．双缓冲方式：当8位输入锁存器和8位DAC寄存器分开控制导通时，DAC0832工作于双缓冲方式，双缓冲方式时单片机对DAC0832的操作分两步，第一步，使8位输入锁存器导通，将8位数字量写入8位输入锁存器中；第二步，使8位DAC寄存器导通，8位数字量从8位输入锁存器送入8位DAC寄存器。第二步只使DAC寄存器导通，在数据输入端写入的数据无意义。下图就是一种双缓冲方式的连接。P2.7P2.6P3.6P1.0~P1.78051Vout-VCCILECSXFERWR1WR2DI0~DI7DGNDAGNDVREFRfbIOUT1IOUT2+5V--5V--A+-•四、电压输出方法•DAC0832是一个电流输出型DAC，要想输出电压要增加电流/电压变换环节，常用运算放大器实现转换（如图8.3.6所示，图中DAC0832工作于直通方式），图中图8.3.6单极性输出图8.3.7双极性输出五．DAC0832的应用D/A转换器在实际中经常作为波形发生器使用，通过它可以产生各种各样的波形。它的基本原理如下：利用D/A转换器输出模拟量与输入数字量成正比这一特点，通过程序控制CPU向D/A转换器送出随时间呈一定规律变化的数字，则D/A转换器输出端就可以输出随时间按一定规律变化的波形。00H0FFHA=00A=0FFHA=00A=0FFH直通方式举例•程序实例1：输出正锯齿波•Main（）•{•While（1）•P1++；//这里假设P1口接数据输入•}•程序实例2：输出负锯齿波•Main（）•{While（1）•P1--；//这里假设P1口接数据输入•}•程序实例3：输出三角波•Main（）•{•P1=0；•While（1）•{•While（1）•{•If(P1！=0xFF)•P1++；//这里假设P1口接数据输入•Else•Break；•}•While（1）•{•If(P1！=0x00)•P1--；//这里假设P1口接数据输入•Else•Break；•}}}8.3.3串行接口DAC•近年来，随着串行总线（SPI、IIC、QSPI等）的飞速发展及串行总线在单片机的普及，采用串行接口的低成本DAC越来越多。这里以TLC5615为例介绍串行接口DAC。TLC5615的特点：（1）10位CMOS电压输出；（2）5V单电源供电；（3）与CPU三线串行接口；（4）最大输出电压可达基准电压的二倍；（5）输出电压具有和基准电压相同极性；（6）建立时间12.5uS；（7）内部上电复位；（8）低功耗，最大仅1.75mW。图8.3.10TLC5615内部结构TLC5615工作时序：当片选为低电平时，输入数据DIN由时钟SCLK同步输入，而且最高有效位在前，低有效位在后。输入时SCLK的上升沿把串行输入数据DIN移入内部的16位移位寄存器，片选的上升沿把数据传送至DAC寄存器。图8.3.11TLC5615典型工作时序结论：•要想串行输入数据和输出数据必须满足两个条件：•1、时钟SCLK的有效跳变；•2、片选CS为低电平。•Note：为了使时钟的内部馈通最小，当片选为高电平时，输入时钟SCLK应当为低电平。例：在电路中，AT89S51单片机的P3.0－P3.2分别控制TLC5615的片选，串行时钟输入SCLK和串行数据输入DIN。电路的连接采用非级联方式（12位方式），参考电压2V，最大输出电压4V。•//TI10位DACTLC5615的示例程序•#defineSPI_CLKP3_1•#defineSPI_DATAP3_2•#defineCS_DAP3_0•voidda5615(unsignedintdat)•{•unsignedchari;•dat=6;//D/A数据最高位移到dat最高位，低6位补零•CS_DA=0;•SPI_CLK=0;•for(i=0;i12;i++)•{•SPI_DATA=(bit)(dat&0x8000);•SPI_CLK=1;•dat=1;•SPI_CLK=0;•}•CS_DA=1;•SPI_CLK=0;•for(i=0;i100;i++);•}8.4A/D转换器的接口与应用•A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter）是将模拟量转换成数字量的器件，通常也用ADC表示，它可以将模拟量比例地转换成数字量，是模拟量测量的基本器件。•8.4.1ADC的转换原理及分类•8.4.2并行接口ADC(ADC0809)•8.4.3串行接口ADC(TLC549)1．A/D转换器的基本原理dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路CPSSCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)…模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。8.4.1ADC的转换原理及分类2.ADC的分类•ADC的种类很多，根据转换原理，常见的ADC主要有逐次逼近式和双积分式等类型。•1）逐次逼近式原理•逐次逼近转换过程与用天平称物重过程非常相似，按照天平称重的思路，逐次比较型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。逐次逼近式ADC具有较快的转换速率和较高的精度，转换速率介于全并式和双积分式之间，应用非常广泛，常用的集成逐次比较型