项目9 信号发生器的设计

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PCF8591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。9.1.1D/A转换器的基本原理1．D/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-2RT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）2．D/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-2RT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。3．D/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，实现数字—模拟转换。R-2RT型D/A转换器工作原理：图9.1R-2RT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′＝2I1I2′＝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：ＵOUT＝B×Ur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：B＝bn-1bn-2…b1b0＝bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+b1×21+b0×20式中，bn-1为最高位；b0为最低位。1．分辨率分辨率是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。9.1.2D/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，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5～10V；也有高压输出型的，为24～30V。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、10位、12位等，与单片机的接口方式有并行接口、串行接口。9.1.3DAC0832芯片及其与单片机接口电路1．DAC0832芯片介绍（1）DAC0832的性能8位D/A转换器，单电源供电，在+5～+15V范围均可正常工作。基准电压的范围为±10V；电流建立时间为1μs；CMOS工艺，低功耗(仅为20mW)。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１μｓ；●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，可在＋5～＋15V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-2RT型电阻网络，可实现8位数据的转换。ILEILE（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＋5～＋15V内变化。典型使用时用+15V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。DI0～DI7：8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－10～＋10V。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０。Iout2为DAC电流输出2。DAC转换器的特性之一是Iout1＋Iout2=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（15kΩ）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是电流输出型D/A转换器。图9.6DAC0832单极性电压输出电路单极性输出运放：Vout＝－Iout1×Rfb＝－B×Vref/256双极性输出运放：Vout＝－(Vout1/R＋Vref/2R)×2R＝－2Vout1－Vref＝2B×Vref/256－Vref＝B×Vref/128－Vref＝Vref×(B－128)/128图9.7DAC0832双极性电压输出电路当Vref为正，数字量在0x01～0x7F之间变化时，Vout为负值；当数字量在0x80～0xFF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=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。2．DAC0832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。①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：#defineDAC0832XBYTE[0x7FFF]DAC0832=0x08；或output(0x7FFF，0x08)；②两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=0，P2.6=1，8位输入寄存器处于送数状态，8位DAC寄存器处于锁存状态，不能进行D/A转换。双缓冲方式下89C51与两片DAC0832的连接图如DAC0832的8位输入寄存器地址为0x7FFF，WR=0，P2.7=1，P2.6=0，8位DAC寄存器处于送数据状态，开始进行D/A转换。DAC0832的8位DAC寄存器的地址为0xBFFF，将一个数字量转换为模拟量的程序：#defineDAC0832_1XBYTE[0xBFFF]#defineDAC0832_2XBYTE[0x7FFF]DAC0832_1=0x08；DAC0832_2=0x08；或output(0x