单片机原理及应用 教学课件 ppt 作者 张兰红 第10章 80C51单片机的测控接口

1、03:14,1,第10章 80C51单片机的测控接口,03:14,2,内 容,D/A转换接口技术,10.1,A/D转换接口技术,10.2,开关量的接口技术,10.3,03:14,3,单片机用于智能仪表和测控系统时，需要处理大量的外部信息，这些信息除包含数字量外，还可能包含模拟量与开关量信息。 工程实践中经常遇到被测对象的一些物理参数，如温度、流量、压力、位移、速度等，这些参数均是模拟量。虽然这些模拟量已经由传感器、变送器变换成标准的电压或电流信号，但还需要通过模拟量/数字量(A/D)转换器，将其转换成为计算机能够处理的相应的数字信号。 同样，计算机对模拟量设备进行控制时，如控制电动调节阀、模拟调速系统、模拟记录仪等，就需要将计算机输出的数字信号通过数字量/模拟量(D/A)转换器，转换成外设能够接收的相应的模拟信号。 另一类常见的信号是开关信号，它们来自开关类器件的输入，如拨盘开关、扳键开关、继电器的触点等。当计算机输出控制对象是具有开关状态的设备时，计算机的输出就应该为开关量。,03:14,4,模拟量I/O接口的作用： 实际工业生产环境检测与控制的是连续变化的模拟量 例如：电压、电流、

2、压力、温度、位移、流量 计算机内部进行处理的是离散的数字量 二进制数、十六进制数,8051单片机与D/A、A/D转换器的接口,03:14,5,模拟量I/O通道的组成,03:14,6,模拟量输入通道,传感器（Transducer） 非电量电压、电流 变送器（Transformer） 转换成标准的电信号 信号处理（Signal Processing） 放大、整形、滤波 多路转换开关（Multiplexer） 多选一 采样保持电路（Sample Holder，S/H） 保证变换时信号恒定不变 A/D变换器（A/D Converter） 模拟量转换为数字量,03:14,7,模拟量输出通道,D/A变换器（D/A Converter） 数字量转换为模拟量 低通滤波 平滑输出波形 驱动放大 提供足够的驱动电压，电流,03:14,8,10.1 D/A转换接口技术,1. D/A转换器的基本原理及分类,数字量到模拟量的转换称为数/模转换。 完成数/模转换的器件称为D/A转换器(Digital to Analog Converter)，通常用DAC表示。DAC能够将数字量转换成与之成正比的电压或电流信号。,

3、数字量是二进制代码的位组合，每一位数字代码都有一定的“权”，并对应一定大小的模拟量。为了将数字量转换成模拟量，应将每一位都转换为相应的模拟量，然后将其求和即可得到与该数字量成正比的模拟量。,03:14,9,补充 D/A变换器的基本原理 D/A变换器的基本工作原理 组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络 基本结构如图：,03:14,10,D/A变换原理,运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输入电压Vin的关系为：,式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻,Vin,Rf,Vo,R,03:14,11,若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：,Vin,Rf,VO,R1,式中：Ri 为第i支路的输入电阻,Rn,03:14,12,令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref，则有 如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为,若Si=1,该项对VO有贡献 若Si=0,该项对VO无贡献,03:14,13,2Rf 4Rf 8Rf 16Rf 32Rf 64Rf 128Rf

4、256Rf,Vref,Rf,VO,S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8,与上式相对应的电路如下(图中n=8)：,图中的电阻网络就称为权电阻网络,03:14,14,如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，那么根据二进制代码的不同，输出电压VO也不同，这就构成了8位的D/A转换器。 可以看出，当代码在0FFH之间变化时，VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化。 为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络(见下页)，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。,03:14,15,R-2R T型电阻网络,03:14,16,T型电阻网络D/A转换器的原理图,计算机输出的数字信号首先传送到数据锁存器(或寄存器)中，然后由模拟电子开关把数字信号的高低电平变成对应的电子开关状态。 当数字量某位为1时，电子开关就将基准电压源VREF接入电阻网络的相应支路；若为0时，则将该支路接地。 各支路的电流信号经过电阻网络加权后，由运算放大器求和并变换成电压信号，作为D/A转换器的输出。,03:14,17,T型电阻网络D/A转

5、换器的原理图,VREF为外加基准电源，Rfb为外接运算放大器的反馈电阻。D7D0为控制电流开关的数据。由图可以得到：,输出电压VO的大小与数字量具有对应的关系。这样就完成了数字量到模拟量的转换。,03:14,18,D/A转换器的分类： (1) 依数字量的位数分，有8位、10位、12位与16位D/A转换器； (2) 依数字量的数码形式分，有二进制码和BCD码D/A转换器； (3) 按信号输入方式可分为并行总线D/A转换器和串行总线D/A转换器。 并行D/A转换器通过并行总线接收数据。 串行D/A转换器通过I2C总线、SPI总线等串行总线接收数据。串行方式占用接口资源少，用于转换速度要求不高的系统。并行方式占用接口资源多，用于转换数据量大，转换速度高的系统。 (4) 按输出信号的形式可分为电压输出型和电流输出型。 电压输出型D/A转换器可以直接从电阻阵列输出电压，常作为高速D/A转换器使用。电流输出型D/A转换器通常需要在其输出端接入一个反相输入的运算放大器，将其转换为电压输出。,03:14,19,早期的D/A转换芯片只具有电流输出型的，且不具有输入寄存器。所以在单片机应用系统中使用这种芯

6、片必须外加数字输入锁存器、基准电压源以及输出电压转换电路。这一类芯片主要有DAC0800系列(美国National Semiconductor公司生产)、AD7520系列(美国Analog Devices公司生产)等。 中期的D/A转换芯片在芯片内增加了一些与计算机接口相关的电路及控制引脚，具有数字输入寄存器，能和CPU数据总线直接相连。通过控制端，CPU可直接控制数字量的输入和转换，并且可以采用与CPU相同的+5V电源供电。这类芯片特别适用于单片机应用系统的D/A转换接口。这类芯片有DAC0830系列、AD7524等。 近期的D/A转换器将一些D/A转换外围器件集成到了芯片的内部，简化了接口逻辑，提高了芯片的可靠性及稳定性。如芯片内部集成有基准电压源、输出放大器及可实现模拟电压的单极性或双极性输出等。这类芯片有AD558、DAC82、DAC811等。,03:14,20,2. D/A转换器的主要技术指标,(1) 分辨率,分辨率是指D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。 输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，在实际应用中往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。 此外

7、，D/A转换器也可以用能分辨的最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是0)与最大输出电压(此时输入的数字代码各有效位全为1)之比给出。n位D/A转换器的分辨率为 ，表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。,03:14,21,(2) 转换误差,表示D/A转换器实际输出的模拟量与理论输出模拟量之间的差别。 转换误差的来源很多，如转换器中各元件参数值的误差、基准电源不够稳定和运算放大器零漂的影响等。D/A转换器的绝对误差(或绝对精度)是指输入端加入最大数字量(全1)时，D/A转换器的理论值与实际值之差。该误差值应低于LSB/2(LSB指Least Significant Bit，最低有效位)。,03:14,22,(3) 建立时间 指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。一般用D/A转换器输入的数字量从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围(LSB/2)时所需时间表示。D/A转换器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达0.1s以内。 (4) 线性度 也称非线性误差，是实际转换特性曲线与理想直线特性之间的最大偏差。常以相对于满量程的百分

8、数表示。如1%是指实际输出值与理论值之差在满刻度的1%之内。 (5) 温度系数 指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1oC，输出电压变化的百分数作为温度系数。 除上述各参数外，在使用D/A转换器时还应注意它的输出电压特性。由于输出电压事实上是一串离散的瞬时信号，要恢复信号原来的时域连续波形，还必须采用保持电路对离散输出进行波形复原。 此外还应注意D/A的工作电压、输出方式、输出范围和逻辑电平等。,03:14,23,DAC0832是美国National Semiconductor生产的DAC0830系列产品中的一种，该系列芯片具有以下特点： 并行D/A转换； 分辨率8位； 电流建立时间1s； 片内二级数据锁存，提供数据输入双缓冲、单缓冲和直通三种工作方式； 电流输出型芯片，通过外接一个运算放大器，可以很方便地提供电压输出。 输出电流线性度可在满量程下调节； 逻辑电平输入与TTL兼容，与80C51单片机连接方便； 单一电源供电(+5V+15V)。 低功耗，20mW。,10.1.2 DAC0832芯片及其与单片机的接口,03:14,24,

9、1. DAC0832的结构,图10-2 DAC0832的内部逻辑框图,03:14,25,2. DAC0832的引脚,图10-3 DAC0832的引脚,03:14,26,2. DAC0832的引脚,03:14,27,03:14,28,3. DAC0832的工作方式,图10-4 DAC0832单极性输出电路,D为数字输入量，VREF为基准电压。可见，单极性输出VOUT的正负极性由VREF的极性确定，当VREF的极性为正时，VOUT为负，当VREF的极性为负时，VOUT为正。,VOUT=-DVREF/2n,03:14,29,图10-5 DAC0832双极性输出电路,将待转换的数字量的偏移二进制码代替上式中的D，可求出双极性VOUT。若VREF由正改为负，那么VOUT也反相。例如数字量D的十进制为+127，对应的带符号二进制为01111111B，偏移二进制代码则为1111 1111B，此时输出VOUT(假设VREF为正)：,03:14,30,图10-5 DAC0832双极性输出电路,同理，当数字量D的十进制为-127，对应的带符号二进制数为1111 1111B，偏移二进制代码则为0000 0001B，此时输出OUT为：,在双极性输出中，1LSB=VREF/2n-1= VREF/128，而单极性输出中，1LSB= VREF/2n= VREF/256。可见双极性输出时的分辨率比单极性输出时降低了1/2，这是由于对双极性输出而言，最高位作为符号位，只有7位数值位。,03:14,31,4. DAC0832与80C51单片机的接口方式,(1) 直通方式,两个锁存器都处于跟随状态，不对数据进行锁存，即控制信号CS、WR1、ILE、WR2和XFER都预先设置为有效状态，使LE1和LE2都为1。这样，D/A转换不受控制，一旦有数字量输入就立即进行D/A转换。因此DAC0832的输出随时跟随输入的数字量的变化

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