信號發(fā)生器與數(shù)字電壓表的設(shè)計

1、7.1 簡易波形信號發(fā)生器的設(shè)計,7.2 數(shù)字電壓表的設(shè)計,項目7 信號發(fā)生器與數(shù)字電壓表的設(shè)計,單片機,本章導(dǎo)讀,了解ADC和DAC的作用及主要性能指標(biāo)掌握DAC0832和ADC0808/0809的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用方法。理解簡易波形信號發(fā)生器和數(shù)字電壓表的硬件及軟件設(shè)計方法及工作過程。,單片機和被控實體間的接口示意圖,舉例1：溫度測控系統(tǒng),舉例2：速度測控系統(tǒng),舉例3：紅外線自動門控制系統(tǒng)原理圖,紅外線傳感器集成芯片BISS0

2、001特點,（1）用CMOS工藝，功耗低。（2）具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，可與多種傳感器匹配。（3）雙向鑒幅器可有效抑制干擾信號。（4）內(nèi)設(shè)延時和封鎖定時器，性能穩(wěn)定，調(diào)節(jié)范圍寬。（5）內(nèi)置參考電源。（6）工作電壓范圍寬（3V～5V）。,7.1 簡易波形信號發(fā)生器的設(shè)計,7.1.1 認識D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832,7.1.2 硬件電路與軟件程序設(shè)計,7.1.3 調(diào)試與仿真運行,D/A（Digit to Analo

3、g）轉(zhuǎn)換器： 為把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，在D/A轉(zhuǎn)換芯片中要有解碼網(wǎng)絡(luò)：①權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)；②倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。,7. 1.1 認識D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832,D/A轉(zhuǎn)換 1） D/A轉(zhuǎn)換概述,T型電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器：,D/A轉(zhuǎn)換器的原理： 把輸入數(shù)字量中每位都按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成模擬量，并通過運算放大器求和相加。根據(jù)克希荷夫定律，如下關(guān)系成立： I0=20 I1=21 I2=22

4、 I3=23,n位數(shù)字量與模擬量的關(guān)系式：VO =—VREF×（數(shù)字碼 / 2n） (VREF —— 參考電壓),注：因使用反相比例放大器來實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，所以輸出模擬信號(VO)的極性與參考電壓(VREF)極性相反。,3）注意區(qū)分D/A內(nèi)部是否帶有鎖存器：,與P1、P2接口：不需加鎖存器，直接接口。 無鎖存器 與P0

5、接口：因P0的特殊功能，需加鎖存器。D/A內(nèi) 如：DAC800、AD7520、AD7521等。 有鎖存器：最好與P0直接接口。 如：DAC0832、DAC1230等。,,,4）性能指標(biāo)：,1、分辨率（Resolution）是指D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出模擬增量，取決于輸入數(shù)字量的二進制位數(shù)。 2、建立時間（Esta

6、blishing Time）是描述D/A轉(zhuǎn)換速度的快慢。3、轉(zhuǎn)換精度（Conversion Accuracy）指滿量程時DAC的實際模擬輸出值和理論值的接近程度。 4、偏移量誤差（Offset Error）偏移量誤差是指輸入數(shù)字量為零時，輸出模擬量對零的偏移值。 5、線性度（Linearity）線性度是指DAC的實際轉(zhuǎn)換特性曲線和理想直線之間的最大偏移差。,主要技術(shù)指標(biāo)：,1、分辨率（Resolution）： 對D/A

7、轉(zhuǎn)換器輸入量變化敏感程度進行描述，與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)。若數(shù)字量的位數(shù)為n，則分辨率為2－n。數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率就越高。應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)分辨率的需要選定轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。注：BCD碼輸出的A/D轉(zhuǎn)換器用位數(shù)表示分辨率。2、建立時間（Establishing Time）：（轉(zhuǎn)換速度） 描述D/A轉(zhuǎn)換速度的快慢。 輸出形式為電流的轉(zhuǎn)換器比電壓的建立時間短。 D/A轉(zhuǎn)換速度遠高于A/D轉(zhuǎn)換。3、轉(zhuǎn)換精度（Convers

8、ion Accuracy）： 指滿量程時DAC的實際模擬輸出值和理論值的接近程度。,一、內(nèi)部結(jié)構(gòu)：DAC 0832：8位雙緩沖器結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器。,2 D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832,DAC0832 引腳 (b) DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖7-1 DAC0832內(nèi)部

9、結(jié)構(gòu)作引腳圖,3. DAC0832的輸出連接方式,l  DAC用作單極性電壓輸出；l  DAC用作雙極性電壓輸出；,DAC0832根據(jù)應(yīng)用場合不同，電壓輸出常采用單極性和雙極性兩種連接方式。,（1）單極性輸出方式,,由于DAC0832是8位的D/A轉(zhuǎn)換器，所以其輸出電壓VO與輸入的數(shù)字量（用D表示）的關(guān)系為： VO = －VREF×D/256顯然VO與輸入數(shù)字量D成正比，且極性與

10、基準電壓源VREF相反。,由運算放大器進行電流→電壓轉(zhuǎn)換，使用內(nèi)部反饋電阻。接線方式如圖7-2所示,（2）雙極性DAC的接法,,圖7-3 DAC0832雙極性電壓輸出方式,輸出電壓VO與輸入的數(shù)字量D的關(guān)系為：VO =(D－128)VREF/128,雙極性DAC的另一種接法:,4、DAC 0832的工作方式,有3種工作方法：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。,MOV P1，A,直通方式不能直接與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線相連，需另加鎖存器，故

11、較少應(yīng)用。,舉例：,例：D/A轉(zhuǎn)換程序，用DAC0832輸出0～+5V鋸齒波， 電路為直通方式。設(shè)VREF=-5V，若DAC0832地址 為00FEH，脈沖周期要求為100ms。,DACS：MOVDPTR，#00FEH；0832 I/O地址MOVA，#00H；開始輸出0VDACL：MOVX@DPTR，A；D/A轉(zhuǎn)換INCA；升壓ACALLDELAY；延時100ms/256：決定鋸齒波的

12、周期AJMPDACL；連續(xù)輸出DELAY：…；延時子程序,2）單緩沖方式： 輸入寄存器和DAC寄存器共用一個地址，同時選通輸出，輸入數(shù)據(jù)在控制信號作用下，直接進入DAC寄存器中； WR1和WR2同時進行，并且與CPU的WR相連，CPU對0832執(zhí)行一次寫操作，將數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器中。 適用：只有一路模擬信號輸出或幾路模擬信號非同步輸出。,,,,單緩沖方式下的DAC0832,圖7-4 DAC08

13、32單緩沖方式接口一,舉例：,例：D/A轉(zhuǎn)換程序，用DAC0832輸出0～+5V三角波， 電路為單緩沖方式。設(shè)VREF=-5V，若DAC0832地 址為00FEH，脈沖周期要求為（100ms）。,ORG2000HSTAR：MOVDPTR，#00F8H；DAC0832地址MOVA，#00H；開始輸出0VUP： MOVX@DPTR，A；D/A轉(zhuǎn)換ACALLDELAY INCA；產(chǎn)

14、生上升段電壓JNZUP；上升到A中為FFH（A≠0跳）DOWN：DECA；產(chǎn)生下降段電壓MOVX@DPTR，A ACALLDELAYJNZDOWN；下降到A中為00HSJMPUP；重復(fù)注：若想改變波形的周期（頻率），只需改變延時程序的時間即可。,C51程序：,#include#include#define DAC0832 XBYTE[0x00F8]#define uc

15、har unsigned char#define unit unsigned int void stair(void) {uchar i; while(1) { for(i=0;i<=255;i=i++) /*形成鋸齒波輸出值，最大255*/ {DAC0832=i; /*D/A轉(zhuǎn)換輸出*/ }}},3）雙緩沖

16、器方式： 輸入寄存器和DAC寄存器分配有各自的地址，可分別選通用同時輸出多路模擬信號。 適用：同時輸出幾路模擬信號的場合，可構(gòu)成多個0832同步輸出電路。,舉例：,ORG2000HMOVDPTR，#0FFF8H ；選中1#0832（的輸入寄存器）：A0=0MOVA，#DataxMOVX@DPTR，A ；Datax寫入1#0832輸入寄存器MOVDPTR，#0FFF9H ；選中2#0832（

17、的輸入寄存器）：A1=0MOVA，#DatayMOVX@DPTR，A ；Datay寫入2#0832輸入寄存器MOVDPTR，#0FFFAH ；選中1#和2#0832的DAC寄存器： A2=0MOVX@DPTR，A ；1#和2#輸入寄存器的內(nèi)容同時 傳送到DAC寄存器中,例：用DAC0832實現(xiàn)驅(qū)動繪圖儀，電路為雙緩沖方式 1#和

18、2#DAC0832地址分別為FFF8H和FFF9H。 則繪圖儀的驅(qū)動程序為：,C51程序：,#include#include#define INPUTR1 XBYTE[0xFFF8]#define INPUTR2 XBYTE[0xFFF9] #define DACR XBYTE[0xFFFA]#define uchar unsigned char void dac2b(data1,data2) uc

19、har data1,data2;{INPUTR1=data1; /*數(shù)據(jù)送到一片DAC0832*/INPUTR2=data2;/*數(shù)據(jù)送到另一片DAC0832*/DACR=0; /*啟動兩路D/A同時轉(zhuǎn)換*/},華工考研題：,PC/XT的D/A接口使用DAC0832。其有關(guān)信號接線如圖所示，其輸出電壓Vo和輸入數(shù)字量DI7-DI0之間呈線性且如表所示?，F(xiàn)要求Vo從零開始按圖示波形周期變化（周

20、期可自定）。試用匯編語言編寫其控制部分程序。,,7.1.2 波形發(fā)生器硬件電路與軟件程序設(shè)計,波形發(fā)生器的硬件連接如圖7-7所示，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832的數(shù)據(jù)輸入端直接與8051的P0口相連，輸出經(jīng)運算放大器得到電壓波形。DAC0832采用單極性單緩沖方式工作，八D鎖存器74LS373的Q0為DAC0832提供片選和數(shù)據(jù)傳送控制信號，兩個寄存器的寫控制端連接8051的寫輸出端。在8051的P1口接三個開關(guān)K0、K1和K2，用來設(shè)置輸

21、出波形的類型，K0、K1和K2，分別對應(yīng)正弦波、鋸齒波和方波。,,圖7-7 波形發(fā)生器硬件原理圖,,2. 程序設(shè)計//******************* DAC0832輸出正弦波，鋸齒波，方波*************************#include #include #define uchar unsigned char#define DAC0832 XBYTE[0xFFFE]sbit K0=P1^0

22、; //按鍵接口sbit K1=P1^1;sbit K2=P1^2;,,uchar code Sin_TAB[]={0X7F,0X89,0X94,0X96,0XAA,0XB4,0XBE,0XC8,0XD1,0XD9, 0XE0,0XE7,0XED,0XF2,0XF7,0XFA,0XFC,0XFE,0XFF, 0

23、XFE,0XFC,0XFA,0XF7,0XF2,0XED,0XE7,0XE0,0XD9, 0XD1,0XC8,0XBE,0XB4,0XAA,0X9F,0X94,0X89,0X7F, 0X75,0X6A,0X5F,0X54,0X4A,0X40,0X36,0X2D,0X25, 0X1E,0X17,0X11,0X0C,0X07,0X04,0X02,0X01,0

24、X00, 0X01,0X02,0X04,0X07,0X0C,0X11,0X17,0X1E,0X25, 0X2D,0X36,0X40,0X4A,0X54,0X5F,0X6A,0X75,0X7F};,,void Delay(uchar ms) //延時{ uchar t; while(ms--) for(t=0; t<12

25、0; t++);}void sin() //正弦波{ uchar i; while (1) { for (i =0; i < 73; i++) DAC0832 = Sin_TAB[i]; }},,void Saw_Tooth() //鋸齒波{ uchar i;

26、 while (1) { for (i = 0; i < 256; i++) DAC0832 = i; }}void Square() //方波{ uchar i; while (1) { for (i = 0; i < 250; i++) DAC0832 = 250; for (i

27、 = 0; i < 250; i++) DAC0832 =0; } },,圖7-8 簡易波形發(fā)生器仿真電路,,void main(){ P1=0xFF; if (K0==0) sin(); else if (K1==0) Saw_Tooth(); else if (K2==0) Square(); else sin(); Delay(1);},,圖7-9 簡易波形發(fā)生器輸出

28、正弦波時的仿真結(jié)果,7.2 數(shù)字電壓表的設(shè)計（ A/D轉(zhuǎn)換及應(yīng)用）,利用MCS-51單片機和A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計一個數(shù)字直流電壓表。要求測量范圍在0~+5V之間，測量結(jié)果用三位LED數(shù)碼管顯示。設(shè)計目的是：（1）了解A/D芯片ADC0808/0809的工作原理及編程。（2）掌握單片機與ADC0808/0809的接口技術(shù)。（3）通過實訓(xùn)了解單片機如何進行數(shù)據(jù)采集。（4）進一步掌握LED數(shù)碼管動態(tài)顯示的工作原理。,7.2.1 認識A/

29、D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0808/0809,1、A/D轉(zhuǎn)換器概述,A/D轉(zhuǎn)換器（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC）是一種能把輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成與它成正比數(shù)字量的器件。這樣微處理機就能夠從傳感器、變送器或其他模擬信號獲得信息。A/D轉(zhuǎn)換器芯片的種類較多，按轉(zhuǎn)換原理可分為計數(shù)器式ADC、逐次逼近式ADC、雙積分式ADC和并行ADC等多種。,（1）選用ADC芯片時，要考慮以下幾點：,A/D接口設(shè)計要點：（1）選擇合適的系統(tǒng)采樣速度；（2）減小A/D轉(zhuǎn)換

30、的孔徑誤差；（3）合理選用A/D轉(zhuǎn)換器。,除了必須考慮以上技術(shù)要求外，通常還需了解芯片以下兩方面的特性。,① 數(shù)字輸出的方式是否有可控三態(tài)輸出 有可控三態(tài)輸出的ADC芯片允許輸出線與微機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線直接相連，并在轉(zhuǎn)換結(jié)束后利用讀數(shù)信號選通三態(tài)門，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送上總線。 ② 啟動轉(zhuǎn)換的控制方式是脈沖控制式還是電平控制式 對脈沖啟動轉(zhuǎn)換的ADC芯片，只要在其啟動轉(zhuǎn)換引腳上施加一個寬度符合芯片要求的脈沖信

31、號，就能啟動轉(zhuǎn)換并自動完成。一般能和MPU配套使用的芯片，MPU的I/O寫脈沖都能滿足ADC芯片對啟動脈沖的要求,（2）A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo),① 分辨率：指A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬輸入量，通常用數(shù)字量的位數(shù)表示，如８位，10位，12位，16位分辨率等。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。② 量程：即所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍，如5伏、10伏等③ 精度：有絕對精度和相對精度兩種表示方法。常用數(shù)字量的位數(shù)作為度量絕對精度的

32、單位，而用百分比來表示滿量程時的相對誤差。精度和分辨率是不同的概念，精度指的是轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實際值的準確度，而分辨率指的是能對轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。,④ 轉(zhuǎn)換時間：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。若CPU采用無條件傳送方式輸入轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，則從啟動ADC芯片轉(zhuǎn)換開始到ADC芯片轉(zhuǎn)換結(jié)束的時間稱為延時等待時間，該時間由啟動轉(zhuǎn)換程序之后的延時程序?qū)崿F(xiàn)，延時等待時間必須大于或等于ADC轉(zhuǎn)換時間。⑤ 輸出邏輯電平：多數(shù)與TT

33、L電平匹配。在考慮數(shù)字輸出量與微型機數(shù)據(jù)總線的關(guān)系時，還要對其他一些有關(guān)問題加以考慮，如：是否要用三態(tài)邏輯輸出，采用何種編碼制式，是否需要對數(shù)據(jù)進行門鎖等。⑥ 量化誤差。將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量過程中引起的誤差,2、0809逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換原理：,N位寄存器用來存放N位二進制數(shù)碼。當(dāng)VX≥VN，則保留DN-1=1，否則清0。其余類推。,3、ADC0808/0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能,要技術(shù)指標(biāo)和特性如下：,（1）分辨率：8位。（

34、2）總的不可調(diào)誤差：ADC0808為±1/2LSB，ADC 0809為±1LSB。（3）轉(zhuǎn)換時間：取決于芯片時鐘頻率，如CLK=500kHz 時，TCONV=128μs。（4）單一電源：+5V。（5）模擬輸入電壓范圍：單極性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)

35、換開始。（8）使用時不需進行零點和滿刻度調(diào)節(jié)。,ADC0808/0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖,,圖7-10 ADC0808/0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖,,1、結(jié)構(gòu)： 一個8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、8路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)、3-8地址鎖存譯碼器和三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器（詳見P249）。,2、引腳：（1）8路模擬量分時輸入信號端： IN0～IN7；（2）8位數(shù)字量輸出信號端： D0～D7；（3）通道選擇地址信號輸入端： ADD

36、A、ADDB、ADDC；（4）基準參考電壓為VR（+）和VR（-）： 決定輸入模擬量的范圍。 典型值分別為+5V和0V。（5）轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC： 0：正在進行轉(zhuǎn)換； 1：一次轉(zhuǎn)換完成。（6）時鐘信號輸入端：CLK（其內(nèi)部無時鐘電路）。,4、ADC0809與單片機的接口：,ADC 0809/0808為8路輸入通道、8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可分時轉(zhuǎn)換8路模擬信號。,5、ADC 08

37、09與單片機連接：,涉及2個問題：（1）8路模擬信號通道選擇；（2）A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。,8路模擬通道的地址:7FF8H～7FFFH,,A/D轉(zhuǎn)換程序：（延時等待方法）,MOV DPTR，#0FEFFH ；ADC0809地址MOV A，#00H ；選中IN0MOVX @DPTR，A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換LCALL DELAY ；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

38、MOVX A，@DPTR ；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果RET,不用接EOC腳，采用定時傳送方式。,例：應(yīng)用舉例,初始化程序：（中斷方式） MOV R0，#0A0H ；數(shù)據(jù)存儲區(qū)首地址 MOV R2，#08H ；8路計數(shù)器 SETB IT1 ；邊沿觸發(fā)方式 SETB EA ；中斷允許 SETB EX1 ；允許外部中斷

39、1中斷 MOV DPTR，#0FEF8H ；指向ADC0809首地址LOOP：MOVX @DPTR，A ；啟動A/D轉(zhuǎn)換HERE：SJMP HERE ；等待中斷 DJNZ R2，LOOP ；巡回，未完繼續(xù) CLR EA ；結(jié)束，關(guān)中斷 SJMP $ ；結(jié)束停止,設(shè)有一個8路模擬量輸入的巡回檢測系統(tǒng)，采樣數(shù)據(jù)依次存放在外部RAM 0A0

40、H～0A7H單元中，ADC0809的8個通道地址為0FEF8H～0FEFFH。,中斷服務(wù)程序：MOVX A，@DPTR ；讀數(shù)MOVX @R0，A ；存數(shù)INCDPTR ；指向下一模擬通道INCR0 ；指向數(shù)據(jù)存儲區(qū)下一單元RETI,C51程序：,#include#include#define uchar unsigned char#define IN0 XBYTE[0xFEF8]

41、 /*設(shè)置ADC0809的通道0地址*/sbit ad_busy=P3^3; /*即EOC狀態(tài)*/void ad0809(uchar idata * x) /*采樣結(jié)果放指針中的A/D采集函數(shù)*/{ uchar i; uchar xdata * ad_adr; ad_adr=&IN0; for(i=0;i<8;i++) /*處理8通道*/ {*ad_adr=0; /*

42、啟動轉(zhuǎn)換*/i=i; /*延時等待EOC變低*/i=i;while(ad_busy==0); /*查詢等待轉(zhuǎn)換結(jié)束*/x[i]=*ad_adr; /*存轉(zhuǎn)換結(jié)果*/ad_adr++; /*下一通道*/}}void main(void){static uchar idata ad[10];ad0809(ad); /*采樣ADC0809通道的值*/},1、D/A

43、轉(zhuǎn)換原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、信號輸出形式 和主要技術(shù)指標(biāo)。2、DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管腳、3種工作方 法及其對應(yīng)接口的特點、電路和應(yīng)用程序。3、A/D轉(zhuǎn)換原理和常用ADC芯片。4、ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) 傳送方式及其對應(yīng)接口圖和程序。,,小 結(jié),應(yīng)用舉例：,1、用8位DAC芯片組成雙極性電壓輸出電路，其參考電壓為-5V～+5V，求對應(yīng)以下偏移碼的輸出電壓：①0100 0000

44、②1111 1110解：VOUT1=-VREF. VOUT2=-(VREF+2VOUT1) ① VOUT1=-VREF. =-1.25V～+1.25V VOUT2=-(VREF+2VOUT1) =-2.5V～+2.5V ② VOUT1=-VREF. =-4.96～+4.96V VOUT2=-(VREF+2VOUT1) =-4.92V～+4.92V,,2、某12