微处理器C51-8AD及DA工作原理及应用

1、D/A & A/D转换器及其与单片机接口转换器及其与单片机接口l ADC转换原理及主要技术指标转换原理及主要技术指标l ADC芯片芯片l DAC转换原理及主要技术指标转换原理及主要技术指标l DAC芯片芯片l 内含内含ADC的的8051芯片芯片l 温度传感器温度传感器l 实例实例 模拟信号是一种连续的信号，自然界中的种种现象（如温度、湿度、光模拟信号是一种连续的信号，自然界中的种种现象（如温度、湿度、光线、高度等）都属于这类信号。线、高度等）都属于这类信号。 数字信号则是一种数字信号则是一种0和和1组成的非连续的信号，通常有组成的非连续的信号，通常有TTL与与CMOS两种两种电平。电平

2、。 人类直接感受的是模拟信号，但模拟信号不易存储、处理与传输，且容人类直接感受的是模拟信号，但模拟信号不易存储、处理与传输，且容易失真；而数字信号比较容易存储与处理，传输中叶不易失真，成为目前信易失真；而数字信号比较容易存储与处理，传输中叶不易失真，成为目前信号处理的主流。号处理的主流。 因此，以传感器测得的模拟信号，经模数转换器（因此，以传感器测得的模拟信号，经模数转换器（ADC）将它转换成数）将它转换成数字信号，这样可进行较高效率的处理、存储或传输。当处理完成后，再经数字信号，这样可进行较高效率的处理、存储或传输。当处理完成后，再经数模转换器（模转换器（DAC）将它转换成模拟信号，以驱动控

3、制器件（如电热器、电磁）将它转换成模拟信号，以驱动控制器件（如电热器、电磁阀和电机等）阀和电机等） ADC转换器的原理及主要技术指标转换器的原理及主要技术指标1.并行式并行式ADC的转换原理的转换原理 这种模这种模/数转换器是以多个比较器并数转换器是以多个比较器并行处理，又称比较器型模行处理，又称比较器型模/数转换。数转换。 这种模这种模/数转换以数个比较器同时检数转换以数个比较器同时检测输入的模拟信号，然后予以编码产生测输入的模拟信号，然后予以编码产生数字信号。如图所示。数字信号。如图所示。其特性：其特性：l 转换速度快。转换速度快。l 需要的电路复杂，需要的电路复杂，n位并行模位并行模/数

4、转数转换需要换需要2n个精密电阻，个精密电阻，2n-1个比较器以个比较器以及及n位优先编码器。位优先编码器。2.逐次逼近式逐次逼近式ADC的转换原理的转换原理 successive approximation ADC的转换电路如图。的转换电路如图。 首先首先N位寄存器最高位置位寄存器最高位置1，经，经D/A转换器输出转换器输出VN，与输入电压，与输入电压Vin比比较，如果较，如果VN Vin，则高位置，则高位置1不变，否则高位复不变，否则高位复0；继续，直到；继续，直到N位寄位寄存器的每一位确定为止。其特性：转换速度慢。存器的每一位确定为止。其特性：转换速度慢。3.双积分式双积分式ADC的转换

5、原理的转换原理 它采用定电流积分器，先用输入的模拟信号来充电，然后用固定的它采用定电流积分器，先用输入的模拟信号来充电，然后用固定的参考电压放电，放电期间用计数器计数，放电完毕，计数停止，计数参考电压放电，放电期间用计数器计数，放电完毕，计数停止，计数结果就是所要输出的数字信号。其特点：结果就是所要输出的数字信号。其特点：l 转换速度慢。转换速度慢。l 精度高，稳定性好。精度高，稳定性好。l 抗噪声好。抗噪声好。4.A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标a.分辨率分辨率 ADC的分辨率的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压

6、的变化量。常用二进制的位数表示。例如压的变化量。常用二进制的位数表示。例如12位位ADC的分辨率就是的分辨率就是12位，位，或者说分辨率为满刻度或者说分辨率为满刻度FS的的1/ 。一个。一个10V满刻度的满刻度的12位位ADC能分辨能分辨输入电压变化最小值是输入电压变化最小值是10V1/ =2.4mV。b.量化误差量化误差 ADC把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量化。化。量化误差是量化误差是ADC的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。实际上，。实际上，要准确表示模拟量，要准

7、确表示模拟量，ADC的位数需很大甚至无穷大。一个分辨率有限的的位数需很大甚至无穷大。一个分辨率有限的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转换特性曲线（直转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差。线）之间的最大偏差即是量化误差。 c.偏移误差偏移误差 偏移误差偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。假定为零值误差。假定ADC没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入

8、电压值就是偏的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。移误差。d.满刻度误差满刻度误差 满刻度误差满刻度误差又称为增益误差。又称为增益误差。ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。e.线性度线性度 线性度线性度有时又称为非线性度，它是指转换器实际的转换特性与理想直有时又称为非线性度，它是指转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差。线的最大偏差。f.绝对精度绝对精度 在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入在一个转换器中，任何数码所对应的实际模

9、拟量输入与理论模拟输入之差的最大值，称为之差的最大值，称为绝对精度绝对精度。对于。对于ADC而言，可以在每一个阶梯的水平而言，可以在每一个阶梯的水平中点进行测量，它包括了所有的误差。中点进行测量，它包括了所有的误差。g.转换速率转换速率 ADC的的转换速率转换速率是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次而完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换速率的倒数。转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换速率的倒数。ADC转换器转换器 模模/数转换器种类很多，而数转换器种类很多，而ADC080X系列是教学中最常用的，特别是系

10、列是教学中最常用的，特别是ADC0804与与8X51完全兼容。完全兼容。 1.ADC0804特性：特性：l CMOS的逐步逼近式的逐步逼近式AD转换器。转换器。l 具有具有8位，转换时间位，转换时间100微秒。微秒。l 采用差动式模拟电压输入、三态式数字输出。采用差动式模拟电压输入、三态式数字输出。l 模拟输入电压范围模拟输入电压范围0-5V。 2.引脚：引脚：/CS：片选，接低电平时芯片选中；否则输出数：片选，接低电平时芯片选中；否则输出数据据DB0-BD7呈高阻。呈高阻。/RD：数据读取：数据读取/WR：开始转换：开始转换/INTR：完成转换：完成转换CLK IN:时钟脉冲输入，接时钟脉冲

11、输入，接100-1460KHz时钟脉冲。结合时钟脉冲。结合CLK R引脚，外接引脚，外接外加的电阻和电容，由内部电路自动产生时钟脉冲，其频率为：外加的电阻和电容，由内部电路自动产生时钟脉冲，其频率为： f=1/(1.1RC)CLK R:时钟脉冲输出，可接电阻以产生时钟脉冲。时钟脉冲输出，可接电阻以产生时钟脉冲。Vref/2：参考电压输入，其电压值为最大输入模拟电压值得一半。：参考电压输入，其电压值为最大输入模拟电压值得一半。Vin+：模拟电压输入的正端。：模拟电压输入的正端。Vin-：模拟电压输入的负端。：模拟电压输入的负端。VCC：电源正。：电源正。DGND：数字信号地。：数字信号地。AGN

12、D：模拟信号地。：模拟信号地。DB0-DB7：数字输出引脚，三态输出。：数字输出引脚，三态输出。3.电压校准电压校准 ADC0804的模拟电压输入至的模拟电压输入至Vin+和和Vin-，若要调整输入电压的输入水平，可利用一个若要调整输入电压的输入水平，可利用一个运放进行电压水平调整，如图。运放进行电压水平调整，如图。4.操作方式操作方式 a.连续转换连续转换 如图所示，如图所示，/CS与与/RD引脚连接到地，引脚连接到地，/INTR与与/WR连接，这样，微处理器就连接，这样，微处理器就可以随时读取这个数据总线上的数据。可以随时读取这个数据总线上的数据。b.交互式控制交互式控制 如图如图,/CS

13、接地，接地，/WR和和/RD接接微处理器的输出，此信号为微处理器的输出，此信号为START或或SOC（start of convert），微处理器通过输出），微处理器通过输出口向此输出一个低电平，口向此输出一个低电平，ADC0804即可进行模即可进行模/数转换。数转换。转换完成后，则由转换完成后，则由/INTR输出一输出一个低电平脉冲，此信号称为个低电平脉冲，此信号称为IRQ，微处理器可以通过查询此信号或微处理器可以通过查询此信号或由此信号引起中断进行转换数据由此信号引起中断进行转换数据读取。读取。ADC0804的操作时序如的操作时序如图所示。图所示。 当当ADC0804的的/CS与与/WR为

14、低电平时，为低电平时，ADC0804内部开始转换，转换内部开始转换，转换期间，期间，/INTR为高电平。当为高电平。当0804内部转换完毕，内部转换完毕，/INTR变成低电平，这时变成低电平，这时若若/RD为低电平，则转换结果将随为低电平，则转换结果将随/INTR转为高电平时放至数据总线转为高电平时放至数据总线（DB0-DB7），以供微处理器读取。），以供微处理器读取。5.8051与与ADC0804的连接的连接 若若ADC0804采用连续转换方式，直接将采用连续转换方式，直接将DB0-DB7连接连接8051的任意一个的任意一个P口即可。口即可。 若采用交互式控制，除了数据线，需将其若采用交互式

15、控制，除了数据线，需将其START及及IRQ连接连接8051P口中口中的任一位。的任一位。 如果将如果将0804作为作为8051的外部存储器，则需将的外部存储器，则需将0804的的/WR、/RD、/INTR信号分别和信号分别和8051的的/WR、/RD和和INTx相连，而相连，而DB0-DB7与与P0口相连。口相连。 要进行要进行AD转换操作时，若使用汇编语言，可通过专用的外部存储器存转换操作时，若使用汇编语言，可通过专用的外部存储器存取指令：取指令： MOVX DPTR,A和和 MOVX A,DPTR 若使用若使用C51程序，则需将某个变量声明为程序，则需将某个变量声明为xdata存储器形式

16、，采用如下存储器形式，采用如下的程序代码：的程序代码： unsigned char xdata adc; adc=0 xff;/start adc result=adc;/read adc dataDAC转换原理及主要技术指标转换原理及主要技术指标 1 1、D/AD/A转换器的基本原理及分类转换器的基本原理及分类 基本上基本上DACDAC转换器是由电阻网络所构成的，常见的是加转换器是由电阻网络所构成的，常见的是加权电阻网络及权电阻网络及R-2RR-2R电阻网络两种。电阻网络两种。a.a.型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器 V VO O=(D0=(D0I0+D1I0+D1I1+D2I1

17、+D2I2+D3I2+D3I3+D4I3+D4I4+I4+D7+D7I7) I7) R Rfbfb =(D0 =(D0I I1/21/28 8+ +D7+D7I I1/21/21)1) =V =VREFREF/R/R2 2-8-8R RfbfbD=VD=VREFREF/256/256D (D (当当R Rfbfb=R)=R) 当有当有n n位电阻网络时，位电阻网络时，VO=VVO=VREFREF/2/2n nD D 输出电压输出电压 的大小与数字量具有对应的关系的大小与数字量具有对应的关系。 特点：电路结构简单，电阻只有两种，容易实现。特点：电路结构简单，电阻只有两种，容易实现。b.加权电阻网

18、络加权电阻网络 如图如图 V VO O=-IR=-IR =-1/8 =-1/8 (2(23 3V V1 1+2+22 2V V2 2+2+21 1V V3 3+2+20 0V V4 4) ) 其中其中V1V1、V2V2、V3V3和和V4V4分别为数字分别为数字数据的数字位的电压。数据的数字位的电压。 特点：特点：l 电路简单，但制作不容易，电阻电路简单，但制作不容易，电阻种类多，差异大。种类多，差异大。l 容易造成误差。容易造成误差。2 2、D/AD/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标2na.a.分辨率分辨率分辨率分辨率是指输入数字量的最低有效位（是指输入数字量的最低有效位（LSBLS

19、B）发生变化时，所对应的输）发生变化时，所对应的输出模拟量（电压或电流）的变化量。它反映了输出模拟量的最小变化出模拟量（电压或电流）的变化量。它反映了输出模拟量的最小变化值。分辨率与输入数字量的位数有确定的关系，可以表示成值。分辨率与输入数字量的位数有确定的关系，可以表示成FS/ FS/ 。FSFS表示满量程输入值，表示满量程输入值，n n为二进制位数。对于为二进制位数。对于5V5V的满量程，采用位的的满量程，采用位的DACDAC时，分辨率为时，分辨率为5V/2565V/25619.5mV19.5mV；当采用；当采用1212位的位的DACDAC时，分辨率则为时，分辨率则为5V/40965V/4

20、0961.22mV1.22mV。显然，位数越多分辨率就越高。显然，位数越多分辨率就越高。b.b.线性度线性度线性度（也称非线性误差）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数表示。如间的最大偏差。常以相对于满量程的百分数表示。如是指实是指实际输出值与理论值之差在满刻度的际输出值与理论值之差在满刻度的以内。以内。c.绝对精度和相对精度绝对精度和相对精度绝对精度（简称精度）绝对精度（简称精度）是指在整个刻度范围内，任一输入数码所对应的是指在整个刻度范围内，任一输入数码所对应的模拟量实际输出值与理论值之间的最大误

21、差。绝对精度是由模拟量实际输出值与理论值之间的最大误差。绝对精度是由DAC的增益的增益误差（当输入数码为全误差（当输入数码为全1时，实际输出值与理想输出值之差）、零点误差时，实际输出值与理想输出值之差）、零点误差（数码输入为全时，（数码输入为全时，DAC的非零输出值）、非线性误差和噪声等引起的非零输出值）、非线性误差和噪声等引起的。绝对精度（即最大误差）应小于的。绝对精度（即最大误差）应小于1个个LSB。相对精度相对精度与绝对精度表示同一含义，用最大误差相对于满刻度的百分比表与绝对精度表示同一含义，用最大误差相对于满刻度的百分比表示。示。d.建立时间建立时间建立时间建立时间是指输入的数字量发生

22、满刻度变化时，输出模拟信号达到满刻是指输入的数字量发生满刻度变化时，输出模拟信号达到满刻度值的度值的1/2LSB所需的时间。是描述所需的时间。是描述D/A转换速率的一个动态指标。转换速率的一个动态指标。电流输出型电流输出型DAC的建立时间短的建立时间短。电压输出型电压输出型DAC的建立时间主要决定的建立时间主要决定于运算放大器的响应时间于运算放大器的响应时间。根据建立时间的长短，可以将。根据建立时间的长短，可以将DAC分成超高分成超高速（速（1S)、高速（、高速（101S）、中速（）、中速（10010S）、低速）、低速（100S）几档。）几档。 应当注意，精度和分辨率具有一定的联系，但概念不同

23、。应当注意，精度和分辨率具有一定的联系，但概念不同。DAC的位的位数多时，分辨率会提高，对应于影响精度的量化误差会减小。但其它数多时，分辨率会提高，对应于影响精度的量化误差会减小。但其它误差（如温度漂移、线性不良等）的影响仍会使误差（如温度漂移、线性不良等）的影响仍会使DAC的精度变差。的精度变差。DAC芯片芯片 这里以这里以DAC-08系列和系列和DAC0832为例。为例。DAC-08系列系列1、特性、特性l 电流型电流型R-2R电阻网络的电阻网络的DA转换器。转换器。l 8位，转换时间位，转换时间300ns。l 电源可采用电源可采用15V双电源或双电源或+5V到到+15V。2、引脚、引脚V

24、LC：临界电压控制输入引脚，其功能是设置数字信号电平，接地即可。：临界电压控制输入引脚，其功能是设置数字信号电平，接地即可。/IOUT：互补模拟电流输出引脚，：互补模拟电流输出引脚，/IOUT=IFS-IOUT，其中的，其中的IOUT为模拟输出电为模拟输出电流，流，IFS为满刻度电流（约为满刻度电流（约0.2-4mA） IFS=VREF/RREF255/256VEE：负电源引脚，其电压范围：负电源引脚，其电压范围-4.5到到-18VIOUT：模拟电流输出引脚：模拟电流输出引脚 IOUT=(2n-1Dn-1+20D0)/2nIREF ; IREF=VREF/RREFA1-A8：数字输入，：数字输

25、入，A1为最高位为最高位MSB，A8为最低位为最低位LSBVcc：电源：电源+ VREF+：正参考电压：正参考电压 VREF-：负参考电压：负参考电压COPM：补偿引脚，外接补偿电容，避免高频振荡。：补偿引脚，外接补偿电容，避免高频振荡。3、操作方式、操作方式 如图为如图为DAC-08的基本电路，的基本电路， 若若VREF=5V，IREF=5KRO=5K，则，则 VO=D/2565V 如果输出直接接电阻，由于如果输出直接接电阻，由于输出阻抗高，容易造成负载效输出阻抗高，容易造成负载效应，其输出端一般接运放。应，其输出端一般接运放。 第一个电路中，其转换结果第一个电路中，其转换结果没有没有/VO

26、，若要有，若要有VO和和/VO对对称性输出，则采用第二个电路。称性输出，则采用第二个电路。 4、8051与与DAC-08的连接的连接 如图为如图为DAC-08与与8051的简单连接。的简单连接。DAC0832DAC0832芯片芯片 DAC0832 DAC0832是使用非常普遍的位是使用非常普遍的位D/AD/A转换器，由于其片内有输入数转换器，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832DAC0832以电流形式输出，当以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。属于该系列的芯片还有需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。属于该

27、系列的芯片还有DAC0830DAC0830、DAC0831DAC0831，它们可以相互代换。，它们可以相互代换。DAC0832DAC0832主要特性主要特性：分辨率位；分辨率位；电流建立时间电流建立时间SS；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式；输出电流线性度可在满量程下调节；输出电流线性度可在满量程下调节；逻辑电平输入与逻辑电平输入与TTLTTL电平兼容；电平兼容；单一电源供电（单一电源供电（5V5V15V15V）；）；低功耗，低功耗，20m20m。 1、DAC0832内部结构及引脚内部结构及引脚2、DAC0832与与80C51单片机的接口单片机的接

28、口a.单缓冲工作方式单缓冲工作方式 此方式适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求同步的系统求同步的系统。 双极性模拟输出电压双极性模拟输出电压 ： 双极性输出时的分辨率比单极性输出时降低双极性输出时的分辨率比单极性输出时降低1/2，这是由于对双，这是由于对双极性输出而言，最高位作为符号位，只有极性输出而言，最高位作为符号位，只有7位数值位。位数值位。b.双缓冲工作方式双缓冲工作方式 多路多路D/A转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器同步转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器同步方式方式 。c.直通工作方式直通

29、工作方式 当当DAC0832芯片的片选信号、写信号、及传送控制信号的引脚芯片的片选信号、写信号、及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号全部接地，允许输入锁存信号ILE引脚接引脚接5V时，时，DAC0832芯片就芯片就处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进寄存器，进行行D/A转换。转换。http:/www.A 大部分大部分51单片机厂商都提供内部单片机厂商都提供内部ADC的的51单片机，以单片机，以ATMEL公公司为例，司为例，AT89C5115、AT89C51AC2及及AT89C51AC3等，而这些等，而这些单片机除内部

30、单片机除内部10位位ADC外，其内部资源也比标准的外，其内部资源也比标准的89C51强大很多。强大很多。1、AT89C5115l RAM:256B RAM、256B XRAMl ROM:16KB Flash ROMl 14个中断源，个中断源，3个个16位定时器位定时器/计数器，计数器，1个全双工个全双工UARTl 最高工作频率最高工作频率40MHzl I/O口：口：16或或20根数字根数字I/Ol 双通道双通道16位位PCA，可作为，可作为8位位PWMl 两两组数据指针寄存器，组数据指针寄存器，21位位WDT，10位位ADCl 提供提供Power-Down及及Idle等两种节电方式等两种节电方

31、式l 电源：电源：3-5.5V2、AT89C51AC2l RAM:256B RAM、1KB XRAMl ROM:32KB Flash ROMl 14个中断源，个中断源，3个个16位定时器位定时器/计数器，计数器，1个全双工个全双工UARTl 最高工作频率最高工作频率40MHzl I/O口：口：34根数字根数字I/Ol 双通道双通道16位位PCA，可作为，可作为8位位PWMl 两两组数据指针寄存器，组数据指针寄存器，21位位WDT，10位位ADCl 芯片内置仿真器逻辑即芯片内置仿真器逻辑即On-chip Emulator Logicl 提供提供Power-Down及及Idle等两种节电方式等两种

32、节电方式l 电源：电源：3-5.5V3、AT89C51AC3l RAM:256B RAM、2KB ERAMl ROM:32KB Flash ROMl 14个中断源，个中断源，3个个16位定时器位定时器/计数器，计数器，1个全双工个全双工UARTl 最高工作频率最高工作频率60MHzl I/O口：口：36根数字根数字I/Ol 双通道双通道16位位PCA，可作为，可作为8位位PWMl 两两组数据指针寄存器，组数据指针寄存器，21位位WDT，10位位ADCl 具有具有SPI接口，芯片内置仿真器逻辑接口，芯片内置仿真器逻辑l 提供提供Power-Down及及Idle等两种节电方式等两种节电方式l 电源：电源：3-5.5V 美国美国Analog Device公司的公司的AD590是体积小、使用方便的温度传是体积小、使用方便的温度传感器，如图。其特性如下：感器，如图。其特性如下：l 其输出电流与开氏温度成其输出电流与开氏温度成 正比，正比，K=0时为时为0A，1A/Kl 有效测温范围有效测温范围-55-150l 电源范围电源范围4V到到30V 应用方法如图，传感器串应用方法如图，传感器串接一个接一个10K电阻，产生电压电阻，产生电压在在0时时