智能仪器原理与设计-基于STC15系列可在线仿真8051单片机-5课件

第五章

模拟信号的输入输出

模拟信号的输入---A/D模拟信号的输出---D/A主讲：朱兆优东华理工大学精品资源课程朱兆优教授制作第五章

模拟信号的输入输出模拟信号的输入---A/D5.1模拟信号的输入

介绍A/D转换及其相关技术5.1模拟信号的输入介绍A/D转换及其相关技术

5.1.1A/D转换器件的选择

技术参数：

（1）分辨率与量化误差：能引起转换结果变化的输入的最小变化量。

（2）转换精度：理论结果与实际结果之差。误差种类有偏移误差、满刻度误差、非线性误差、微分非线性误差。

（3）转换速度：每秒可以完成的次数，转换时间的倒数。

（4）

满刻度范围：输入信号的允许范围。从0到Vref×（1－2－n）。5.1.1A/D转换器件的选择技术参数：选择A/D转换器件的方法：（1）精度要求选择：通过这个指标就可以换算出所需的A/D转换器件的最低指标。（2）采样频率要求选择：采样频率至少要超过信号上限频率的两倍。

①低速A/D转换器件，采样频率每秒100次以下。②中速A/D转换器件，采样频率每秒100次以上。③高速A/D转换器件，采样频率超过1MHz。（3）其它选择考虑：①片内A/D。②串行A/D。③器件封装形式。选择A/D转换器件的方法：模拟输入通道包括信号调理电路、采样保持电路和A/D转换电路。

（1）信号调理电路设计：传统的信号调理电路包括硬件滤波电路、放大器、增益校准电路、零点校准电路、线性校准电路、温度补偿电路等等。5.1.2模拟输入通道的设计

模拟输入通道包括信号调理电路、采样保持电路和A/D转换电路。硬件滤波电路可选择低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器。分析有用信号的频谱和干扰信号的频谱，并把两者的频谱明显分开。放大器将信号放大到A/D转换器所需要的幅度，检测精度要求越高，对运算放大器芯片的要求也越高。INA114是BB公司的仪器仪表专用的运算放大器。硬件滤波电路可选择低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器。仪器仪表放大器原理图仪器仪表放大器原理图INA114仪器仪表专用的运算放大器原理图5.1.2模拟输入通道的设计

INA114仪器仪表专用的运算放大器原理图5.1.2模（2）采样保持电路设计：A/D转换器件完成一个转换过程需要一定时间，如果在这段时间内信号的幅度发生变化，转换结果将会受到影响。

采样保持电路工作原理：采样过程为保持电容的充放电并稳定的过程，保持过程为跟随器的输出过程。

采样保持电路的技术指标：孔径时间、捕捉时间、保持电压的下降、馈通、电压增益精度。

采样保持芯片：LF198/298/398。单级采样保持电路和两级采样保持电路。（2）采样保持电路设计：A/D转换器件完成一个转换过程需要一

（3）A/D转换电路设计：A/D转换电路包括A/D转换芯片、基准电源电路和控制电路。

下面介绍2个A/D转换器件的用法：

（1）STC15W4K32S4

（2）TLC2543

智能仪器原理与设计——基于STC15系列可在线仿真8051单片机-5[]课件单片机数据采集与处理方法：STC15W4K32S4系列片内集成了8路10位A/D转换部件的单片机（为了简化算法AD只用8位）。1、A/D采集分3步进行：

(1)设置输入信号的通道号

(2)启动A/D转换，等待转换完成

(3)最后读取转换结果。A/D转换过程有三种工作方式：查询方式，节电睡眠方式和掉电方式。单片机数据采集与处理方法：2、采样电压数据处理方法：(1)目标：电压值数字量数值处理电压数字显示(2)数字量变换出电压的算法思路：VD=(AD*5V)/256

即将AD采样值(A)，乘以量程（5V）结果处理：高位整数保存，低位小数放大100倍低字节丢掉，处理高字节（小数点2位）（处理方法除以10）2、采样电压数据处理方法：假设输入ADC的电压3.51V进行验证程序算法思想：(1)假设A/D采样数字量为180(=B4H)(2)计算180*5=384H（二进制乘法）(3)除以256，就是低字节为余数，高字节为整数(4)则高位3直接保存，保留2位小数，则把低位小数84H*100=3390H。(如果要保留1位小数呢，则乘以10)(5)小数的低字节90H丢掉

高字节33H/10=商5….余1，即是==0.51再从电压值换算为所称的重量（0.1V/kg）假设输入ADC的电压3.51V进行验证程序算法思想：

DINS:

MOV TH0,#80H INC CLOCK ;调整时钟。 MOV A,CLOCK ANL A,#07H JNZ DINSE ;每8次时钟中断启动一次A/D转换。 SETB ADCS ;启动A/D转换（每秒约转换4次）。 ORL PCON,#02H ;使CPU进入掉电模式。 MOV A,DAC0 ;A/D转换结束后，被中断唤醒，读取转换结果。 MOV B,#5 ;取量程。 MUL AB ;相乘。 MOV VIH,B ;保存电压的整数部分。 MOV B,#100

;将小数部分扩大100倍 MUL AB MOV A,#10 ;将小数部分转换为BCD码。 XCH A,B DIV AB SWAP A ORL A,B MOV VIL,A ;保存电压的小数部分。 LCALL DISP ;显示新的检测结果。

DINSE:

RETI ;定时中断结束。BCD码算法变换程序DINS: MOV TH0,#80HBCD码算法变换3、重量变换处理：保留2位小数点(1)目标：重量电压值数字量数值处理数字显示(2)数字量变换出电压的算法思路：

V0电压换算为传感器的输出信号思路：Vi=V0/放大倍数再由传感器的分辨率把Vi转换为重量。3、重量变换处理：保留2位小数点5.1.2模拟输入通道的设计

TLC2543是TI公司的12位串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。串行A/D可节省单片机I/O。5.1.2模拟输入通道的设计TLC2543是TI5.1.2模拟输入通道的设计TLC2543特点：（1）12位分辨率A/D转换器；线性误差+1LSB；（2）采样率为66kbps；10μs转换时间；（3）11个模拟输入通道；3路内置自测试方式；（4）有转换结束（EOC）输出；（5）具有单、双极性输出；（6）可编程的MSB或LSB前导；（7）可编程的输出数据长度。

5.1.2模拟输入通道的设计TLC2543特点：TLC2543引脚功能：AIN0～AIN10为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；Vcc为电源；GND为地。5.1.2模拟输入通道的设计

TLC2543引脚功能：5.1.2模拟输入通道的设计TLC2543引脚:5.1.2模拟输入通道的设计

TLC2543引脚:5.1.2模拟输入通道的设计TLC2543工作时片选端CS置0，CLK由软件产生时钟脉冲，转换结果从DOUT端输出，操作指令从DIN端输入（1字节）。当选择从高到低的顺序输出12位转换结果的工作模式时，操作指令的低四位为零，高四位为通道号。

TLC2543与单片机连接如右图示例程序参阅教材。

TLC2543工作时片选端CS置0，CLK由软件产生时钟脉TLC2543工作时序：

TLC2543工作时序：TLC2543例程：

5.1.2模拟输入通道的设计

先对A/D转换器写入转换通道地址（4位），启动该路开始转换，再从该通道读取转换结果（12位）。写1位：读取1位数据：

CLRCSCLRCSCLRCLKCLRCLKRLCCMOVC，DOUTMOVDIN，CRLCASETBCLKSETBCLK（详细程序见课本P55）TLC2543例程：5.1.2模拟输入通道的设计5.1.3其它A/D转换模式介绍

（1）VFC式A/D：以LM331芯片为代表，速度低，抗干扰性能好，适合远程传输。（2）廉价RC式A/D：利用电阻、电容构成RC充放电路，通过测量充放电过程与被测物理量的关系完成转换。若检测M次，输出高电平的N次，则计算Vcc*N/M就可以得出数字量5.1.3其它A/D转换模式介绍（1）VFC5.1.3其它A/D转换模式介绍

（3）过采样Σ－ΔA/D技术：当前转换精度达到14位以上的A/D转换芯片基本上都是Σ-Δ型（过采样型），其内部由比较器、积分器、基准电压、电子开关和脉冲源等组成。特点：低中速、高精度。（4）串行数据输出技术：不需要数据总线，简化电路设计。5.1.3其它A/D转换模式介绍（3）过采样5.2模拟信号的输出

介绍D/A转换及其相关技术5.2模拟信号的输出介绍D/A转换及其相关技术5.2.1D/A转换器件的选择

（1）

D/A转换器原理：

R－2R梯形网络、线性叠加。

（2）

D/A转换器技术指标：

（1）分辨率。（2）转换精度。（3）转换时间。（4）尖峰误差。

（3）

D/A转换器输入与输出形式：

输入形式（数据锁存器）：无、一级、两级。输出形式：单极性、双极性。5.2.1D/A转换器件的选择（1）

D/A转换D/A选择方法：1、精度选择：要求比系统控制精度要求提高1到2位。2、成本选择：单片机内含D/A将对简化电路设计和降低成本有利。3、连接总线选择：三总线或串行D/A芯片。D/A转换芯片的发展趋势是高精度、串行总线、多路输出、内嵌基准电压源、直接输出模拟电压。

5.2.1D/A转换器件的选择D/A选择方法：5.2.1D/A转换器件的选择模拟输出通道设计：

（1）D/A转换器接口电路设计

（2）电流/电压转换电路设计

（3）输出驱动电路设计D/A转换的精度选择：（1）选用带D/A功能部件的单片机（2）选用外部D/A转换器，设计外部接口电路5.2.2模拟输出通道的设计

模拟输出通道设计：5.2.2模拟输出通道的设计5.2.2模拟输出通道的设计

(1)用STC15W4K32S4与DAC0832实现正弦波或余弦波信号输出。为了提高波形质量，直流分量等于Vcc的一半，正弦波的峰顶应小于Vcc，峰谷应高于0。设Vcc=5V，Um=2V，则两路输出波形分别为：5.2.2模拟输出通道的设计(1)用STC15

波形输出采用查表、计算的方式得到正弦波各个点输出电压（2.5V对应80H），一个周期输出256点，正弦波的频率由定时器的时常数决定，由于是软件控制输出，频率不可能很高。程序设计参阅教材。

5.2.2模拟输出通道的设计

波形输出采用查表、计算的方式得到正弦波各个点输出电压（2.（2）DAC8420串行多路D/A芯片：DAC8420AD公司生产的四路输出12位D/A转换芯片。具有高速串行接口，功耗很低，能应用于伺服系统控制、过程自动化控制系统中。主要特点：可选择单极或双极模式；复位后输出置0或置中间值；电源选择广泛，单+5V～±15V均可；采用16脚PDIP、CERDIP或SOIC封装。

5.2.2模拟输出通道的设计

（2）DAC8420串行多路D/A芯片：5.2.2模DAC8420封装：5.2.2模拟输出通道的设计

DAC8420封装：5.2.2模拟输出通道的设计5.2.2模拟输出通道的设计DAC8420主要引脚功能：CLK：时钟线CLR：复位端，低电平有效CLSEL：复位方式控制端CS：片选，低电平有效LD：DAC载入控制端，低电平有效SDI：串行数据输入端VREFHI：参考电压高值端VREFLO：参考电压低值端VOUTA～VOUTD：四路电压输出端VDD、VSS、GND：电源地5.2.2模拟输出通道的设计DAC8420主要引脚功能DAC8420电路接口：

5.2.2模拟输出通道的设计

DAC8420电路接口：5.2.2模拟输出通道的设计DAC8420工作时序：

5.2.2模拟输出通道的设计

DAC8420工作时序：5.2.2模拟输出通道的设计DAC8420数据格式：

5.2.2模拟输出通道的设计

先把4位通道地址和高4位数据组合成1字节输出，再取低8位数据输出，以下是1位数据输出例程：CLRCSCLRCLKRLCAMOVSDI，CSETBCLK（详细程序见课本P63）DAC8420数据格式：5.2.2模拟输出通道的设计STC15单片机内部有PWM部件，可以完成下面两种功能：第1种功能是方波发生器，能够输出周期和占空比均可控制的方波；第2种功能是D/A转换器。

5.2.3PWM型D/A转换器

STC15单片机内部有PWM部件，可以完成下面两种功能：5.（1）重复周期的控制：通过控制CH和CL寄存器输出方波。（2）占空比的控制通过控制CCAP0H、CCAP0L寄存器，实现方波输出占空比可调节

（3）平滑滤波与功率驱动

PWM部件输出占空比可调的方波经过平滑滤波后输出其直流成分，完成D/A转换功能。方波发生器（1）重复周期的控制：方波发生器第五章

模拟信号的输入输出

模拟信号的输入---A/D模拟信号的输出---D/A主讲：朱兆优东华理工大学精品资源课程朱兆优教授制作第五章

模拟信号的输入输出模拟信号的输入---A/D5.1模拟信号的输入

介绍A/D转换及其相关技术5.1模拟信号的输入介绍A/D转换及其相关技术

5.1.1A/D转换器件的选择

技术参数：

（1）分辨率与量化误差：能引起转换结果变化的输入的最小变化量。

（2）转换精度：理论结果与实际结果之差。误差种类有偏移误差、满刻度误差、非线性误差、微分非线性误差。

（3）转换速度：每秒可以完成的次数，转换时间的倒数。

（4）

满刻度范围：输入信号的允许范围。从0到Vref×（1－2－n）。5.1.1A/D转换器件的选择技术参数：选择A/D转换器件的方法：（1）精度要求选择：通过这个指标就可以换算出所需的A/D转换器件的最低指标。（2）采样频率要求选择：采样频率至少要超过信号上限频率的两倍。

①低速A/D转换器件，采样频率每秒100次以下。②中速A/D转换器件，采样频率每秒100次以上。③高速A/D转换器件，采样频率超过1MHz。（3）其它选择考虑：①片内A/D。②串行A/D。③器件封装形式。选择A/D转换器件的方法：模拟输入通道包括信号调理电路、采样保持电路和A/D转换电路。

（1）信号调理电路设计：传统的信号调理电路包括硬件滤波电路、放大器、增益校准电路、零点校准电路、线性校准电路、温度补偿电路等等。5.1.2模拟输入通道的设计

模拟输入通道包括信号调理电路、采样保持电路和A/D转换电路。硬件滤波电路可选择低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器。分析有用信号的频谱和干扰信号的频谱，并把两者的频谱明显分开。放大器将信号放大到A/D转换器所需要的幅度，检测精度要求越高，对运算放大器芯片的要求也越高。INA114是BB公司的仪器仪表专用的运算放大器。硬件滤波电路可选择低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器。仪器仪表放大器原理图仪器仪表放大器原理图INA114仪器仪表专用的运算放大器原理图5.1.2模拟输入通道的设计

INA114仪器仪表专用的运算放大器原理图5.1.2模（2）采样保持电路设计：A/D转换器件完成一个转换过程需要一定时间，如果在这段时间内信号的幅度发生变化，转换结果将会受到影响。

采样保持电路工作原理：采样过程为保持电容的充放电并稳定的过程，保持过程为跟随器的输出过程。

采样保持电路的技术指标：孔径时间、捕捉时间、保持电压的下降、馈通、电压增益精度。

采样保持芯片：LF198/298/398。单级采样保持电路和两级采样保持电路。（2）采样保持电路设计：A/D转换器件完成一个转换过程需要一

（3）A/D转换电路设计：A/D转换电路包括A/D转换芯片、基准电源电路和控制电路。

下面介绍2个A/D转换器件的用法：

（1）STC15W4K32S4

（2）TLC2543

智能仪器原理与设计——基于STC15系列可在线仿真8051单片机-5[]课件单片机数据采集与处理方法：STC15W4K32S4系列片内集成了8路10位A/D转换部件的单片机（为了简化算法AD只用8位）。1、A/D采集分3步进行：

(1)设置输入信号的通道号

(2)启动A/D转换，等待转换完成

(3)最后读取转换结果。A/D转换过程有三种工作方式：查询方式，节电睡眠方式和掉电方式。单片机数据采集与处理方法：2、采样电压数据处理方法：(1)目标：电压值数字量数值处理电压数字显示(2)数字量变换出电压的算法思路：VD=(AD*5V)/256

即将AD采样值(A)，乘以量程（5V）结果处理：高位整数保存，低位小数放大100倍低字节丢掉，处理高字节（小数点2位）（处理方法除以10）2、采样电压数据处理方法：假设输入ADC的电压3.51V进行验证程序算法思想：(1)假设A/D采样数字量为180(=B4H)(2)计算180*5=384H（二进制乘法）(3)除以256，就是低字节为余数，高字节为整数(4)则高位3直接保存，保留2位小数，则把低位小数84H*100=3390H。(如果要保留1位小数呢，则乘以10)(5)小数的低字节90H丢掉

高字节33H/10=商5….余1，即是==0.51再从电压值换算为所称的重量（0.1V/kg）假设输入ADC的电压3.51V进行验证程序算法思想：

DINS:

MOV TH0,#80H INC CLOCK ;调整时钟。 MOV A,CLOCK ANL A,#07H JNZ DINSE ;每8次时钟中断启动一次A/D转换。 SETB ADCS ;启动A/D转换（每秒约转换4次）。 ORL PCON,#02H ;使CPU进入掉电模式。 MOV A,DAC0 ;A/D转换结束后，被中断唤醒，读取转换结果。 MOV B,#5 ;取量程。 MUL AB ;相乘。 MOV VIH,B ;保存电压的整数部分。 MOV B,#100

;将小数部分扩大100倍 MUL AB MOV A,#10 ;将小数部分转换为BCD码。 XCH A,B DIV AB SWAP A ORL A,B MOV VIL,A ;保存电压的小数部分。 LCALL DISP ;显示新的检测结果。

DINSE:

RETI ;定时中断结束。BCD码算法变换程序DINS: MOV TH0,#80HBCD码算法变换3、重量变换处理：保留2位小数点(1)目标：重量电压值数字量数值处理数字显示(2)数字量变换出电压的算法思路：

V0电压换算为传感器的输出信号思路：Vi=V0/放大倍数再由传感器的分辨率把Vi转换为重量。3、重量变换处理：保留2位小数点5.1.2模拟输入通道的设计

TLC2543是TI公司的12位串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。串行A/D可节省单片机I/O。5.1.2模拟输入通道的设计TLC2543是TI5.1.2模拟输入通道的设计TLC2543特点：（1）12位分辨率A/D转换器；线性误差+1LSB；（2）采样率为66kbps；10μs转换时间；（3）11个模拟输入通道；3路内置自测试方式；（4）有转换结束（EOC）输出；（5）具有单、双极性输出；（6）可编程的MSB或LSB前导；（7）可编程的输出数据长度。

5.1.2模拟输入通道的设计TLC2543特点：TLC2543引脚功能：AIN0～AIN10为模拟输入端；CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；Vcc为电源；GND为地。5.1.2模拟输入通道的设计

TLC2543引脚功能：5.1.2模拟输入通道的设计TLC2543引脚:5.1.2模拟输入通道的设计

TLC2543引脚:5.1.2模拟输入通道的设计TLC2543工作时片选端CS置0，CLK由软件产生时钟脉冲，转换结果从DOUT端输出，操作指令从DIN端输入（1字节）。当选择从高到低的顺序输出12位转换结果的工作模式时，操作指令的低四位为零，高四位为通道号。

TLC2543与单片机连接如右图示例程序参阅教材。

TLC2543工作时片选端CS置0，CLK由软件产生时钟脉TLC2543工作时序：

TLC2543工作时序：TLC2543例程：

5.1.2模拟输入通道的设计

先对A/D转换器写入转换通道地址（4位），启动该路开始转换，再从该通道读取转换结果（12位）。写1位：读取1位数据：

CLRCSCLRCSCLRCLKCLRCLKRLCCMOVC，DOUTMOVDIN，CRLCASETBCLKSETBCLK（详细程序见课本P55）TLC2543例程：5.1.2模拟输入通道的设计5.1.3其它A/D转换模式介绍

（1）VFC式A/D：以LM331芯片为代表，速度低，抗干扰性能好，适合远程传输。（2）廉价RC式A/D：利用电阻、电容构成RC充放电路，通过测量充放电过程与被测物理量的关系完成转换。若检测M次，输出高电平的N次，则计算Vcc*N/M就可以得出数字量5.1.3其它A/D转换模式介绍（1）VFC5.1.3其它A/D转换模式介绍

（3）过采样Σ－ΔA/D技术：当前转换精度达到14位以上的A/D转换芯片基本上都是Σ-Δ型（过采样型），其内部由比较器、积分器、基准电压、电子开关和脉冲源等组成。特点：低中速、高精度。（4）串行数据输出技术：不需要数据总线，简化电路设计。5.1.3其它A/D转换模式介绍（3）过采样5.2模拟信号的输出

介绍D/A转换及其相关技术5.2模拟信号的输出介绍D/A转换及其相关技术5.2.1D/A转换器件的选择

（1）

D/A转换器原理：

R－2R梯形网络、线性叠加。

（2）

D/A转换器技术指标：

（1）分辨率。（2）转换精度。（3）转换时间。（4）尖峰误差。

（3）

D/A转换器输入与输出形式：

输入形式（数据锁存器）：无、一级、两级。输出形式：单极性、双极性。5.2.1D/A转换器件的选择（1）

D/A转换D/A选择方法：1、精度选择：要求比系统控制精度要求提高1到2位。2、成本选择：单片机内含D/A将对简化电路设计和降低成本有利。3、连接总线选择：三总线或串行D/A芯片。D/A转换芯片的发展趋势是高精度、串行总线、多路输出、内嵌基准电压源、直接输出模拟电压。

5.2.1D/A转换器件的选择D/A选择方法：5.2.1D/A转换器件的选择模拟输出通道设计：

（1）D/A转换器接口电路设计

（2）电流/电压转换电路设计

（3）输出驱动电路设计D/A转换的精度选择：（1）选用带D/A功能部件的单片机（2）选用外部D/A转换器，设计外部接口电路5.2.2模拟输出通道的设计

模拟输出通道设计：5.2.2模拟输出通道的设计5.2.2模拟输出通道的设计

(1)用STC15W4K32S4与DAC0832实现正弦波或余弦波信号输出。为了提高波形质量，直流分量等于Vcc的一半，正弦波的峰顶应小于Vcc，峰谷应高于0。设Vcc=5V，Um=2V，则两路输出波形分别为：5.2.2模拟输出通道的设计(1)用STC15

波形输出采用查表、计算的方式得到正弦波各个点输出电压（2.5