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文档简介
项目九A/D和D/A转换接口技术
9.1项目基本技能
9.2项目基本知识项目检测9.3互动环节9.4习题任务1A/D转换芯片TLC2543的应用
1.任务要求采用TI公司生产的A/D转换芯片TLC2543采集0~5V连续可变的模拟电压信号,转变为12位数字信号,送至51单片机进行处理,并在四位数码管上显示出对应的数字信号。0~5V的模拟电压信号可通过调节电位器获得。
2.硬件电路设计
1)电路图电路图如图9-1所示。9.1项目基本技能图9-1A/D转换芯片应用原理图
2)电路图说明从图9-1可以看出,0~5V模拟电压信号通过调节电位器获得,并送至A/D芯片TLC2543的0通道。数据输出端SDO、串行数据输入端SDI、片选端和输入输出时钟CLK分别与51单片机的P1.0~P1.3相连。四位数码管选用共阳数码管,位选端由单片机的P3.0~P3.3控制,段码端由单片机的P2.0~P2.7控制,采用动态扫描法显示,四个三极管8050用来驱动数码管。3.软件设计1)流程图程序参考流程如图9-2所示。图9-2A/D芯片应用程序流程图2)指令代码(1)编写汇编语言代码。用汇编语言编写的指令代码如下:
TLC2543编程注意事项:①硬件设计中,EOC引脚是否连接问题。EOC引脚由高变低是在第12个时钟的下降沿,它标志着TLC2543开始对本次采样的模拟量进行A/D转换,转换完成后EOC变高,标志转换结束。从理论上讲,应该通过EOC判断是否可以进行新的周期,以便从TLC2543中取出已转换的A/D数据。但是,由于TLC2543一次A/D转换时间约为10μs,而一般情况下,一个工作周期后,单片机后续处理工作已经大于10μs。因此,除非特别需要,一般可以不接EOC。
②本程序中转换过程,在输入输出数据过程必须保持为低,即在输入12个时钟信号期间必须保持0。之后,端被置高,以便使由高到低的变化,而产生下一个周期。被置高时,与TLC2543相连的其他三线,呈高阻状态,可为其他线路使用。硬件设计时,可设计为共享线路,软件编程时,根据情况决定谁使用这些线路。
(2)编写C语言代码。用C语言编写的指令代码如下:
在上述数码管显示子程序中,A/D输出的12位数据欲在四位数码管上显示,其转换原理是:首先12位数据num除以1000,得到的商即是千位,余数除以100,得到的商即是百位,依次类推,最后四位数码管上显示的便是12位A/D转换的数据。
4.电路板制作
1)元器件清单
A/D转换芯片TLC2543应用电路元器件清单如表9-1所示。表9-1A/D转换芯片TLC2543应用电路元器件清单
2) A/D转换芯片TLC2543应用电路的面包板制作
A/D转换芯片TLC2543应用电路的面包板连接实物如图9-3所示。图9-3A/D转换芯片TLC2543应用电路
3)调试运行将目标代码文件A9-1.hex或C9-1.hex加载到STC89C51单片机中,调节电位器的滑动旋钮,发现在四位数码管上可正确显示A/D转换后的12位数据,其对应的模拟电压若为5V(最大值),其数码管上显示111111111111(FFFH),即十进制为4095;若模拟电压为0V(最小值),其数码管上显示000000000000(000H),即十进制为0000,;若模拟电压为2.5V(中间值),其数码管上显示100000000000(800H),即十进制为2048,读者还可自行测试其他的模拟电压对应的12位数据值。任务2D/A转换芯片的应用
1.任务要求采用TI公司生产的D/A转换芯片TLC5615及51单片机组成波形发生器,编制程序产生锯齿波信号,通过程序控制锯齿波信号的幅值及周期。
2.硬件电路设计
1)电路图电路图如图9-4所示。图9-4D/A转换芯片应用原理图
2)电路图说明从图9-4可以看出,TLC5615与单片机的连接只需3根线,TLC5615的串行时钟输入端SCLK,片选端和串行输入端DIN分别与单片机的P3.0~P3.2相连。参考电压端REFIN通过稳压管与电阻相连,实现各种不同的输入参考电压。输出端OUT与示波器相连,观察锯齿波波形幅值及周期。3.软件设计1)流程图程序参考流程如图9-5所示。图9-5D/A芯片应用程序流程图
2)指令代码
(1)编写汇编语言代码。用汇编语言编写的指令代码如下:
锯齿波波形产生原理:采用定点法产生波形,将所要输出的波形按一个周期分成32个点,因为D/A转换器TLC5615的输入格式是16位的,所以一个点占2个字节,即高8位和低8位各一个字节。通过计算,做成一个表存于单片机的存储器中,频率可以通过调用不同的延时程序来改变,延时时间一到,查表输出下一个点的数据,如此循环。
(2)编写C语言代码。用C语言编写的指令代码如下:
4.电路板制作
1)元器件清单
D/A转换芯片TLC5615应用电路元器件清单如表9-2所示。表9-2D/A转换芯片TLC5615应用电路元器件清单
2)D/A转换芯片TLC5615应用电路的面包板制作
D/A转换芯片TLC5615应用电路的面包板连接实物如图9-6所示。图9-6D/A转换芯片TLC5615应用电路板
3)调试运行将目标代码文件A9_2.hex或C9_2.hex加载到STC89C51单片机中,可观察示波器上显示锯齿波的波形,其波形如图9-7所示,波形的周期及幅值可由程序控制。图9-7锯齿波波形图知识点1A/D转换器接口技术
在实际生活中,单片机经常要对来自现场的各种模拟量信号进行采集和处理,这些模拟量可以是随时间变化的电信号(如电压、电流等),也可以是非电物理量(如温度、压力、重量等),通常非电的物理量可通过相应的传感器转换为连续的电信号。由于单片机不能直接对这种模拟信号进行输入和处理,所以必须将其转化为数字信号,我们常将这种转化称为模数转换(AnalogtoDigitalConverter),简称ADC,或A/D。9.2项目基本知识
用于模数转换的集成芯片种类很多,按其转换原理可分为逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器、计数式A/D转换器和并行式A/D转换器,前两种A/D转换器目前使用最为广泛。不同的A/D转换芯片在转换速度、精度和价格上均有差别,其分辨率也有8位、10位、12位和16位等多种。由于51单片机往往要控制较多的I/O口,因此如使用并行ADC会限制系统I/O口功能的扩展,所以本节详细介绍TI公司生产的串行A/D转换芯片TLC2543。
A/D转换器的性能指标,包括有分辨率、转换精度、转换时间等。分辨率:分辨率是指A/D转换器在变化过程中所能分辨的最小量,这与A/D转换器的位数有关。因此,通常用A/D转换器的位数表示。例如,8位A/D转换器具有8位的分辨率,有时也采用LSB(最低位)的步长表示,即8位A/D转换器的分辨率为1/256。
转换精度:A/D转化器的转换精度表示在输入范围内实际输出与理论输出的差值,这个差值称为绝对精度,当它用LSB表示时,则称为相对精度。例如,ADC0801为8位A/D转换器,其相对精度为≤1/4LSB。转换时间:A/D转换器完成一次完整转换所需要的时间称为转换时间,通常用ms或μs表示。例如,TLC2543在工作范围内的转换时间为10μs。
1) TLC2543概述
TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换。由于是串行输入结构,能够节省51系列单片机I/O口资源;且价格适中,分辨率较高,因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
TLC2543与外围电路的连线简单,三个控制输入端为片选端、输入/输出时钟I/OCLOCK以及串行数据输入端DATAINPUT。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个,采样保持是自动的,转换结束时,EOC输出变高。2) TLC2543的特点(1) 12位分辨率A/D转化器;(2)在工作温度范围内10μs转换时间;(3) 11个模拟输入通道;(4) 3路内置自测试方式;(5)固有的采样与保持;(6)线性误差 ±1LSBmax;(7)片内系统时钟;(8)有转换结束输出指示EOC;(9)具有单、双极性输出;(10)可编程的MSB或LSB前导;(11)可编程输出数据长度。
3) TLC2543的引脚排列及说明
TLC2543有两种封装形式如图9-8所示,各个引脚的含义如表9-3所示。图9-8TLC2543的两种封装表9-3TLC2543引脚说明
4) TLC2543内部控制寄存器
TLC2543内部控制寄存器有8位,其结构格式如表9-4所示。内部控制寄存器各个位的基本功能如下。
D7~D4:作为片内14个通道多路选择器的控制位,用于11路模拟量和3个校准电压的选择以及掉电模式的设定。
D3、D2:用于转换后数据串行输出位数的选择,共有三位数可供选择,8位(精度低,方便单字节串行数据传输)、12位(标准位数)和16位(低四位为零,便于16位串行数据传输)。
D1:为“0”时表示输出数据的最高位导前,为“1”时表示最低位导前。
D0:为“0”时表示输出数据时单极性(无符号二进制),为“1”时表示双极性(有符号二进制)。表9-4内部控制寄存器格式注:X表示任意取值
内部控制寄存器的设置:设采集第6通道,输出数据位为12位,高位先送出,输出数据的格式为二进制,则控制字为多少?根据表9-4可得,控制字为01100000,用十六进制表示即为60H。
5) TLC2543工作时序以MSB为前导,用进行12个时钟传送的工作时序如图9-9所示,其工作过程如下:
图9-9用进行12个时钟传送的工作时序图
(1)上电时,EOC=1,=1;
(2)使下降,前次转换结果的MSB,即A11位数据输出到DATAOUT端;
(3)将输入控制字的MSB位即B7送至DATAINPUT端,使I/OCLOCK产生上升沿,将DATAINPUT端数据移入输入寄存器中;
(4)使I/OCLOCK产生下降沿,转换结果A10位输出到DATAOUT端;
(5)在第4个I/OCLOCK下降沿时,由前4个I/OCLOCK上升沿移入输入寄存器的四位通道地址被译码,相应模入通道被接通,其模入电压开始对内部开关电容充电;
(6)第8个I/OCLOCK上升沿时,将DATAINPUT输入控制字B0位移入输入寄存器后,DATAINPUT便无效;
(7)第11个I/OCLOCK下降沿,上次A/D结果的最低位A0输出到DATAOUT端供读数。至此,I/O数据已全部完成,但为实现12位同步,仍需第12个I/OCLOCK脉冲,在第12个I/OCLOCK下降沿时,模入通道断开,EOC下降,本周期设置的A/D转换开始,此时使上升;
(8)经过时间tCONV≤10μs,转换完毕,EOC上升;
(9)使下降,转换结果的MSB位即B11输出到DATAOUT端;
(10)将新周期的输入控制字的MSB位C7送至DATAINPUT端,在I/OCLOCK的上升沿将DATAINPUT端数据移入输入寄存器;
(11)使I/OCLOCK产生下降沿,将A/D结果的B10输出到DATAOUT端,依次类推;
(12)上电时,第一周期读取的DATAOUT端的数据无效,应舍去。
6) TLC2543与单片机接口利用51系列单片机的P1口与TLC2543构成的ADC电路如图9-10所示,分别用51系列单片机的P1.0~P1.3接TLC2543的数据输出端DATAOUT、数据输入端DATAINPUT、片选信号和输入输出时钟I/OCLOCK,模拟电压从(AIN0~AIN10)11个输入通道中某一通道输入,输出的数字信号从DATAOUT端输出,软件编程详细请参考任务1。图9-10TLC2543与51系列单片机接口电路知识点2D/A转换器接口技术
单片机用于控制时往往要将运算的控制量(数字信号)转换为模拟信号,送至执行机构或其他输出部件,这种转换称为数模转换(DigitaltoAnalogConverter),简称DAC,或D/A。目前单片机应用系统中使用的D/A转换器主要为已集成化的D/A转换芯片,它可直接将输入的数字量转换为模拟量输出。选择D/A转换芯片时,通常要考虑转换器的数字输入方式、位数、数字的输出特性、锁存特性及参考电压等因素。
D/A转换器数据的输入方式通常有串行和并行两种,数据的位数有8位、10位、12位、16位等。显然位数越多分辨率越高,使用时可根据用户的需求选择合适的位数。
D/A转换器的输出方式有电流输出和电压输出两种,而电压输出又有单极性和双极性之分,如0~5V、0~10V、± 2.5V、± 5V、± 10V等,用户也可根据需求选择。对于电流输出的D/A转换器,可采用运算放大器组成的电流-电压转化电路从而获得电压输出。
参考电压源是否稳定将影响D/A转换的输出结果。为保证有较好的转换精度,应给D/A转换芯片提供精密参考电压源。下面具体介绍典型D/A转换芯片TLC5615。
1) TLC5615概述
TLC5615是一个串行10位DAC芯片,性能比早期电流型输出的DAC要好。它只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入,易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机或DSP)接口,适用于电池供电的测试仪表、移动电话,也适合于数字失调与增益调整以及工业控制场合。2) TLC5615的特点(1)单5V电源工作;(2) 3线串行接口;(3)高阻抗基准输入端;(4) DAC输出的最大电压为2倍基准输入电压;(5)上电时内部自动复位;
(6)微功耗,最大功耗为1.75mW;
(7)转换速率快,更新率为1.21MHz;小型(D)封装TLC5615CD和塑料DIP(P)封装TLC5615CP的工作温度范围均为0℃~70℃。而小型(D)封装TLC5615ID和塑料DIP(P)封装TLC5615IP的工作温度在-40℃~85℃内。
3) TLC5615的引脚排列说明及内部框图
TLC5615的直插式8脚分布如图9-11所示,各引脚的功能如下:图9-11TLC5615引脚排列(1) DIN:串行二进制数输入端;(2) SCLK:串行时钟输入端;(3) :芯片选择端,低电平有效;(4) DOUT:用于级联的串行数据输出;(5) AGND:模拟地;(6) REFIN:基准电压输入端;(7) OUT:DAC模拟电压输出端;(8) VDD:正电源电压端。
TLC5615的内部功能框图如图9-12所示,它主要由以下几部分组成:
(1) 10位DAC电路;
(2)一个16位移位寄存器,接受串行移入的二进制数,并且有一个级联的数据输出端DOUT;
(3)并行输入输出的10位DAC寄存器,为10位DAC电路提供待转换的二进制数据;
图9-12TLC5615内部功能框图
(4)电压跟随器为参考电压端REFIN提供很高的输入阻抗,大约10MΩ;
(5) X2电路提供最大值为2倍于REFIN的输出;
(6)上电复位电路和控制电路。
4) TLC5615工作原理
(1)TLC5615工作时序
TLC5615的工作时序如图9-13所示,从图可以看出,只有当为低电平时,串行输入数据才能被移入16位寄存器中。当为低电平时,在每一个SCLK时钟的上升沿将DIN的一位数据移入16位寄存器中。注意,二进制最高有效位被导前移入。接着,的上升沿将16位移位寄存器的10位有效数据锁存于10位DAC寄存器中,供DAC电路进行转换。当为高电平时,串行输入数据不能被移入16位移位寄存器。注意,SCLK的上升和下降都必须发生在为低电平期间。
从图9-13中还可以看出,最大串行时钟速率为:图9-13TLC5615的时序图
(2)两种工作方式从图9-12可以看出,16位移位寄存器分为高4位虚拟位、低2位填充位以及10位有效位。在单片TLC5615工作时,只需要向16位移位寄存器按先后输入10位有效位和低2位填充位,2位填充位数据任意,这是第一种方式,即12位数据序列。第二种方式为级联方式,即16位数据序列,可以将本片的DOUT接到下一片的DIN,需要向16位移位寄存器先后输入4位虚拟位、10位有效位和低2位填充位,由于增加了4位虚拟位,所以需要16个时钟脉冲。
无论工作在哪一种方式,输出电压的幅值为:其中,VREFIN为参考电压,N为输入的二进制数。
5) TLC5615与单片机的接口利用51单片机的P1口与TLC5615构成的DAC电路如图9-14所示,分别用P1.0和P1.2模拟时钟SCLK和片选信号,待转换的二进制数从P1.1输出到TLC5615的数据输入端,软件编程详细内容请参考任务2。图9-14TLC5615与51系列单片机接口电路
问1:任务1中,TLC2543的EOC引脚是否需要与51系列单片机的引脚连接?答:EOC引脚由高变低是在第12个时钟的下降沿,它标志着TLC2543开始对本次采样的模拟量进行A/D转换,转换完成后EOC变高,标志转换结束。从理论上讲,应该通过EOC,判断是否可以进行新的周期以便从TLC2543中取出已转换的A/D数据。但是,正如前面所说,TLC2543的一次A/D转换时间约为10μs,而一般情况下,一个工作周期后,单片机的后续处理工作已大于10μs。因此,除非特别需要,一般可以不接EOC引脚。9.3互动环节
问2:任务1中,对于上电后第一个工作周期,从DATAOUT端取出的数据是否有效?答:在任务1中,一个输入/输出工作周期为12个时钟周期,随着12个时钟信号的进入,TLC2543的DATAOUT引脚送出的12位数,为上一个工作周期的A/D转换数据,而这一数据是何通道的采集量,取决于上一工作周期从DATAINPUT引脚送入TLC2543的控制字的前四位。那么对于系统上电后的第一个工作周期,从DATAOUT取出的数据是没有意义的,应该舍去。问3:任务2中TLC5615为串行的10位D/A转换芯片,在程序中,为什么要发送12位数据信息呢?程序段: for(y=0;y<12;y++)//高位到低位发送
{ DIN=x&0x8000; SCK=1; x<<=1; SCK=0;
}
答:TLC5615有两种工作方式,在任务2中,使用的是第一种工作方式,即16位移位寄存器中包括4位虚拟位、低2位填充位以及10位有效位。在任务2中,不需要使用4位虚拟位,所以10位有效位,再加2位的填充位,总共构成12位数据传送的数据的输入端DIN中。
问4:任务2中TLC5615的参考电压REFIN端为什么要接一个稳压管?答:因为参考电压是否稳定将直接影响D/A转换的输出结果,为了保证有较好的转换精度,在进行D/A转换时,在参考电压端应提供精密参考电压源,在任务2中,使用稳压管进行稳压,可以达到较为理想的结果。
知识回顾与项目小结
A/D和D/A转换器是单片机与外界联系的枢纽,由于单片机只能处理数字信号,因此当单片机系统中需要控制诸如温度、速度、压力、重量等模拟量时,就必须使用A/D和D/A转换器。在任务1中,详细介绍了A/D转换芯片TLC2543的转换原理,模拟电压(0~5V
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