《单片机原理及应用》9.docx

《《单片机原理及应用》9.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《单片机原理及应用》9.docx（20页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、第九章：51单片机的A/D和D/A通道知识点思维导图+思政线单片机原理及应用课程教案第九章：51单片机的A/D和D/A通道时间：场地：项目目的：1、单片机的A/D采集通道基础；2、8位并行8通道A/D芯片ADCO809；3、51单片机的D/A输出通道基础；4、八位串行单通道D/A芯片MAX517；5、51单片机的A/D和D/A通道的应用。思政目标：通过亮度可调灯及自动换挡电压项目的设计，培训学生实践创新、进益求精的工匠精神。重点难点：1、A/D和D/A通道基础;2、A/D和D/A通道常用芯片。实训设备：天煌单片机实验台、安装有kei1C51及protues的计算机项目内容与步骤（教学时数：12

2、学时）10.1 51单片机的A/D采集通道基础10.1.1 A/D变换的过程由于模拟信号在时间和量值上是连续的，而数字信号在时间和量值上都是离散的，因此在进行模数转换时，先要按照一定的时间间隔对模拟信号取样，使它变成时间上离散的信号。然后把取样值保持一段时间，在这段时间内，对取样值进行量化，使取样值变成离散的量值，最后通过编码，把量化后的离散值转换为数字量输出，这样即完成了一个模数转换过程，如下图所示。备注：课程思政元素：1）创新精神2）工匠精神3）职业素养融入时机：1）亮度可调灯功能扩展的设ADC的数字3码电路cpsJuuuincIDC,采样保持电路1 .采样2 .量化和编码10.1.2 A

3、/D变换的应用电路构成模拟信号电乐/号，电流信号，f1TUhH换T10.1.3 A/D变换的保持电路当模拟信号变化较快时，其取样值VS在脉冲变化器件会有明显的变化，如图10.3(C)中所示，vs的顶部不平，这样就不能得到一个固定的取样值进行量化，因此要利用下图的保持电路对vi进行保持。计：创新精神的培养；2)数字电压表的设计要有一定的设计精度：进益求精的工匠精神；3)实训过程引导学生相互合作、爱护仪器设备，保持实训室干净卫生，同时严格操作过程，保障安全用电流程，将公共道德、职业素养的培训也有机地融入理实一体教学中。融入方式和手段：实训设计与操作：通过实训项目的设计、仿真及调试过程实现；分析各组

4、设计的数字电压表的精度并进行改进。在S(t)等于1的取样时间内，使场效应管导通，电容C被迅速充电，由于电容C的充电时间常数远远小于取样时间，因此电容C的电压在取样时间内能跟随输入信号vi变化，因此vo=vi;而在S(I)=O的保持时间内，场效应管关断，由于电压跟随其输入阻抗很高，存储在C中的电荷很难泄露，因此在保持时间内，电容C上的电压Vo保持在取样时间结束时的Vi瞬时值，如图10.3(d)所示的波形。波形中的几个幅值不等的“平台”即是在每次取样时间结束时，电容C保持的在该次取样结束时Vi的瞬时值，这几个“平台”对应的瞬时值，才是后面要转换为数字量的取样值，最常用的信号保持芯片是1F198o1

5、0.1.4A/D芯片的分类A/D芯片按转换数据的输出方式可分为串行和并行两种，其中并行A/D芯片又可根据数据宽度分为8位、10位、12位、24位等；按转换原理可以分为逐次逼近型（SAR）和双积分型；按照同一块芯片上支持的同时输入的模拟信号数目可以分为同时支持多个模拟信号输入的多通道型和只支持单个模拟信号的输入单通道型。并行A/D芯片需要占用较多数目的数据引脚，但是其输出速度快，在数据宽度比较低时有较高的性价比；串行A/D芯片占用的数据引脚少，与51单片机的接口简单，但是由于数据要逐位输出，所以数据输出速度通常不如并行通道的A/D芯片快。串行和并行A/D芯片各有优势，使用时候主要看具体应用系统的

6、需求。逐次逼近型的A/D芯片具有很快的转换速度，一般是纳秒（ns）或微秒（PS）级；而双积分型A/D芯片的转换速度要慢一些，一般为微秒（US）或毫秒（ms）级，但是它具有转换精度高、廉价、抗干扰能力强等优点。多通道输入的A/D芯片可以同时支持对多个模拟信号的转换，但是由于需要进行通道切换，其转换速度通常慢于单通道输入的A/D芯片。10.1.5A/D芯片的选择A/D芯片有以下几个重要的指标。分辨率：一般用转换后数据的位数来表示，对于二进制输出型的A/D芯片来说，分辨率为8位是只能将模拟信号转换成OXOO0xFF数字量的芯片，也表明它可以对满量程的121256的增量做出反应。量化误差：将模拟量转换

7、成数字量（即量化）过程中引起的误差。它理论上为单位数字量的一半，即1/21SB。分辨率和量化误差是统一的，提高分辨率可以减少量化误差。 转换时间是只从启动转换到完成一次A/D转换所需要的时间。 转换量程:A/D芯片能够转换的电压范围,如05V,T0+10V等。 通道数：同时能转换的模拟信号的数目。常见的A/D芯片如下。 多通道类型:DC0809T1C2543o本章学习的哲学思维：硬件结构的学习要抓主要矛盾；电路设计要注意软、硬件的辩证关系。单通道类型:DC080kADS1IOOo高精度类型：D977o一般A/D芯片的引脚分为几类信号：模拟输入信号、数据输出信号、启动转换信号、转换结束信号和其他

8、一些控制信号，这样在A/D芯片与51单片机接口时就需要考虑如下几个问题。通常来说，满足上述3个要求的A/D芯片会有很多，这时要根据系统的成本要求，PCB的电源状况，系统的体积要求等各个方面综合考虑。10.1.6A/D芯片对电源的需求A/D芯片的电源包括芯片工作电源和基准电源，有些芯片是芯片内部自带基准电压源，有些芯片需要外接基准电源。不管是哪种情况，都要求所有的电源引脚都要用去耦电容，布线时尽可能地把模拟输入远离数字电路部分，最好不要用飞线连接电路。一般情况下，以下两点需要考虑。A/D芯片的模拟电源和数字电源分开，模拟地和数字地要求分开。模拟地和数字地要在芯片上就近连接在一起。10.28位并行

9、8通道A/D芯片ADC080910.2.1 ADC0809基础如下图所示是ADCO809芯片的逻辑结构，其由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成，各个模块的功能说明如下。多路模拟开关：用于选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入。地址选择译码：用于控制多路模拟开关进行切换。逐次逼近型A/D转换核心：A/D转换的核心模块。三态输出锁器：锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，51单片机才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。1.2 2.2ADCO809的电路ADC0809的典型应用电路如下图所示，ADC0809的8位数据引脚连接到51单片机的PO

10、端口，其他的控制逻辑由51单片机P2引脚来控制，51单片机使用内部的一个定时/计数器控制P2.3引脚来给DC0809提供工作时钟信号。-1.3 .3ADCo809的操作步骤和驱动函数1 .直接扩展方式51单片机对ADC0809的操作步骤说明如下。（1）设置定时/计数器工作频率，启动定时器从相应的1/0引脚输出方波给ADC0809提供工作时钟。（2）设置A1E的电平以使能通道选择。（3）设置ADDA-ADDC引脚上对应的电平以选择采集通道。(4)设置START电平上的电平以启动A/D采集。(5)检查EOC引脚上的电平以等待A/D转换结束。(6)设置ENAB1E引脚的电平允许DC0809输出A/D

11、数据。(7)从ADCo809中读出数据。2 .地址-数据总线扩展方式地址一数据总线方式，则不需51单片机主动产生ADCO809的工作时钟，其操作步骤如下。 根据电路计算ADC0809的8个通道的地址。 向选中通道的地址任意写一个数，启动A/D转换。 检测EOC引脚状态。 如果EOC状态为高电平，则从该通道地址读出A/D转换数据。10.3 51单片机的D/A输出通道基础10.3.1 D/A转换的过程数字系统内部的数字量是采用0或者1这两个代码按照数位组合起来表示的。对于有权码，D/A转换就是把每一位的代码都按照其相应权的大小转换为相应的模拟量，然后把转换后的模拟量相加，即可以得到与数字量成正比的

12、总模拟量，这就是数模转换的思路。D/A转换的原理如下图所示，其中为输入的n为二进制数，是与输入二进制数成正比的输出电压。铲-小数据锁仔器DA播Jk噗拟电广开关基准电压Zr电组侍权网络求和运P放人器D/A模块的组成如上右图所示，其中，输入包括数字输入、基准参考电压、供电电源；输出为模拟电流信号或者电压信号。其工作过程是首先把输入的数字量每一位数码都被存入锁存器相应的位置，而存入锁存器的数码用于控制模拟电子开关，如果某一位的数码为1,则该位在位权网络上产生与基位权成正比的电流值，再由运算放大器对各电流值求和，并转换成输出电压。下图所示为三位二进制编码与经过D转换后输出的电压模拟量之间的关系，从中可

13、以看出和A/D转换类型相比，D/A变换中两个相邻数码转换输出的电压值是不连续的。10.3.210.3.3 D/A模块的分类D/A模块的“数字一模拟”转换原理可以分为“有权电阻D/A转换”和“T型网络转换”两种，大多数D/A模块是由电阻阵列和多个电流、电压开关组成，根据输入的数字信号来切换多路开关以产生对应的输出电流和电压。为了保证D/A通道芯片输入引脚上的数字信号的稳定，一般来说，D/A芯片内部常常带有数据锁存器和地址译码电路，以便于和51单片机的接口连接。D/A通道芯片按照数字输入位数可以分为8位、10位、12位、16位等；按照和51单片机的接口方式可分为并行D/A通道芯片和串行D/A通道芯

14、片；按照转换后输出的模拟量类型来分可分为电压输入型D/A通道芯片和电流输出型D/A通道芯片。D/A通道芯片的位数越高则表明它转换的精度越高，即可以得到更小的模拟量刻度以使得转换后的模拟量具有更好的连续性、与A/D芯片相似，并行D通道芯片数据并行传输，具有输出速度快的特点，但是占用的数据线较多。并行D/A通道芯片在转换位数不多时具有较高的性价比。串行D/A通道芯片则具有占用数据线少、与51单片机接口简单、便于信号隔离等优点，但它相对于并行D/A通道芯片来说，由于待转换的数据是串行逐位输入的，所以速度相对就慢一些。10.3.3D/A芯片的选择在51单片机的应用系统中，最常用的D/A通道芯片有并行8

15、位双缓冲D芯片DACo832、串行10位D/A通道芯片T1C5615、串行12位D/A通道芯片MAX517、串行A/D和D/A通道芯片PCF8591等。D/A芯片的主要性能指标如下。 分辨率：输出模拟量的最小变化量，它与D通道芯片的位数是直接相关的，D/A通道芯片的位数越高，其分辨率也越高。转换时间：完成一次“数字一模拟”转换所需要的时间，转换时间越短则转换速度越快。 输出模拟量的类型与范围：D/A通道芯片输出的电流或是电压以及其相应的范围。 满刻度误差：数字量输入全为“1”时，实际的输出模拟量与理论值的偏差。 接口方式：即D/A通道芯片和其他芯片（主要是处理器）进行数据通信的方式，通常分为并行和串行方式。在设计51单片机应用系统时，主要从D/A芯片的精度、转换速度和输出信号的形式来考虑如何选择合适的D/A芯片以满足应用系统设计需求。D/A芯片的精度2. D/A芯片的转换速度D/A芯片的转换速率主要考虑建立时间。建立时间是指输入数字量变化时，输出电压