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1、项目任务单项目任务单通过本项目的相关知识的学习，要求完成下面两个电路的软硬件设计：简易的温度报警器的设计 简易的数控直流稳压电源的设计 第1页/共105页任务知识及实施任务知识及实施u在微型计算机控制系统中，要实现对工业对象和生产过程的控制，就要将对象的各种状态参数，经过测量按照计算机要求的方式送入微型计算机。u计算机经过计算、处理之后，将结果以数字量的形式输出，然后经过相应的一系列输出变换，使输出量变成适合控制工业对象的量。u因此，在计算机和工业控制对象之间，必须设置信息的传递和变换装置。这个装置就叫做输入输出通道，它们在微型计算机和工业控制对象之间起着连接纽带和桥梁的作用。u输入输出通道包
2、括模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道第2页/共105页3.1 模拟量输入通道模拟量输入通道 3.1.2 A/D转换及其接口技术转换及其接口技术 3.1.3典型典型A/D转换器应用实例转换器应用实例案例案例4 简易的温度报警器的设计简易的温度报警器的设计3.1.1模拟量输入通道模拟量输入通道第3页/共105页3.1.1模拟量输入通道组成模拟量输入通道组成模拟量输入通道的任务，就是要把从控制对象检测得到的模拟信号，变换成二进制数字信号，经接口送入计算机。1.模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成2.输入信号的处理输入信号的处理3.采样和采样定理采样和采样定理4.模拟
3、多路开关模拟多路开关5.采样保持器采样保持器第4页/共105页1.模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成 模拟量输入通道的结构形式有单路模拟量输入通道多路模拟量输入通道 第5页/共105页2.输入信号的处理输入信号的处理输入信号处理的任务是将被测对象的输出信号变换成计算机要求的输入信号。图3.2 输入信号的处理电路的结构第6页/共105页图3.2 输入信号的处理电路的结构第7页/共105页3.采样和采样定理采样和采样定理（1）信号的采样（2）量化第8页/共105页（1）信号的采样）信号的采样采样的定义采样过程采样定理第9页/共105页采样的定义计算机数据采集系统按照分时的方式逐点对现
4、场连续信号进行采集，从而把连续变化量变成离散的数字量，这个过程称为信号的采样。第10页/共105页采样的定义采样过程采样开关闭合的时间称为采样宽度 两次采样之间的时间间隔两次采样之间的时间间隔T称称为采样周期为采样周期 第11页/共105页采样的定义采样过程采样定理香农定理指出，如果随时间变化的模拟信号f(t)的最高频率为fmax,那么只要按照采样频率f 2fmax进行采样，则采样信号f*(t)就能无失真地恢复原连续信号f(t)。第12页/共105页（2）量化）量化所谓量化，就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。量化过程可以视为“数值分层”的过程。第13页/
5、共105页微型计算机中的信号是以二进制数的代码来表示的，任何值只能表示成二进制数的整数倍。假设fmax和fmin分别为信号的最大值和最小值，则用字长为i的二进制数进行量化，量化单位是模/数转换器最低位二进制位（LSB）所代表的物理量，其值为第14页/共105页4.模拟多路开关模拟多路开关p模拟多路开关又称多路转换器。p模拟多路开关主要用在两方面：在多通道数据采样检测时，把多个模拟量参数分时地接通并送入A/D转换器，即完成多到一的转换，这叫多路开关多路开关；把经由计算机处理，且由D/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成一到多的转换，这叫多路分配器多路分
6、配器，或反多路开关。第15页/共105页（1）模拟多路开关的分类）模拟多路开关的分类p根据组成结构的不同分：一类是机械触点式开关，如干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器；另一类是无触点电子式开关，如晶体管、场效应管以及集成电路开关等。p按用途来分：单向多路开关：只能做多路开关或反多路开关其中的一种用途，如AD7501（8路）、AD7506（16路）；双向多路开关：双向多路开关则既能做多路开关，又能做多路分配器，称为如CD4051。p按输入信号的连接方式来分单端输入：CD4051双端输入（或差动输入）：CD4052第16页/共105页（2）CD4051CD4051是单端8通道双向多路开关 8
7、路模拟量输入通道，路模拟量输入通道，输入信号输入信号Vi的电压的电压范围可以在范围可以在VDD VSS 之间，即之间，即VSSViVDD。C，B，A的信号用来选择8个通道之一被接通 CD4051允许VDD，VEE，VSS的电压范围为0.5V15V 禁止输入端INH=“1”，禁止模拟量输入当INH=“0”，允许模拟量输入多路分配器设置端，只要把输入信号与引脚3连接，改变C，B，A三个控制信号的值，则可使其与8个输出端的任何一路相通，完成一到多的分配器。第17页/共105页5.采样保持器采样保持器在工业生产过程中，有很多变化比较快的模拟量，而且我们还经常要对多个通道的模拟输入量进行分时采样，这就要
8、求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。上述任务的完成要靠一种器件叫做采样保持器（Sample/Hold），简写为S/H。第18页/共105页（1）采样）采样保持器的工作原理保持器的工作原理S/H一般由模拟开关、储能元件（电容）和缓冲放大器组成 第19页/共105页在采样方式采样方式中，控制开关S闭合，输入信号通过电阻R向电容C充电，采样保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。在保持状态保持状态时，开关S断开，采样保持器的输出为电容C上的电压，一直保持在保持命令发出时刻的电压值，直到再度发出采样命令时为止。第20页/共105
9、页（2）常用的采样保持器）常用的采样保持器常用的采样保持器有国家半导体公司的LFl98/298/398以及美国AD公司的AD582，AD585，AD346，AD389，ADSHC-85等。第21页/共105页LF398 LF398是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样保持电路。它具有采样速度快，保持下降速度慢，以及精度高等特点。电容C外接，大小取决于维持时间的长短。LF398有两个逻辑控制输入端用来控制采样和保持，具有低输入电流差动输入，允许直接与TTL，PMOS，CMOS电平相连，其门限值为1.4V。当逻辑参考输入端接地时，控制电平与TTL兼容。第22页/共105页LFl98/LF298/LF3
10、98芯片各引脚功能：芯片各引脚功能：VIN：模拟量电压输入。VOUT：模拟量电压输出。逻辑（logic）和逻辑参考（logic reference）：逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样保持器的工作方式。当引脚8为高电平时，通过控制逻辑电路A3使开关S闭合，电路工作在采样状态。反之，当引脚8为低电平时，则开关S断开，电路进入保持状态。逻辑参考端可以直接接地，然后，在引脚8端用一个逻辑电平控制。偏置（OFFSET）：偏差调整引脚。可用外接电阻调整采样保持器的偏差。CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。V，V：采样保持电路电源引脚。电源变化范围为5V到10V。第23页/共105页3.1.2 A/D
11、转换及其接口技术转换及其接口技术模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称之为模/数转换器，简称A/D转换器。1.A/D转换原理转换原理2A/D转换器的主要参数转换器的主要参数3.A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术 第24页/共105页1.A/D转换原理转换原理 A/D转换的常用方法有 计数器式A/D转换 逐次逼近型A/D转换（最常用）双积分式A/D转换 V/F变换型A/D转换 并行A/D转换 第25页/共105页逐次逼近型逐次逼近型A/D转换原理转换原理 第26页/共105页这种转换器的转换的原理如下：转换开始时，将逐次逼近寄存器清0，这时D/A转换器输出
12、电压VS也为0。当A/D转换器接到启动脉冲后，在时钟的作用下，控制逻辑首先使N位逐次逼近寄存器的最高位DN1置1（其余N-1位均为0），经D/A转换器转换后，得到一个模拟输出电压VS。把这个VS与输入的模拟量VX在比较器中进行比较，由比较器给出比较结果。当VXVS时，保留最高位DN1为1，否则，该位清零。然后，再把DN2位置1，与上一位DN1，一起进入D/A转换器，经D/A转换后得到的模拟输出电压VS再次与模拟量VX进行比较，由VXVS或VXVS决定是保留这一位的1，还是清0。如此继续下去，经过N次比较，直至最后一位D0比较完成为止。此时，N位逐次逼近寄存器中的数字量即为模拟量所对应的数字量。
13、当A/D转换结束后，由控制逻辑发出一个转换结束信号，以便告诉微型计算机，转换已经结束，可以读取数据。第27页/共105页2A/D转换器的主要参数转换器的主要参数（1）分辨率分辨率（2）量程量程（3）精度精度（4）转换时间）转换时间（5）输出逻辑电平）输出逻辑电平（6）工作温度范围）工作温度范围（7）对基准电源的要求）对基准电源的要求 u分辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。uA/D转换器的分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。量程是指所能转换的电压范围，如010V、05V等。有绝对精度和相对精度两种表示方法。常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位，如精
14、度为最低位LSB的土1/2位，即土1/2LSB。逐次逼近式单片A/D转换器转换时间的典型值为1.0200s。多为与TTL电平配合。在考虑数字量输出与微处理器数据总线的关系时，应注意是否要用三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等。由于温度会对运算放大由于温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，器和电阻网络产生影响，故只有在一定温度范围故只有在一定温度范围内才能保证额定精度指内才能保证额定精度指标。较好的转换器件工标。较好的转换器件工作温度为作温度为4085，比较差的只有，比较差的只有070。基准电源的精度将对整基准电源的精度将对整个系统的精度产生影响，个系统的精度产生影响，故选芯片时应考虑是否故选芯
15、片时应考虑是否要外加精密参考电源等。要外加精密参考电源等。第28页/共105页3.A/D转换器及其接口技术转换器及其接口技术 在将A/D转换器与微型计算机接口连接时，需要注意7个方面的问题：（1）模拟量输入信号的连接（2）数字量输出引脚的连接（3）启动信号的产生（4）转换结束后的数据读取处理（5）参考电平的连接（6）时钟信号的连接（7）接地问题第29页/共105页（1）模拟量输入信号的连接）模拟量输入信号的连接 输入极性与量程的选择输入极性与量程的选择 输入通道的选择输入通道的选择 A/D转换器所要求接收的模拟量大都为05V的标准电压信号。但是有些A/D转换器的输入除允许单极性外，也可以是双极
16、性，用户可通过改变外接线路来改变量程。有的A/D转换器还可以直接拾取传感器的输出信号。由于工业现场中经常有多个模拟输入信号，在系统的模拟量输入通道中，单通道输入方式较少，更多的是多通道输入方式。在计算机控制系统中，多通道输入有两种方法。一种是采用多路开关与单通道A/D芯片组成多通道，有些还要接入采样保持器；另一种方法是直接采用带多路开关的A/D转换器，如ADC0809等。第30页/共105页（2）数字量输出引脚的连接）数字量输出引脚的连接输出方式1：芯片数字量输出端具有可控的输出三态门，可直接具有可控的输出三态门，可直接与系统总线相连与系统总线相连，在转换结束后，CPU通过执行一条输入指令产生
17、读信号，选通三态门，将数据从A/D转换器取走。输出方式2：芯片数字量输出端无输出三态门，或者输出三态门不受外部控制，而是由转换电路在转换结束时自动选通的。对于这种A/D转换器来说，不能直接与系统总线相连，一般要通不能直接与系统总线相连，一般要通过锁存器或过锁存器或I/O接口与微型计算机相连接口与微型计算机相连。常用的接口及锁存器有Intel8155，8255以及74LS273，74LS373，8212等。第31页/共105页（3）启动信号的产生）启动信号的产生A/D转换器的启动信号有两种：脉冲启动信号电平启动信号脉冲启动型的A/D转换器芯片，只要在启动转换输入引脚引入一个启动脉冲即可。电平启动
18、转换的A/D转换器芯片，就是在整个转换过程中，必须保持启动引脚上加上要求的电平，否则将停止转换。因此，在这种启动方式下，启动电平必须通过锁存器保持一段时间。第32页/共105页（4）转换结束后的数据读取处理）转换结束后的数据读取处理当A/D转换器接收到CPU发出的一个启动信号后，A/D转换器就开始转换，这个转换需要一定的时间。当转换结束时，A/D转换器芯片内部的转换结束触发器置位。同时输出一个转换结束标志信号，通知微型计算机读取转换的数据。一般来说，微型计算机可以有通过中断、查询、软件延时中断、查询、软件延时等三种方式来联络A/D转换器以实现对转换数据的读取 第33页/共105页（5）参考电平
19、的连接）参考电平的连接 在A/D转换器中，参考电平的作用是供给其内部D/A转换器的标准电源。它直接关系到A/D转换的精度，因而对该电源的要求比较高，一般要求由稳压电源供电。n当模拟量信号为单极性单极性时，VREF（）端接模拟地，VREF（）端接参考电源正端。n当模拟量信号为双极性双极性时，则VREF（）端和VREF（）端分别接至参考电源的正、负极性端。第34页/共105页（6）时钟信号的连接）时钟信号的连接影响A/D转换器的转换速度的一个重要因素就是转换器的时钟信号。时钟信号的频率是决定芯片转换速度的基准。时钟信号参与了整个A/D转换过程 第35页/共105页（7）接地问题）接地问题在连接时，
20、必须将模拟电源、数字电源分别连接，模拟地和数字地也要分别连接。然后，再把这两种“地”用一根导线连接起来。在整个系统中仅有一个共地点，这种做法避免了形成回路，防止数字信号通过数字地线干扰微弱的模拟信号。第36页/共105页第37页/共105页3.1.3典型典型A/D转换器应用实例转换器应用实例1并行并行A/D转换器转换器AD1674 2串行串行A/D转换器转换器TLC549【任务实施任务实施】案例案例4 简易的温度报警器的设计简易的温度报警器的设计第38页/共105页1并行并行A/D转换器转换器AD1674（1）AD1674的结构及主要特点（2）AD1674的引脚功能（3）AD1674的工作时序
21、第39页/共105页（1）AD1674的结构及主要特点的结构及主要特点AD1674的结构AD1674是美国模拟器件公司AD（Analog Devices）公司推出的一种完整的12位并行12位逐次逼近型快速A/D转换器。该芯片内部自带采样保持器（SHA）、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的寄存器/三态输出缓冲器。第40页/共105页带有内部采样保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/数转换器；采样频率为100kHz；转换时间为10s；具有1/2LSB的积分非线性（INL）以及12位无漏码的差分非线性（DNL）；满量程校准误差为0.125%；内有+10V基准电源，也可使用外部基
22、准源；四种单极或双极电压输入范围分别为5V，10V，0V10V和0V20V；AD1674的主要特点第41页/共105页数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口；内部带有防静电保护装置（ESD），放电耐压值可达4000V；采用双电源供电：模拟部分为12V/15V，数字部分为+5V；使用温度范围：AD1674J/K为070（C级）；AD1674A/B为-4085（I级）；AD1674T为-55+125（M级）。功耗低，仅为385mW。AD1674的主要特点（续）第42页/共105页（2）AD1674的引脚功能的引脚功能AD1674的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号
23、输入端口和电源端口四种类型。第43页/共105页逻辑控制端口逻辑控制端口12/8：数据格式选择端。当12/8=1时，双字节输出，即12位数据线同时生效输出，可用于12位或16位微型计算机系统。若12/8=0，为单字节输出，可与8位CPU接口连接。CS：片选信号输入端，低电平有效。A0：字节寻址/短周期转换选择输入端。在转换开始时，若A0为低，则进行12位数据转换；若A0为高，则进行周期更短的8位数据转换。在读取转换数据时，若R/C=1且12/8=0，A0为低，则在高8位（DB11DB4）作数据输出；若A0为高，则在DB3DB0和DB11DB8作数据输出，而DB4DB7置零。R/C：Pin5为读
24、数据/启动转换信号输入端。在完全控制模式（Full-Control）下，R/C=1时为读状态，R/C=0时为启动A/D转换。在独立工作模式（Stand-Alone）下，R/C为下降沿时启动A/D转换STS：Pin28为转换状态输出端，转换过程中为高电平输出，转换结束立即转为低电平。CE：Pin6为片允许信号输入端，高电平有效。A/D转换器是启动还是读出数据是由CE，CS和R/C）引脚来控制的。当CE=1，CS=0，且R/C=0时，转换过程开始；而CE=1，CS=0，而R/C=1时，数据可以被读出。第44页/共105页DB3DB0：Pin19Pin16在12位输出格式中作为低4位输出数据；在8位
25、输出格式中当A0=1时这4位作为低4位输出数据，若A0=0则这4位无效。DB7DB4：Pin23Pin20在12位输出格式中作为中间4位输出数据；在8位输出格式中当A0=0时这4位作为中间4位输出数据，若A0=1则这4位均为0。DB11DB8：Pin27Pin24在12位输出格式中作为高4位输出数据；在8位输出格式中当A0=0时这4位作为高4位输出数据，若A0=1则这4位无效。并行数据输出端口第45页/共105页10VIN：Pin13为10V模拟信号输入端口，输入范围为0V10V单极输入或5V5V5V双极输入；20VIN：Pin14为20V模拟信号输入端口，输入范围为0V20V单极输入或10V
26、10V双极输入。模拟信号输入端口模拟信号输入端口应当注意的是：10VIN和20VIN不能同时使用。第46页/共105页VLOGIC：Pin1为+5V逻辑供电输入 VCC：Pin7为+12V/+15V模拟供电输入 VEE：Pin11为-12V/-15V模拟供电输入 AGND：Pin9为模拟接地端DGND：Pin15为数字接地端 REF OUT：Pin8为+10V基准电压输出端 REF IN：Pin10为参考电压输入端，该引脚接50的上拉电阻到+10V参考源端（即REF OUT引脚）BIP OFF：Pin12为双极电压偏移量调整端，该端在双极输入时可通过50电阻与REF OUT端相连；在单极输入时
27、接模拟地。电源端口第47页/共105页AD1674模拟量的输入连接方式模拟量的输入连接方式（a）单极性输入（b）双极性输入图3.14 单极和双极输入的连接电路第48页/共105页AD1674输入的模拟量与转换后输出的数字量之间的关系式为：特别提示：特别提示：第49页/共105页（3）AD1674的工作时序的工作时序AD1674的工作模式可分为p独立（Stand-Alone）模式p全控（Full-Control）模式全控模式就是利用AD1674所有的控制信号（CE、CS、R/C、12/8、A0），以便于在单个数据总线上对多个设备进行地址译码。独立模式是指在专用输入端口可使系统有用，不要求全总线接
28、口功能。即是CE、CS、12/8、A0这4根控制线接固定电平（CE=1、CS=0、12/8=1、A0=0），不由单片机控制，AD1674的工作过程只由R/C和STS来控制。第50页/共105页AD1674全控模式下的工作过程全控模式下的工作过程 第51页/共105页AD1674全控模式下的工作过程全控模式下的工作过程第52页/共105页AD1674全控模式下的工作过程全控模式下的工作过程第53页/共105页2串行串行A/D转换器转换器TLC549（1）TLC549芯片简介（2）TLC549芯片的内部结构及引脚功能（3）TLC549芯片的工作原理第54页/共105页（1）TLC549芯片简介芯片
29、简介 TLC549是德州仪器公司（TI）推出的单路模拟输入的8位串行A/D转换器。该芯片通过SCLK、SDO三根信号线能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。CS第55页/共105页TLC549的主要特性有：的主要特性有：p采用采用CMOSCMOS技术，输出完全兼容技术，输出完全兼容TTLTTL和和CMOSCMOS电电路路p供电电源范围：供电电源范围：3 36V6Vp8 8位位A/DA/D转换结果转换结果p转换时间：最大转换时间：最大17us17usp输入输出时钟：小于输入输出时钟：小于1.1MHz1.1MHzp低功耗：最大低功耗：最大15Mw15Mwp工作
30、温度范围：工作温度范围：0070;-4070;-408585第56页/共105页（2）TLC549芯片的内部结构及引脚功能芯片的内部结构及引脚功能图图3.16 TLC549的内部结构框图的内部结构框图REF+：正基准电压输入：正基准电压输入 2.5VREF+Vcc+0.1。REF-：负基准电压输入端，：负基准电压输入端，-0.1VREF-2.5V。且要求：（且要求：（REF+）（）（REF-）1V。AIN：模拟信号输入端，：模拟信号输入端，0Vcc，芯片选择输入端，要求输入高电平芯片选择输入端，要求输入高电平 VIN2V，输入低电平输入低电平VIN0.8V。SCLK：外接输入：外接输入/输出时
31、钟输入端，同于同步芯片的输出时钟输入端，同于同步芯片的输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。输入输出操作，无需与芯片内部系统时钟同步。SDO：转换结果数据串行输出端，与：转换结果数据串行输出端，与 TTL 电平兼容，电平兼容，输出时高位在前，低位在后。输出时高位在前，低位在后。第57页/共105页TLC549输入的模拟量与转换后输出的数字量之间的关系式为：特别提示：特别提示：第58页/共105页（3）TLC549芯片的工作原理芯片的工作原理 1）当TLC549芯片的 为高电平时，数据输出端(SDO)处于高阻状态，且SCLK无效。控制功能允许在同时使用多片TLC549时，共用I/O CLOC
32、K，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。CS第59页/共105页2）当TLC549芯片的 为低时，TLC549进入A/D 转换工作状态，工作过程如下：u 将将 设置为低电平。在设置为低电平。在SCLKSCLK端连续输入端连续输入8 8个时钟信号，在每个时钟的下降个时钟信号，在每个时钟的下降沿，从沿，从TLC549TLC549芯片的芯片的SDOSDO端依次输出转换结果的端依次输出转换结果的D7D7D0D0位。注意：位。注意：SCLKSCLK下下降沿产生后，降沿产生后，400ns400ns后新的位被写到数据线上，在编写程序时需要在后新的位被写到数据线上，在编写程序时需要在SCLKSCLK
33、为为低电平后至少延时低电平后至少延时400ns400ns。u在在SCLKSCLK端连续输入端连续输入8 8个时钟信号，个时钟信号，设置为高电平设置为高电平CSCS第60页/共105页TLC549的时序如图3.18所示。图3.18 TLC549的工作时序图第61页/共105页【任务实施任务实施】案例案例4简易的温度报警器的设简易的温度报警器的设计计 1.任务要求2.设计方案设计方案第62页/共105页1.任务要求任务要求以AT89c51或STC89C51/52作为主控制器，利用温度传感器LM35采集环境温度，当环境温度高于50C时，蜂鸣器发出报警声。要求设计温度报警电路，利用Proteus和Ke
34、il软件完成电路的功能仿真。第63页/共105页2.设计方案设计方案 测量的室温均为零上摄氏度，则LM35可采用单电源供电模拟。根据LM35的特性可知，LM35输出的电压值为毫伏级电压（比例因数为+10.0mV/），属于小信号，因此应采用放大器对LM35输出的电压值进行放大后才接入A/D转换器的模拟量输入通道。A/D转换器可以采用AD1674，也可以采用TLC549。本设计给出了两种设计方案。第64页/共105页方案方案1：基于：基于AT89C51与与AD1674的温度报警的温度报警电路电路方案1的程序 第65页/共105页方案方案2：基于：基于AT89C51与与TLC549的温度报警电的温度
35、报警电路路 方案2的程序 第66页/共105页3.2 模拟量输出通道模拟量输出通道 3.2.2 D/A转换接口技术转换接口技术 3.2.3 典型的典型的D/A转换器介绍转换器介绍案例案例5 简易的数控直流稳压电源的设计简易的数控直流稳压电源的设计 3.2.1 D/A转换原理及主要参数转换原理及主要参数 模拟量的输出通道是计算机控制系统的数据分配系统，它们的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟量。这个任务主要由数/模转换器来完成。第67页/共105页3.2.1 D/A转换原理及主要参数转换原理及主要参数1多路模拟量输出通道的一般结构多路模拟量输出通道的一般结构 2D/A转换原理及主要参数转换原理
36、及主要参数第68页/共105页1多路模拟量输出通道的一般结构多路模拟量输出通道的一般结构（1）各通道自备）各通道自备D/A转换器形式转换器形式（2）各通道共用）各通道共用D/A转换器形式转换器形式 优点是转换速度快、工作可靠，即使某一通道出了故障也不会影响其它通道的工作。其优点是节省了价格较贵的D/A转换器，但由于各通道是分时工作的，工作速度受到限制。第69页/共105页2D/A转换原理及主要参数转换原理及主要参数（1）D/A转换原理转换原理第70页/共105页第71页/共105页分辨率分辨率 稳定时间稳定时间 输出电平输出电平 输入编码输入编码（2）D/A转换器的主要参数转换器的主要参数u分
37、辨率越高，转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。uD/A转换器的分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。是指数/模转换器中代码有满度值的变化时，其输出达到稳定（一般稳定到与l/2最低位值相当的模拟量范围内)所需的时间。一般为几十个毫微秒到几微秒。不同型号的数/模转换器件的输出电平相差较大。一般为510V，也有一些高压输出型的为2430V，还有一些电流输出型，低的为20mA,高的可达3A。如二进制码、BCD码、双极性时的符号数值码、补码、偏移二进制码等。第72页/共105页3.2.2 D/A转换接口技术转换接口技术在将D/A转换器与微型计算机接口连接时，需要注意4个方
38、面的问题：1.数字量输入端的连接2.模拟输出端的连接3.参考电压源4.外部控制信号的连接 第73页/共105页1.数字量输入端的连接数字量输入端的连接(1)当D/A转换器内部有输入锁存器且D/A转换器的位数不大于微型计算机的数据口线的位数时，可把D/A转换器直接与微型计算机连接。（2）当D/A转换器内部没有输入锁存器或D/A转换器的位数大于微型计算机的数据口线的位数时，必须在CPU与D/A转换器之间增设锁存器或I/O接口。第74页/共105页2.模拟输出端的连接模拟输出端的连接（1）电流输出转换成电压输出）电流输出转换成电压输出（2）单极性与双极性电压输出形式要把D/A芯片的输出电流转换成电压
39、。通常转换的方法是在输出端外接运算放大器。第75页/共105页2.模拟输出端的连接模拟输出端的连接（2）单极性与双极性电压输出形式单极性输出的极性由参考电压极性决定。只要在单极性电压输出的基础上再加一级电压放大器，并配以相关的电阻网络，就可以构成双极性电压输出。第76页/共105页3.参考电压源参考电压源pD/A转换中，参考电压源是唯一能影响输出结果的模拟参量，是D/A转换接口中的重要电路。要保证D/A转换电路的转换精度，改变输出模拟电压的电压范围和极性，参考电压源的选择非常重要。p有的D/A转换器（如AD563/565A）内部带有低漂移精密参考电压源，不但可以有较好的转换精度，而且简化了接口
40、电路。目前，常用的D/A转换器大多数是不带内部参考电压源的，所以要在D/A转换接口设计时进行配置设计。第77页/共105页4.外部控制信号的连接外部控制信号的连接 外部控制信号主要是片选信号写信号启动转换信号值得一提的是，在D/A转换器的设计中，为简单起见，有时把某些控制信号接成直通的形式（接地或接+5V）。主要由地址线或地址译码器提供一般为片选信号与写信号的合成多由单片机的WR信号提供第78页/共105页3.2.3 典型的典型的D/A转换器介绍转换器介绍p按输入数字量的位数分8位、10位、12位和16位等；p按输入的数码分二进制方式和BCD码方式；p按传送数字量的方式分并行方式和串行方式；p
41、按输出形式分电流输出型和电压输出型（单极性和双极性）p按与单片机的接口分为带输入锁存的和不带输入锁存的 第79页/共105页18位位D/A转换器转换器DAC0832DAC0832DAC0832是美国国家半导体公司（是美国国家半导体公司（National National SemiconductorSemiconductor）8 8位的位的D/AD/A转换器芯片。转换器芯片。DAC0832DAC0832是一种是一种电流型电流型D/AD/A转换器，数字输入端具有转换器，数字输入端具有双重缓冲功能，有双重缓冲功能，有单缓冲、双缓冲或直通输入单缓冲、双缓冲或直通输入方式；方式；由由单电源单电源供电，在
42、供电，在+5+5+15V+15V范围内均可正常工作；范围内均可正常工作；基准电压的范围为基准电压的范围为10V10V；电流建立时间；电流建立时间1us1us；CMOSCMOS工艺，低功耗（仅为工艺，低功耗（仅为20mw20mw）。）。第80页/共105页（1）DAC0832的结构原理的结构原理ILE=1、CS=0、WR1=0时数据进入输入时数据进入输入寄存器寄存器WR2和和XFER引脚为低电平时，数引脚为低电平时，数据锁入据锁入DAC寄存器，寄存器，D/A转换器对转换器对数据进行转换数据进行转换高电平高电平：数据进入数据进入负跳变负跳变：锁存锁存第81页/共105页DAC0832DAC0832
43、芯片为芯片为2020引脚、双列直插封装引脚、双列直插封装（2）DAC0832的引脚功能的引脚功能第82页/共105页（3）DAC0832与与MCS-51单片机的接口单片机的接口方法方法通过改变控制引脚通过改变控制引脚 ILE ILE、和和 的连接方法，的连接方法，DAC0832DAC0832具有具有直通直通方式、方式、单缓冲单缓冲方式和方式和双缓冲双缓冲方式方式3 3种工作方式。种工作方式。第83页/共105页（1）直通方式当引脚当引脚ILEILE直接接电源直接接电源 、直直接接地时，接接地时，DAC0832DAC0832工作在直通方式下，此时，工作在直通方式下，此时，8 8位输入位输入寄存器
44、、寄存器、8 8位位DACDAC寄存器都直接处于导通状态，当寄存器都直接处于导通状态，当8 8位数字位数字量一到达量一到达 就立即开始进行就立即开始进行D/AD/A转换，转换，输出端得到转换的模拟量。输出端得到转换的模拟量。第84页/共105页（2）单缓冲方式）单缓冲方式通过连接 ILE、引脚，使得两个锁存器中的一个处于直通状态，另一个处于受控状态，或者两个同时被控，DAC0832就工作于单缓冲方式第85页/共105页（3）双缓冲方式）双缓冲方式把把DAC0832DAC0832的两个锁存器都连接成受控锁存方式的两个锁存器都连接成受控锁存方式第86页/共105页DAC0832输入的数字量与输出模
45、拟量的关系式第87页/共105页2.12位位D/A芯片芯片DAC1208DAC1208是美国国家半导体公司（National Semiconductor）的12位D/A转换器，与微处理器完全兼容,是24引脚的双列直插式芯片，具有双重输入锁存功能，可直接与微处理器连。第88页/共105页第89页/共105页DAC1208与DAC0832转换器的结构相似，所不同的仅仅是DAC1208具有12位的数据输入端，且输入锁存器由一个8位输入锁存器和一个4位输入锁存器组成。在12位要转换的数字量在输入锁存器中凑齐以后，一次性打入12位DAC寄存器，进行D/A转换。第90页/共105页特别提示：DAC1208
46、输入的数字量与输出的模拟量之间的关系式为：第91页/共105页310位串行位串行D/A芯片芯片TLC5615（1）TLC5615 芯片概述TLC5615TLC5615是具有是具有串行串行接口的数模转换器接口的数模转换器TLC5615TLC5615是带有缓冲基准输入（高阻抗）的是带有缓冲基准输入（高阻抗）的1010位位电压电压输出输出DACDAC，具有基准电压两倍的输出电压范围，且输，具有基准电压两倍的输出电压范围，且输出电压是单调变化的，器件用单出电压是单调变化的，器件用单5V5V电源工作，具有电源工作，具有上电复位功能，它的数字控制通过上电复位功能，它的数字控制通过3 3线串行总线，器线串行
47、总线，器件接收件接收1616位数据以产生模拟输出。数字输入端特点位数据以产生模拟输出。数字输入端特点是包括带有施密特触发器，具有高噪声抑制能力。是包括带有施密特触发器，具有高噪声抑制能力。第92页/共105页（2）TLC5615芯片的内部结构芯片的内部结构主要组成：（1）10位的DAC电路。（2）一个16位的移位寄存器，接收串行移入的16位二进制数字量，并且有一个用于级联的数据输出端DOUT。（3）并行输出的10位DAC寄存器，位10位DAC转换电路提供转换的二进制数据。（4）电压跟随器为参考电压端REFIN端提供很高的输入阻抗，大约10M。（5）电压放大器输出最大值为参考电压REFIN的2倍
48、的电压量。（6）具有上电复位电路和控制电路。第93页/共105页（3）TLC5615芯片的引脚TLC5615芯片为8引脚、双列直插式封装第94页/共105页 VDD，4.55.5V，通常取5V 高电平输入电压不得小于2.4V 低电平输入电压不得高于0.8V 基准输入电压：2V（VDD-2），通常取2.048V 负载电阻不得小于2k（4）TLC5615的推荐工作条件的推荐工作条件第95页/共105页（5）TLC5615的工作时序片选信号 为低电平时，串行输入数据才能送入16位移位寄存器。当 为低电平时，在每一个SCLK时钟的上升沿将DIN的数据移入16位移位寄存器。的上升沿将16位移位寄存器的1
49、0位有效数据所存在10位DAC寄存器中，供DAC转换电路进行转换为高电平时，串行输入数据不能送入移位寄存器注意：CS 的上升沿和下降沿都必须发生在SCLK为低电平的期间第96页/共105页 12位数据序列工作方式16位移位寄存器分为高4位虚拟位、10位数据位、低2位填充位，在单片TLC5615工作时，只需向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。级联方式即16位数据序列，可以将本片的DOUT端接入下一级的DIN端，需要将16位移位寄存器按先后输入高4位虚拟位、10位有效位和低2位填充位，由于增加了4个虚拟位，所以需要16个时钟脉冲。（6）TLC5615的工作方
50、式第97页/共105页TLC5615输入的数字量与输出模拟之间的关系：第98页/共105页【任务实施任务实施】案例案例5 简易的数控直流稳压电源的设计简易的数控直流稳压电源的设计1.任务要求2.设计方案设计方案第99页/共105页1.任务要求任务要求以AT89c51或STC89C51/52作为主控制器，设计一个数控的直流稳压电源，电源的输出电压范围为1.25V12V，设置两个按键，实现对输出电压增减的步进调节，电压的步进为0.1V。要求设计简易的数控直流稳压电源，利用Proteus和Keil软件完成电路的功能仿真。第100页/共105页2.设计方案设计方案 直流稳压采用固定式三端稳压芯片LM3