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.ppt

1、 模拟信号的输入模拟信号的输入-A/D模拟信号的输出模拟信号的输出-D/A主讲：朱兆优主讲：朱兆优东华理工大学精品资源课程东华理工大学精品资源课程 朱兆优教授朱兆优教授 制作制作 技术参数：技术参数：（1）分辨率与量化误差：分辨率与量化误差：能引起转换结果变化的输能引起转换结果变化的输入的最小变化量。入的最小变化量。（2）转换精度：转换精度：理论结果与实际结果之差。误差种类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。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：转换速度：每秒可以完成的次数，转换时间的倒每秒可以完成的次数，转换时间的

2、倒数。数。（4）满刻度范围：满刻度范围：输入信号的允许范围。从输入信号的允许范围。从 0 到到Vref（12n）。）。选择选择A/D转换器件的方法：转换器件的方法：（1）精度要求选择：）精度要求选择：通过这个指标就可以换算出所需的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。转换器件的最低指标。（2）采样频率要求选择：）采样频率要求选择：采样频率至少要超过信号上限频采样频率至少要超过信号上限频率的两倍。率的两倍。低速低速A/D转换器件，采样频率每秒转换器件，采样频率每秒100次以下。次以下。中速中速A/D转换器件，采样频率每秒转换器件，采样频率每秒100次以上。次以上。高速高速A/D

3、转换器件，采样频率超过转换器件，采样频率超过1MHz。（3）其它选择考虑：）其它选择考虑：片内片内A/D。串行串行A/D。器件封装形式。器件封装形式。模拟输入通道包括信号调理电路、采样保持模拟输入通道包括信号调理电路、采样保持电路和电路和A/D转换电路。转换电路。（1）信号调理电路设计：）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。电路、温度补偿电路等等。硬件滤波电路硬件滤波电路可选择低通滤波器、高通滤波可选择低通滤波器、高通滤波器或带通

4、滤波器。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。把两者的频谱明显分开。放大器放大器将信号放大到将信号放大到A/D转换器所需要的幅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度，检测精度要求越高，对运算放大器芯片的要求也越高。求也越高。INA114 是是BB公司的仪器仪表专用的运算放公司的仪器仪表专用的运算放大器。大器。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仪器仪表专用的运算放大器原理图（2）采样保持电路设计：）采样保持电路设计：A/D转换器件完成一个转换过转换器件

5、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。换结果将会受到影响。采样保持电路工作原理：采样保持电路工作原理：采样过程为保持电容的充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。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：采样保持电路的技术指标：孔径时间、捕捉时间、孔径时间、捕捉时间、保持电压的下降、馈通、电压增益精度。保持电压的下降、馈通、电压增益精度。采样保持芯片：采样保持芯片：LF198/298/398。单级采样保持电路和。单级采样保持电路和两级

6、采样保持电路。两级采样保持电路。（3）A/D转换电路设计：转换电路设计：A/D转换电路包括转换电路包括A/D转换芯片、基准电源电路和控制电路。转换芯片、基准电源电路和控制电路。下面介绍下面介绍2个个A/D转换器件的用法：转换器件的用法：（1）STC15W4K32S4 （2）TLC2543 单片机数据采集与处理方法：单片机数据采集与处理方法：STC15W4K32S4系列片内集成了系列片内集成了8路路10位位A/D转换转换部件的单片机（为了简化算法部件的单片机（为了简化算法AD只用只用8位）。位）。1、A/D采集分采集分3步进行：步进行：(1)设置输入信号的通道号设置输入信号的通道号 (2)启动启

7、动A/D转换，等待转换完成转换，等待转换完成 (3)最后读取转换结果。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。眠方式和掉电方式。2 2、采样电压数据处理方法：、采样电压数据处理方法：(1)目标：目标：电压值电压值数字量数字量数值处理数值处理电压数字显电压数字显示示(2)数字量数字量变换出变换出电压的算法思路：电压的算法思路：VD=(AD*5V)/256 即将即将AD采样值采样值(A)，乘以量程（，乘以量程（5V）结果结果 处理：高位处理：高位整数整数保存，低位保存，低位小数小数放大放大100倍倍 低字节丢掉，处理

8、高字节（小数点低字节丢掉，处理高字节（小数点2位）位）（处理方法（处理方法除以除以10）假设输入假设输入ADCADC的电压的电压3.51V3.51V进行验证程序算法思想：进行验证程序算法思想：(1)假设假设A/D采样数字量为采样数字量为180 (=B4H)(2)计算计算180*5=3 84H（二进制乘法）（二进制乘法）(3)除以除以256，就是低字节为余数，高字节为整数，就是低字节为余数，高字节为整数(4)则高位则高位 3 直接保存，保留直接保存，保留2位小数，则把位小数，则把低位小数低位小数 84H*100=3390H。(如果要保留如果要保留1位小数呢，则乘以位小数呢，则乘以10)(5)小数

9、的低字节小数的低字节90H丢掉丢掉 高字节高字节33H/10=商商5.余余1，即是，即是=0.51 再从电压值换算再从电压值换算为所称的重量（为所称的重量（0.1V/kg）DINS:MOVTH0,#80HINCCLOCK;调整时钟调整时钟。MOVA,CLOCKANLA,#07HJNZDINSE;每每8次时钟中断启动一次次时钟中断启动一次A/D转换。转换。SETBADCS;启动启动A/D转换（每秒约转换转换（每秒约转换4次）。次）。ORLPCON,#02H;使使CPU进入掉电模式。进入掉电模式。MOVA,DAC0;A/D转换结束后，被中断唤醒，读取转换结果。转换结束后，被中断唤醒，读取转换结果。

10、MOVB,#5;取量程取量程。MULAB;相乘相乘。MOVVIH,B;保存电压的整数部分保存电压的整数部分。MOVB,#100 ;将小数部分将小数部分扩大扩大100倍倍MULABMOVA,#10;将小数部分转换为将小数部分转换为BCD码。码。XCHA,BDIVABSWAPAORLA,BMOVVIL,A;保存电压的小数部分保存电压的小数部分。LCALLDISP;显示新的检测结果显示新的检测结果。DINSE:RETI;定时中断结束定时中断结束。BCD码码算算法法变变换换程程序序3 3、重量变换处理：、重量变换处理：保留保留2位小数点位小数点(1)目标：目标：重量重量电压值电压值数字量数字量数值处理

11、数值处理数字显示数字显示(2)数字量数字量变换出变换出电压电压的算法思路：的算法思路：V0电压换算为传感器的输出信号思路电压换算为传感器的输出信号思路：Vi=V0/放大倍数放大倍数再由传感器的分辨率把再由传感器的分辨率把Vi转换为重量转换为重量。ref0256VDV TLC2543是是TI公司的公司的12位位串行串行A/D转换转换器，使用开关电容器，使用开关电容逐次逼近技术逐次逼近技术完成完成A/D转转换过程。换过程。串行串行A/D可节省单片机可节省单片机I/O。TLC2543特点：特点：（1）12位分辨率位分辨率A/D转换器；线性误差转换器；线性误差+1LSB；（2）采样率为）采样率为66k

12、bps；10s转换时间；转换时间；（3）11个模拟输入通道；个模拟输入通道；3路内置自测试方式；路内置自测试方式；（4）有转换结束（）有转换结束（EOC）输出；）输出；（5）具有单、双极性输出；）具有单、双极性输出；（6）可编程的）可编程的MSB或或LSB前导；前导；（7）可编程的输出数据长度。）可编程的输出数据长度。TLC2543引脚功能：引脚功能：AIN0AIN10为模拟输入端；为模拟输入端；CS为片选端；为片选端；DIN为串行数据输入端；为串行数据输入端；DOUT为为A/D转换结果的三态串行输出端；转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；为转换结束端；CLK为为I/O时钟；时钟；R

13、EF+为正基准电压端；为正基准电压端；REF-为负基准电压端；为负基准电压端；Vcc为电源；为电源；GND为地。为地。TLC2543引脚引脚:TLC2543工作时片选端工作时片选端CS置置0，CLK由软件产生时钟脉冲，由软件产生时钟脉冲，转换结果从转换结果从DOUT端输出，操作指令从端输出，操作指令从DIN端输入（端输入（1字节）。字节）。当选择从高到低的顺序输出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。指令的低四位为零，高四位为通道号。TLC2543与单片机与单片机连接如右图连接如右图示例程序参阅教材。示例程序参阅教

14、材。TLC2543工作时序：工作时序：TLC2543例程：例程：先对先对A/D转换器写入转换通道地址（转换器写入转换通道地址（4位），启动该路开始转位），启动该路开始转换，再从该通道读取转换结果（换，再从该通道读取转换结果（12位）。位）。写写1位：位：读取读取1位数据：位数据：CLR CS CLR CS CLR CLK CLR CLK RLC C MOV C，DOUT MOV DIN，C RLC A SETB CLK SETB CLK（详细程序见课本（详细程序见课本P55）（1）VFC式式A/D：以以LM331芯片为代表，速度低，抗干芯片为代表，速度低，抗干扰性能好，适合远程传输。扰性能好，

15、适合远程传输。（2）廉价廉价RC式式A/D：利用电阻、电容构成利用电阻、电容构成RC充放电路，充放电路，通过测量通过测量充放电过程与被测物理量的关系完成转换。充放电过程与被测物理量的关系完成转换。若检测若检测M M次次，输出，输出高电平的高电平的N N次次，则计算则计算VccVcc*N/MN/M就可以得出数字量就可以得出数字量 （3）过采样过采样 A/D技术：技术：当前转换精度达到当前转换精度达到14位以上的位以上的A/D转换芯片基本上都是转换芯片基本上都是-型（过采样型），其内型（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。部由比较器、积分器、基准电压、电子开关和脉

16、冲源等组成。特点：低中速、高精度。特点：低中速、高精度。（4）串行数据输出技术：串行数据输出技术：不需要数据总线，简化不需要数据总线，简化电路设计。电路设计。（1）D/A转换器原理：转换器原理：R2R梯形网络、线性叠加。梯形网络、线性叠加。（2）D/A转换器技术指标：转换器技术指标：（1）分辨率。）分辨率。（2）转换精度。）转换精度。（3）转换时间。）转换时间。（4）尖峰误差。）尖峰误差。（3）D/A转换器输入与输出形式：转换器输入与输出形式：输入形式（数据锁存器）输入形式（数据锁存器）：无、一级、两级。：无、一级、两级。输出形式：单极性、双极性。输出形式：单极性、双极性。1、精度选择：、精度

17、选择：要求比系统控制精度要求提高要求比系统控制精度要求提高1到到2位。位。2、成本选择：、成本选择：单片机内含单片机内含D/A将对简化电路设计和将对简化电路设计和降低成本有利。降低成本有利。3、连接总线选择：、连接总线选择：三总线或串行三总线或串行D/A芯片。芯片。D/A转换芯片的发展趋势是高精度、串行总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、直接输出模线、多路输出、内嵌基准电压源、直接输出模拟电压。拟电压。模拟输出通道设计：模拟输出通道设计：（1）D/A转换器接口电路设计转换器接口电路设计 （2）电流）电流/电压转换电路设计电压转换电路设计 （3）输出驱动电路设计）输

18、出驱动电路设计D/A转换的精度选择：转换的精度选择：（1）选用带）选用带D/A功能部件的单片机功能部件的单片机 （2）选用外部）选用外部D/A转换器，设计外部接口电路转换器，设计外部接口电路 (1)(1)用用STC15W4K32S4与与DAC0832实现正弦波或实现正弦波或余弦波信号输出。余弦波信号输出。为了提高波形质量，直流分量等于为了提高波形质量，直流分量等于Vcc的一半，正的一半，正弦波的峰顶应小于弦波的峰顶应小于Vcc，峰谷应高于，峰谷应高于0。设。设Vcc=5V，Um=2V，则两路输出波形分别为：，则两路输出波形分别为：)(25.2tSINVSIN)2/(25.2tSINVCOS 波

19、形输出采用查表、计算的方式得到正弦波形输出采用查表、计算的方式得到正弦波各个点输出电压（波各个点输出电压（2.5V对应对应80H），），一个周一个周期输出期输出256点，正弦波的频率由定时器的时常数点，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。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。程序设计参阅教材。（2）DAC8420串行多路串行多路D/A芯片：芯片：DAC8420AD公司生产的四路输出公司生产的四路输出12位位D/A转换芯转换芯片。具有高速串行接口，功耗很低，能应用于伺服系片。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

20、统中。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；复位后输出主要特点：可选择单极或双极模式；复位后输出置置0或置中间值；电源选择广泛，单或置中间值；电源选择广泛，单+5V15V均可；均可；采用采用16脚脚PDIP、CERDIP或或SOIC封装。封装。DAC8420封装：封装：DAC8420主要引脚功能：主要引脚功能：CLK：时钟线时钟线CLR：复位端，低电平有效复位端，低电平有效CLSEL：复位方式控制端复位方式控制端CS：片选，低电平有效片选，低电平有效LD：DAC载入控制端，低电平有效载入控制端，低电平有效SDI：串行数据输入端串行数据输入端VREFHI：参考电压高值端参

21、考电压高值端VREFLO：参考电压低值端参考电压低值端VOUTAVOUTD：四路电压输出端四路电压输出端VDD、VSS、GND：电源地电源地DAC8420DAC8420电路接口：电路接口：DAC8420DAC8420工作时序：工作时序：DAC8420DAC8420数据格式：数据格式：先把先把4位通道地址和高位通道地址和高4位数据组合成位数据组合成1字节输出，再取低字节输出，再取低8位数据输位数据输出，以下是出，以下是1位数据输出例程：位数据输出例程：CLR CSCLR CLKRLC AMOV SDI，CSETB CLK （详细程序见课本（详细程序见课本P63）STC15单片机内部有单片机内部有

22、PWM部件，可以完成部件，可以完成下面两种功能下面两种功能：第第1种功能是方波发生器，能够输出周期和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；占空比均可控制的方波；第第2种功能是种功能是D/A转换器。转换器。（1 1）重复周期的控制：重复周期的控制：通过控制通过控制CH和和CL寄存器输出方波。寄存器输出方波。（2）占空比的控制占空比的控制 通过控制通过控制CCAP0H、CCAP0L寄存器，实现方波输出寄存器，实现方波输出占空比可调节占空比可调节 （3）平滑滤波与功率驱动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，完成出其直流成分，完成D/A转换功能。转换功能。