AD和DA转换论文.docx
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AD和DA转换论文
1.题目背景与意义
1.题目背景与意义1
1.1设计目的2
1.2设计背景2
2．设计题目介绍2
2.1题目要求2
2.2发挥部分3
3.系统总体框架3
3.1系统总体方案3
3.2基于计算机的原理框图3
3．2系统总体框图3
4.1硬件系统总体框图4
4.2单片机部分4
4.2.1CPU的选择4
4.2.28051芯片介绍5
4.2.3基于80c51的最小系统6
4.3A/D转换部分6
4.3.1A/D芯片的选择6
4.3.2ADC0809芯片介绍7
4.3.3ADC0809主要特性8
4.3.4ADC0809工作过程8
4.3.5ADC0809与80c51的连接9
4.4D/A转换部分9
4.4.1D/A芯片的选择9
4.4.2DAC0832芯片介绍10
4.4.3DAC0832主要特性11
4.4.4DAC0832的工作方式11
4.4.5DAC0832与80c51的连接12
4.5.调理电路部分12
4.5.1调理电路原理12
4.5.2调理电路14
4.6LED显示部分14
4.6.1显示电路原理14
4.6.2显示电路15
4.7.报警电路部分15
4.7.1报警原理15
4.7.2报警电路16
4.8．与上位机通信接口电路设计16
4.8.1MAX-220标准介绍16
4.8.2MAX-220与80c51连接17
4.9键盘部分17
4.9.1键盘模块原理17
4.9.2键盘电路18
5系统软件设计19
5.1主程序框图19
5.2A/D转换部分20
5.3D/A转换部分21
5.4键盘部分框图22
5.5显示部分框图23
5.6数据转换程序框图24
6结论25
参考文献…………………………………………………………………………………………..25
1.1设计目的
目前，信号的检测和控制根据其特性，有很多的检测和控制装置，甚至有成套的控制原理电路。
此时我们做的信号检测与控制的装置，应该说是很低端的，但是这个课程设计的目的不只在于要求我们能设计出优秀、高端的产品，而且要求锻炼我们的综合能力。
做一个题目，不仅需要深刻理解该科目的知识，而且需要联系其它科目的知识。
比如这次的《计算机控制技术》设计报告，它不仅运用了计算机方面的知识，而且也设计到了单片机、数电的知识。
理论联系实践，从而锻炼了我们综合运用知识的能力。
1.2设计背景
在电子控制领域，数据的采集、处理与分析、输出贯穿于控制过程的始终，由于单片机面向测控领域的应用，被测量的温度、压力、流量、速度等非电物理量，需要经传感器先转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），再将连续变化的模拟量转换成离散的数字量，才能送计算机进行数值处理，反之，由计算机数值处理的数字量也必须经转换成模拟量，以实现连续变化的模拟量控制，故数据采集、处理、分析、输出的设计对计算机控制系统有着非常重要的意义。
2．设计题目介绍
2.1题目要求
本设计是一个基于单片机的具有A/D和D/A功能的信号测控装置。
要求该信号测控装置能够接入典型传感器、变送器信号，同时可输出标准电压/电流信号。
并满足抗干扰、通用性、安全性、性价比等原则性要求。
标准电压/电流信号此处定为：
0～5V/4～20mA（0～20mA）。
2.2发挥部分
1）可将系统扩展为多路。
可在此系统中扩展键盘、显示（LCD/LED）、与上位机通讯功能。
2）完成以上基本设计部分之后，可以运用Proteus仿真软件对设计结果进行相应的编程和仿真，调试测控系统并观察其运行结果（可以分部分完成）。
3.系统总体框架
3.1系统总体方案
本课程设计是将理论应用于实际中，我所设计的是运用各种仪表及传感器检测锅炉汽包中的水位，压力，流量，温度等。
然后，将得到的数据通过变送器输出0到5v或0到10mA的标准信号送入A/D转换器中，A/D转换器将标准信转换成机器码送入80c51单片机中。
通过软件编程设定每种被测量的上下限值，由外围设备来实现数字量的显示以及报警。
最后，将数字信号转换为模拟信号输出，再通过开关量来实现对阀门等的控制。
3.2基于计算机的原理框图
图1计算机控制原理图
3．2系统总体框图
图2系统总体框图
4系统硬件设计
4.1硬件系统总体框图
图3硬件系统框图
4.2单片机部分
4.2.1CPU的选择
由于80C51单片机具有价格便宜，易上手，抗干扰能力强，稳定性好等优点，且满足我所设计系统的条件，所以此次设计选用80C51单片机作为处理核心。
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路、按键输入、显示输出等。
目前用的较多是IntelMCS-51系列单片机，它有三个版本：
8031、8051、8751（8位机）。
本设计中我采用的是89c51单片机。
4.2.28051芯片介绍
8051共有4个I/O端口，为P0、P1、P2、P3，四个I/O口都是双向的，且每个口都具有锁存器。
每个口有8条线，共计32条I/O线。
各端口的功能叙述如下：
1、P0口有三个功能：
（1）外部扩充存储器时，当作数据总线（D0~D7）。
（2）外部扩充存储器时，当作地址总线（A1~A7）。
（3）不扩充时，可做一般I/O口使用，但内部没有上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
2、P1口只做I/O口使用，其内部有上拉电阻。
3、P2口有两个功能：
（1）扩充外部存储器时，当作地址总线（A8~A15）使用。
（2）做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻。
4、P3口有两中功能：
除了作为I/O口使用外（内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。
P30……RXD（串行输入口）
P31……TXD（串行输出口）
P32……/INT0（外部中断）
P33……/INT1（外部中断）
P34……T0（TIMER0的外部输入脚）
P35……T1（TIMER1的外部输入脚）
P36……/WR（外部数据存储器的写入控制信号）
P37……/RD（外部数据存储器的读取控制信号）
端口1、2、3有内部上拉电阻，当作为输入时，其电位被拉高，若输入为低电平可提供电流源；其作为输出时可驱动4个LSTTL。
而端口0作为输入时，处在高阻抗的状态，其输出缓冲器可驱动8个LSTTL（需要外部的上拉电阻）。
5、EA/VPP
（1）接高电平时：
a、CPU读取内部程序存储器（ROM），如8051/8052。
b、扩充外部ROM：
当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）、1FFFH（8052）时，自动读取外部ROM。
（2）接低电平时：
CPU读取外部程序存储器（ROM），如8031/8032。
4.2.3基于80c51的最小系统
图4单片机最小系统
4.3A/D转换部分
4.3.1A/D芯片的选择
A/D转换接口是数据采集系统前向通道中的一个环节，数据采集和转换系统从一个或几个信号源中采集模拟信号，并将这些模拟信号转换为数字形式，以便输入计算机。
因此，对于一个模拟信号转换成为数字信号所要求的基本部件有：
①模拟多路转换器与信号调节；
②采样/保持放大器；
③模拟/数字（A/D）转换器；
④通道控制电路。
随着集成技术的发展与广泛应用的需要，目前市场上出售的A/D转换器品种较多，其精度、速度与价格方面千差万别。
从其组成结构分，有计数比较型（速度慢、价格便宜），逐次逼近型（分辨率、速度、价格适中），双积分型（分辨率高、抗干扰能力强、价格便宜，但速度较慢）和并行转换型（高速）。
鉴于综合考虑，选择ADC0809作为A/D转换器。
4.3.2ADC0809芯片介绍
ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换芯片，片内有模拟量通道选择开关及相应的通道锁存、译码电路，A/D转换后的数据由三态锁存器输出，由于片内没有时钟需外接时钟信号。
通过P2.7来控制A/D是否开始工作。
由引脚图可见，ADC0809共有28脚，采用双列直插式封装。
其引脚功能如下：
⑴D0-D7：
8位数字量输出端口
⑵IN0-IN7：
8位模拟量开关输入端口
⑶Vcc：
+5V工作电源
⑷GND：
地
⑸Vref+、Vref-：
参考电压输入端
⑹START：
A/D转换启动信号输入端口，高电平有效
⑺ALE：
地址锁存允许信号输入端口，ALE下降沿将地址打入锁存器
⑻EOC：
A/D转换结束信号输出端口，开始转换时为低电平，一旦转换结束时输出高电平
⑼OE：
完成转换后，数字量输出允许控制信号输入端口，高电平有效，用以打开三态数据锁存器的输出
⑽CLK：
时钟信号输入端
⑾A、B、C：
地址输入端口。
用3位二进制数编码组成3:
8译码输出，选通8路模拟电子开关，实现选通8路模拟输入中的一路。
4.3.3ADC0809主要特性
⑴分辨率为8位，误差1LSB
⑵CMOS低功耗器件，功耗为15mW
⑶转换时间为100µs（当外部时钟输入频率为640kHz）
⑷很容易与微处理器连接；
⑸单一电源+5V，采用单一电源+5V供电时量程为0～5V
⑹无零位或满量程调整，使用5V或采用经调整模拟间距的电压基准工作
⑺带有锁存控制逻辑的8通道多路输入转换开关
⑻带锁存器的三态数据输出
⑼转换结果读取方式有延时读数、查询EOC=1、EOC申请中断
4.3.4ADC0809工作过程
首先用指令选择0808的一个模拟输入通道，当执行MOVX@DPTR,A时，单片机WR信号有效，从而产生一个启动信号，给0808的START引脚送入脉冲，开始对选中通道进行转换。
当转换结束后，0808发出转换结束EOC（高电平）信号，该信号可供单片机查询，也可反相后作为向单片机发出的中断请求信号；当执行指令：
MOVXA,@DPTR，单片机发出读控制RD信号，OE端有高电平，且把经过0809转换完毕的数字量读到A累加器中。
由上述可见，用单片机控制ADC时，可采用查询和中断控制两种方式。
查询方式是在单片机把启动信号送到ADC之后，执行别的程序，同时对0808的EOC引脚的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。
4.3.5ADC0809与80c51的连接
图5ADC0809电路图
4.4D/A转换部分
4.4.1D/A芯片的选择
DAC0832是8位D/A转换器，它采用CMOS工艺制作，具有双缓冲器输入结构。
DAC0832内部有两个寄存器，而这两个寄存器的控制信号有五个，输入寄存器由ILE、CS、WR1控制，DAC寄存器由WR2、Xref控制，用软件指令控制这五个控制端可实现三种工作方式：
直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。
4.4.2DAC0832芯片介绍
DAC0832是采用先进的CMOS/Si-Cr工艺的8位D/A转换器。
可直接与主机相连接。
该芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器是由输入数据寄存器、DAC寄存器和D/A转换器（R-2RT型解码网络）等组成的CMOS集成器件。
在电路中采用了CMOS电流开关和控制电路，从而达到较低功耗和较低的输出漏电流误差。
由引脚图可见，DAC0832是20芯双列直插式封装，其引脚含义如下：
⑴D0-D7：
8位转换数据输入端
⑵ILE：
允许转换数据输入锁存信号端，高电平有效；
⑶CS：
片选信号输入端，低电平有效
⑷WR1：
写信号1输入端，低电平有效，用于将转换数字量输入锁存到输入数据寄存器中。
由ILE、CS、WR1三信号同时有效控制输入数据寄存器的选通
⑸WR2：
写信号2输入端，低电平有效
⑹XFER：
DAC寄存器选通控制信号，低电平有效。
由XFER和WR2两信号同时有效时选通DAC寄存器，将锁存在输入数据寄存器的转换数据传送到D/A转换器，亦即将输入转换数据锁存于DAC寄存器，提供给D/A转换器进行D/A转换。
如果将CS和XFER直接接地，ILE接+5V,WR1和WR2合并接主机的WR，则能使输入转换数据直通送D/A转换器。
⑺IOUT1、IOUT2：
DAC电流输出端
⑻Rfb：
放大器反馈电阻连接端。
用于外接直流放大器接入分路反馈电阻。
这是为了保持输出电流的线性度。
要保持输出电流的线性度，很重要的一点，是两个电流输入端的电位应尽可能地接近“0V”。
⑼VREF：
标准电压输入端。
通过该端口将外部标准电源和内部R-2RT型网络相连，为R-2RT型网络提供精度高的标准电源。
VREF可工作在-10V～+10V范围内。
⑽Vcc：
电源输入端。
它可从+2V～+15V。
最佳工作状态是采用+15V。
⑾AGND：
模拟量接地端
⑿DGND：
数字量接地端
AGND与DGND是两种不同性质的接地，必须单独处理，不能合混在一起，特别是AGND必须妥善处理，否则将影响转换的稳定性和精度。
最后以一点接地。
4.4.3DAC0832主要特性
⑴分辨率为8位
⑵电流输出，稳定时间为1us
⑶可单缓冲、双缓冲或直接数字输入
⑷只需在满量程下调整其线性度
⑸单一电源供电（+5V～+15V）
⑹低功耗为200mW
4.4.4DAC0832的工作方式
根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：
直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。
（1）直通方式是将两个寄存器的五个控制端预先置为有效，两个寄存器都开通只要有数字信号输入就立即进入D/A转换。
（2）单缓冲方式
单缓冲方式是指DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于受MCS-51控制的锁存方式。
在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽是多路模拟量输出但并不要求多路输出同步的情况下，就可采用单缓冲方式。
（3）双缓冲方式
对于多路的D/A转换，要求同步输出时，必须采用双缓冲同步方式。
以此种方式工作时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的。
单片机必须通过LE1端来锁存待转换数字量，通过LE2端来启动D/A转换。
因此，双缓冲方式下，DAC0832应该为单片机提供两个I/O口端口。
单缓冲方式使DAC0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，另一个处于受控方式，可以将WR2和Xfer相连在接到地上，并把WR1接到89C51的WR上，ILE接高电平，CS接高位地址或地址译码的输出端上。
双缓冲方式把DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器都接成受控方式，这种方式可用于多路模拟量要求同时输出的情况下。
三种工作方式区别是：
直通方式不需要选通，直接D/A转换；单缓冲方式一次选通；双缓冲方式二次选通。
由于DAC0832是单路转换，为了使系统能有更好的控制性，我加了个多路开关CD4051，从而实现系统的多路控制！
CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。
例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。
这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。
当INH输入端＝“1”时，所有的通道截止。
三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。
4.4.5DAC0832与80c51的连接
图6DAC0832电路图
4.5.调理电路部分
4.5.1调理电路原理
在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号4~20mA，为此，常要先将其转换成±10V的标准电压信号，以便送给各类设备进行处理。
这种转换电路以4mA为满量程的0%对应-10V；12mA为50%对应0V；20mA为100%对应5V。
在与电流输出的传感器接口的时候，为了把传感器（变送器）输出的1-10mA或者4-20mA电流信号转换成为电压信号，往往都会在后级电路的最前端配置一个I/V转换电路。
单片机前可配置一个由运算放大器组成的缓冲处理电路，增加这级运算放大器可以起到对零点的处理会变得更加方便，无需耗用单片机的内部资源，尤其单片机是采用A／D接口来接受这种零点信号不为零电压的输入时，可以保证A/D转换位数的资源能够全部应用于有用信号上。
以4～20mA例，图中的RA0是电流取样电阻，其值的大小主要受传感变送器供电电压的制约，当前级采用24V供电时，RA0经常会使用500Ω的阻值，对应20mA的时候，转换电压为10V，如果仅仅需要最大转换电压为5V，可以取RA0=250Ω，这时候，传感变送器的供电只要12V就够用了。
因为即使传送距离达到1000米，RA0最多也就几百Ω而已。
同时，线路输入与主电路的隔离作用，尤其是主电路为单片机系统的时候，这个隔离级还可以起到保护单片机系统的作用。
图采用的是廉价运放1458，其对零点的处理是在反相输入端上加入一个调整电压，其大小恰好为输入4mA时在RAO上的压降。
有了运算放大器，还使得RAO的取值可以更加小，因为这时信号电压不够大的部分可以通过配置运放的放大倍数来补足。
这样，就可以真正把4～20mA电流转换成为0～5V电压了。
经电路分析，可知流过反馈电阻Rf的电流为（Vo-VN）/Rf与VN/R1＋（VN-Vf）/R5相等，由此，可推出输出电压Vo的表达式：
Vo=（1+Rf/R1+Rf/R5）×VN-（R4/R5）×Vf。
由于VN≈Vp＝Ii×R4，上式中的VN即可用Ii×R4替换，若R4＝200Ω，R1＝18kΩ，Rf＝7.14kΩ，R5＝43kΩ，并调整Vf≈7.53V，输出电压Vo的表达式可写成如下的形式:
当输入4－20mA电流信号时，对应输出0－5V的电压信号。
4.5.2调理电路
图7调理电路图
4.6LED显示部分
4.6.1显示电路原理
加入LED显示是为了便于人机互动，方便工作人员及时了解此时工况。
采用74LS164驱动数码管。
74ls164是高速硅门CMOS器件，与低功耗肖特基型TTL（LSTTL）器件的引脚兼容。
74ls164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。
数据通过两个输入端（DSA或DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。
两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。
时钟（CP）每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端（DSA和DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。
主复位（MR）输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。
4.6.2显示电路
图8LED显示电路
4.7.报警电路部分
4.7.1报警原理
当系统正常运行时，绿灯亮。
当传感器所采集的信息通过单片机处理，如果超过设置的上限值或低于下限值时，蜂鸣器进行报警，与此同时红灯亮起。
原理如图所示。
4.7.2报警电路
图9声光报警电
4.8．与上位机通信接口电路设计
4.8.1MAX-220标准介绍
为了更好地实现与上位计算机之间的通信和系统功能的扩展，该装置设有MAX-220接口电路。
由于单片机的输入、输出电平为TTL电平，与PC机RS-232标准串行接口的电气规范不一致，因此要实现单片机与PC机之间的数据通讯，必须进行电平转换，就必须使用MAX-220接口电路。
为了更好的了解MAX-220接口电路，下面简单介绍MAX-220标准的相关知识。
首先，MAX-220标准最初是远程通信连接数据终端设备与数据通信设备DCE而制定的。
因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。
但目前它又广泛地被借来用于计算机接口与终端或外设之间的近端连接标准。
显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。
有了对这种背景的了解，我们对MAX-220标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。
其次MAX-220标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。
由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。
4.8.2MAX-220与80c51连接
图10MAX-220与上位机连接
4.9键盘部分
4.9.1键盘模块原理
加入键盘是为了便于人机互动，方便工作人员即时调整工况，调节系统的允许工作范围。
由P1.0-P1.3口控制。
其中，S2是用于进入键盘调节模式和退出键盘调节模式；S3是用于增加上限值；S4用于减小上限值；S5用于增加下限值；S6用于减小下限值。
4.9.2键盘电路
图11键盘电路
5系统软件设计
5.1主程序框图
图12主程序框图
5.2A/D转换部分
图13A/D转换框图
5.3D/A转换部分
图14D/A转换框图
5.4键盘部分框图
图15键盘部分框图
5.5显示部分框图
图16显示部分框图
5.6数据转换程序框图
图17数据转换程序框图
6结论
通过这将近2周的课程设计，回顾了单片机技术的相关知识，把独立的知识点串接起来形成系统控制的概念。
学会了使用Proteus软件来绘制电路图，由于时间及个人知识掌握不够的原因，系统程序编写和仿真部分没有完成，但在今后的学习中会自觉地进行这些方面的锻炼，让自己的知识更丰富。
在使用Proteus软件画图过程中，出现许多问题，例如：
在移动芯片过程中，界面自动关闭，使未保存的信息丢失，问题几次出现后，养成了随时保存的习惯；软件默认的界面是A4，由于本设计所用器件较多，在此画图区域内不能完成任务，向老师请教后知道如何设置绘图区的大小。
在写软件框图时，通过查找资料，把大致的框图写出来后，向老师答疑时知道，软件框图最好写具体写，就本设计而言，要大致知道每个过程中，是通过哪些引脚及状态来判断的。
在此感谢侯一民老师、兰建军老师的指导，在他们是帮助下我才能更好地完成此设计。
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