任務(wù)11簡易波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)11.1任務(wù)內(nèi)容與分析 11.2任務(wù)實(shí)施11.3任務(wù)相關(guān)知識(shí)

11.1任務(wù)內(nèi)容與分析

1.任務(wù)內(nèi)容

在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，經(jīng)常需要鋸齒波、三角波等波形信號(hào)。產(chǎn)生各種波形的方法很多，其中可利用單片機(jī)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片組成波形發(fā)生器的硬件系統(tǒng)，編制應(yīng)用程序產(chǎn)生鋸齒波等波形信號(hào)。任務(wù)11以簡易波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)為例，介紹D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用。

2.任務(wù)分析

任意一種模擬周期信號(hào)都可以轉(zhuǎn)換為有規(guī)律的數(shù)字信號(hào)或者說有一組數(shù)字信號(hào)與之相對應(yīng)。如果將某種波形對應(yīng)的一個(gè)周期數(shù)字信號(hào)預(yù)先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，將它取出并通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，便能得到所需要的波形。圖11-1為簡易波形發(fā)生器的示意圖。利用P0口輸出一個(gè)由小到大不斷遞增的二進(jìn)制數(shù)，輸送到數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832，每輸出一個(gè)數(shù)據(jù)后都進(jìn)行一個(gè)短暫的延時(shí)，這樣在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832的輸出端就可得到一個(gè)近乎線性遞增的電流，將電流轉(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)達(dá)到預(yù)定的最大值后，再重新回到最小值。不斷重復(fù)上述過程，在輸出端VOUT就能觀察到一個(gè)連續(xù)變化的鋸齒波。圖11-1簡易波形發(fā)生器示意圖11.2任務(wù)實(shí)施

步驟1：硬件電路如圖11-2所示，DAC0832工作在單緩沖方式。DAC0832輸出的是電流信號(hào),經(jīng)過運(yùn)算放大器變換后可輸出電壓信號(hào),輸出電壓的幅值為VOUT=－(D/256)×

VREF。例如：輸入的8位二進(jìn)制數(shù)為40H，輸出電壓VOUT=－(64/256)×5V=－1.25V。圖11-2簡易波形發(fā)生器電路原理圖步驟2：繪制程序流程圖，編寫源程序。

程序設(shè)計(jì)思路：先輸出二進(jìn)制最小值00H，然后按+1規(guī)律遞增。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)達(dá)到最大值FFH時(shí)，再回到00H。重復(fù)這一過程，就可在輸出端得到一個(gè)正向鋸齒狀波形。產(chǎn)生鋸齒波的過程如圖11-3所示，程序流程如圖11-4所示。圖11-3產(chǎn)生鋸齒波的過程示意圖11-4簡易波形發(fā)生器程序流程圖簡易波形發(fā)生器源程序如下：

//*********鋸齒波程序(正向鋸齒波)***********//

;程序名：SAWTOOH.A

;功能：產(chǎn)生鋸齒波輸出

ORG0000H

AJMPSTART

ORG0030H

START:MOVDPTR,#7FFFH;指向DAC0832口地址

MOVA,#00H ;賦二進(jìn)制初始值00H

LP: MOVX@DPTR,A;啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換

NOP ;短時(shí)間延時(shí)

NOP

INCA ;修改D/A數(shù)據(jù)

SJMPLP ;循環(huán)，輸出連續(xù)模擬量

END步驟3：程序調(diào)試。

單步運(yùn)行測試程序，用示波器觀察輸出電壓幅值的變化。若單片機(jī)輸出的二進(jìn)制數(shù)在00H～FFH范圍內(nèi)由小到大變化，輸出電壓也將在0～5V范圍內(nèi)按照由小到大的規(guī)律變化，否則就存在某些故障，如單片機(jī)與DAC0832間的硬件接線錯(cuò)、DAC0832與集成運(yùn)放電路接線錯(cuò)、指令DPTR的地址錯(cuò)等，可逐一排查故障，直至電路正確為止。功能擴(kuò)展：產(chǎn)生三角波信號(hào)。

三角波即輸出電壓線性增加到最高值以后再線性下降，如此循環(huán)。產(chǎn)生三角波的過程示意如圖11-5所示，程序請自行編制。圖11-5產(chǎn)生三角波的過程示意11.3任務(wù)相關(guān)知識(shí)

模擬信號(hào)不太容易進(jìn)行存儲(chǔ)、處理與傳輸，而且容易失真；相反地，數(shù)字信號(hào)就比較容易存儲(chǔ)與處理，且比較有效率，在傳輸時(shí)也不易失真，是目前信號(hào)處理的主流。典型的數(shù)字控制系統(tǒng)如圖11-6所示。圖11-6典型的數(shù)字控制系統(tǒng)11.3.1D/A轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)知識(shí)

1.?D/A轉(zhuǎn)換器的原理及分類

依數(shù)字量的位數(shù)分為8位、10位、12位和16位D/A轉(zhuǎn)換器；依數(shù)字量的數(shù)碼形式分為二進(jìn)制碼和BCD碼D/A轉(zhuǎn)換器;依數(shù)字量的傳送方式分為并行和串行D/A轉(zhuǎn)換器；依D/A轉(zhuǎn)換器輸出方式分為電流輸出型和電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。

目前，常用的D/A轉(zhuǎn)換器是由T形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，一般稱其為T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，如圖11-7所示。各支路的電流信號(hào)經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)加權(quán)后，由運(yùn)算放大器求和并變換成電壓信號(hào)，作為D/A轉(zhuǎn)換器的輸出。圖11-7T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖該電路是一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器。VREF為外加基準(zhǔn)電源，Rfb為外接運(yùn)算放大器的反饋電阻，D7～D0為控制電流開關(guān)的數(shù)據(jù)。由圖11-7可以得到：

I=VREF/R

I7=I/21，I6=I/22，I5=I/23，I4=I/24，I3=I/25，

I2=I/26，I1=I/27，I0=I/28

當(dāng)輸入數(shù)據(jù)D7～D0為11000011B時(shí)，有：

Io1=I7+I6+I1+I0=(I/28)×(27+26+21+20)

若Rfb=R，則

Vo=－Io1×Rfb=－(VREF/28)×(27+26+21+20)

2.?D/A轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)指標(biāo)

(1)分辨率。分辨率是指輸入給DAC的單位數(shù)字量變化引起的模擬量輸出的變化，取決于輸入數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)。分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)表示，一般為8位、12位、16位等。一個(gè)n位的DAC所能分辨的最小電壓增量定義為滿量程值的2－n。例如：滿量程為10V的8位DAC芯片的分辨率為10V×

2－8=39mV。一個(gè)同樣量程的16位DAC的分辨率高達(dá)l0V×

2－16=153?μV。根據(jù)對DAC分辨率的需要，來選定DAC的位數(shù)。

(2)建立時(shí)間。建立時(shí)間是指從輸入數(shù)字量到輸出達(dá)到終值誤差(1/2)LSB(最低有效位)時(shí)所需的時(shí)間，即描述DAC轉(zhuǎn)換快慢的參數(shù)，一般為幾十納秒至幾毫秒。

(3)精度。理想情況下，精度和分辨率基本一致，位數(shù)越多，精度越高。但由于電源電壓、參考電壓、電阻等各種因素存在著誤差，嚴(yán)格地講精度與分辨率并不完全一致。位數(shù)相同，分辨率則相同，但相同位數(shù)的不同轉(zhuǎn)換器精度會(huì)有所不同。例如：某型號(hào)的8位DAC精度為0.19%，另一型號(hào)的8位DAC精度為0.05%。11.3.2讀寫片外RAM指令

訪問片外RAM的操作分讀和寫兩大類，均采用MOVX指令，均需經(jīng)過累加器A完成，共4條指令：

MOVXA,@Ri ;A←((Ri))

MOVXA,@DPTR ;A←((DPTR))

MOVX@Ri,A ;((Ri))→A

MOVX@DPTR,A ;((DPTR))→A

(1)第2、4條指令以DPTR為間接寄存器讀寫片外RAM。由于DPTR是16位的，所以可尋址整個(gè)64KB的片外RAM

空間。

執(zhí)行指令時(shí)，在DPH中的高8位地址由P2口輸出，在DPL中的低8位地址由P0口分時(shí)輸出，并由ALE信號(hào)鎖存在地址鎖存器中。

(2)第1、3條指令以R0或R1為間接寄存器。由于Ri是8位寄存器，只能存放8位的地址寬度，因此，執(zhí)行指令時(shí)，低8位地址在R0或R1中，由P0口分時(shí)輸出，ALE信號(hào)將地址信息鎖存在地址鎖存器中。對于256B的訪問，高8位地址則由P2口提供。

【例11-1】若要將片外RAM中10FFH單元中的內(nèi)容送給累加器A，可用下列兩種方法實(shí)現(xiàn)：

方法一：

MOVP2,#10H

;高8位地址

MOVR0,#0FFH ;低8位地址

MOVA,@R0

方法二：

MOVPDPTR,#10FFH ;該方法較常用

MOVXA,@DPTR

【例11-2】將片外RAM0000H單元內(nèi)容傳送到片外RAM0002H單元，實(shí)現(xiàn)的程序如下：

MOVDPTR,#0000H

MOVX@DPTR,A ;寫操作

MOVDPTR,#0002H

MOVXA,@DPTR

;讀操作11.3.3并行D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

1.?DAC0832簡介

(1)電流建立時(shí)間為1μs。

(2)單一電源供電(+5～+15V)。

(3)?VREF輸入端電壓為±25V。

(4)分辨率為8位。

(5)功耗為200mW。

(6)可雙緩沖輸入、單緩沖輸入或直接數(shù)字輸入。

2.?DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳

DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)如圖11-8所示。

由圖11-8可見，在DAC0832中有兩級鎖存器。第一級鎖存器稱為輸入鎖存器，允許鎖存信號(hào)為ILE；第二級鎖存器稱為DAC寄存器，其鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào)。圖11-8DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)圖

DAC0832的引腳如圖11-9所示。各引腳的功能定義如下：

(1)?DI7～DI0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。

(2)?IOUT1：模擬電流輸出端1。當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時(shí)，輸出電流為0。圖11-9DAC0832引腳圖

(3)IOUT2：模擬電流輸出端2。IOUT2與IOUT1的和為一個(gè)常數(shù)，即IOUT1+IOUT2=常數(shù)。

(4)?Rfb：反饋電阻引出端。DAC0832內(nèi)部有反饋電阻，Rfb端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端，這就相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸出端和輸入端之間。

(5)?VREF：參考電壓輸入端。此端可接一個(gè)正電壓，也可接一個(gè)負(fù)電壓，它決定0～255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度。VREF范圍為－10～+10V。VREF端與D/A內(nèi)部的T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。

(6)?VCC：芯片供電電壓，范圍為+5～+15V。

(7)?AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。

(8)?DGND：數(shù)字量地。

3.?DAC0832工作方式及與51單片機(jī)的接口

(1)單緩沖方式。此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量非同步輸出的情形。方法是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時(shí)接收數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器，立即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。由于DAC0832的輸出是電流型的，而在微機(jī)系統(tǒng)中，通常需要電壓信號(hào)，電流信號(hào)和電壓信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換可由運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。DAC0832單緩沖方式接口電路如圖11-10所示。表11-1為DAC0832地址計(jì)算，其中P2.7必須為0，其余端口可任意。圖11-10DAC0832單緩沖方式接口電路要使DAC0832實(shí)現(xiàn)一次D/A轉(zhuǎn)換，可采用以下程序：

MOVDPTR,#7FFFH ;指向DAC0832口地址

MOVA,#data

MOVX@DPTR,A ;啟動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換

(2)雙緩沖方式。此方式適用于多個(gè)DAC0832同時(shí)輸出的情形，具體方法是先分別使這些DAC0832的輸入寄存器接收數(shù)據(jù)，再控制這些DAC0832同時(shí)傳送數(shù)據(jù)到DAC寄存器，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出。

圖11-11為一個(gè)二路同步輸出的D/A轉(zhuǎn)換接口電路。圖11-11二路同步輸出的D/