【每周分享】浅谈DAC和ADC（附加仿真代码）

只看该作者 · 2024-11-6 17:51

本帖最后由咕咕呱呱孤寡于 2024-11-16 10:12 编辑

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数模转换（DAC）和模数转换（ADC）是单片机设计中重要的转换方式。

DAC的功能是将数字量转换为与其成比例的模拟电压或电流信号，绘出仪表外各种控制。DAC种类多，常用 DAC：DAC0832、AD7524、AD561等。

各种类型的 DAC 都具有数字量输入端、模拟量输出端及基准电压端。数字量输入有以下几种类型:① 无数据锁存器:② 带单数据锁存器:③ 带双数据锁存器:④ 可接串串行数字输入。第1种在与单片机接口时，要外加锁存器;第2种和第3种可直接与单片机接口:第4种与单片机接口十分简单，但接收数据较慢，适用于远距离现场控制的场合。
模拟量输出有两种方式:电压输出及电流输出。电压输出的DAC相当于一个电压源，其内阻很小，选用这种芯片时，与它匹配的负载电阻应较大。电流输出的芯片相当于电流源，其内阻较大，选用这种芯片时，负载电阻不可太大。在实际应用中，常选用电流输出的 DAC 实现电压输出，如下图(a)、(b)、(c)。

(a)、(b)电路均是单极性输出，(c)所示的电路为双极性输出。这里的双极性电路通常设计将R3=R4=2R2，从而使得输出电压Vout与基准电压Vref及第一级运放输出电压V1建立联系，其关系为Vout=-(2V1+Vref)，这里将Vref取值通常选用芯片基准电压或电源电压，极性可正可负。
这里我们以DAC0832为实验芯片，进行简单实验仿真练习。

上图为DAC0832的逻辑结构，DAC0832作为典型的带内部双数据缓冲器的8位D/A芯片，单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作，基准电压的范围为±10V，电流建立时间为1µs，CMOS工艺，低功耗20mm。其内部结构由1个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成。

示如上图将DAC0832与8051单片机组合形成D/A转换电路通过Proteus仿真，实现波形输出。
通过keil软件进行代码编译与Proteus实现联机仿真，如下
宏定义文件代码：
  #include<REGX51.H>
  #define uchar unsigned char
  #define uint unsigned int
  #define WR P2_0
  #define CS P2_1

变量定义代码：
  uchar i,j;
  uint k;

通过DAC0832实现三角波输出：
void delay()
  {
  for (k=0;k<1000;k++);
  }
void main()
  {
  CS=0;
  while(1)
  {
  for(i=0;i<255;i++)
  {
  P1=i;
  WR=0;
  WR=1;
  }
  for(j=255;j>1;j--)
{
P1=j;
WR=0;
WR=1;
}
}
}
去掉橙色部分或黄色部分可形成锯齿波输出，仿真效果图如下：

若想要实现梯形波，则在变量计数后加延时，就会实现电平延迟。
for(i=0;i<255;i++)
  {
  P1=i;
  WR=0;
  WR=1;
  }

delay();
效果图如下：

方波输出则需要将IO引脚置高或或置低：
void main()
{
CS=0;
while(1)
{
P1=0;
WR=0;
WR=1;
delay();
P1=0xff;
WR=0;
WR=1;
delay();
}
}
效果图如下：

在原有原理图基础上，将转换电路修改为双极性输出，如下图：

根据电流输出的DAC实现电压输出的电压关系，Vout=-(2V1+Vref)，波形图如下：

通过DAC转换除了可以实现波形输出，还可以驱动直流电机或多路模拟量输出等功能，可以利用DAC0832进行拓展学习。

ADC的功能是将输入模拟量转换为与其成比例的数字量，按其工作原理，有比较式ADC、积分式ADC及电荷平衡(电压-频率转换)式ADC等，常用ADC：ADC0808、ADC0809、ADC574等。

在实际使用中,应根据具体情况选用合适的 ADC。不同的芯片具有不同的连接方式，其中最主要的是输入、输出及控制信号的连接方式。从输入端来看，有单端输入的，也有差动输入的。差动输入有利于克服共模干扰。输入信号的极性有单极性和双极性输入，这由极性控制端的接法决定。从输出方式来看，主要有如下两种。
①数据输出寄存器具有可控的三态门。此时芯片输出线允许与CPU的数据总线直接相连，并在转换结束后利用读信号RD控制三态门，将数据送上总线。
②不具备可控的三态门，输出寄存器直接与芯片引脚相连，此时芯片的输出线必须通过输入缓冲器连至 CPU 的数据总线。
ADC的启动转换信号有电平和脉冲两种形式。设计时应特别注意，对要求用电平启动转换的芯片，如果在转换过程中撤去电平信号，芯片将停止转换，得到错误的结果。ADC转换完成后，将发出结束信号，以提示主机可以从转换器读取数据。结束信号也用来向CPU发出中断申请，CPU响应中断后，在中断服务子程序中读取数据，也可用延时等待和查询转换是否结束的方法来读取数据。

下面以ADC0809为ADC转换芯片做仿真演示。

上图为ADC0809的工作时序，将ADC0809与单片机8051组合形成ADC转换仿真电路。

根据上述ADC转换有三种方式：延时等待、查询、中断，以下分别演示，在ADC0809的CLOCK引脚处，提供一脉冲方波，通过keil软件编译与与Proteus实现联机仿真，如下：
宏定义文件代码：
  #include<AT89X51.H>
  #define uchar unsigned char
  #define uint unsigned int
  #define EOC P1_1
  #define OE P1_2
  #define ST P1_0

延时等待：
uchar i,j,k; //变量定义
void delay(void)
{
  uint n;
  for(n=200;n>0;n--);
}
void delay1(void)
{
  uint m;
  for(m=10;m>0;m--);
}
void main(void)
{
  while(1)
  {
  ST=1;
  delay1();
  ST=0;
  delay();
  OE=1;
  k=P2;
  P0=k;
  OE=0;
  }
}

查询：
uchar i,j,k;
void delay(void)
{
  uint n;
  for(n=200;n>0;n--);
}
void delay1(void)
{
  uint m;
  for(m=10;m>0;m--);
}
void main(void)
{
  while(1)
  {
  ST=1;
  delay1();
  ST=0;
  delay1();
  while(!EOC); //查询判断
  OE=1;
  k=P2;
  P0=k;
  OE=0;
  }
}

中断：
uint m;
uchar k;
void delay1(void)
{
  for(m=10;m>0;m--);
}
void init()
{
  P0=0x00;
  IT0=1;
  EX0=1;
  EA=1; //中断使能
}
void main(void)
{
  init();
  ST=1;
  delay1();
  ST=0;
  while(1);
}
void intp0() interrupt 0    //中断函数
{
  OE=1;
  k=P2;
  P0=k;
  OE=0;
  ST=1;
  delay1();
  ST=0;
}

DAC和ADC作为两种类型的转换器，应用于不同场合，在数字信号处理中广泛使用，现如今很多单片机型号都已内置ADC及DAC功能，使得在数模、模数转换上更加便捷，从设计上为PCB板设计节省空间。

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