计算机控制系统课设

课程设计(综合实验)报告

（2011 -- 2012 年度第学期）

名称：计算机控制技术与系统

题目：数字控制系统I/O通道方案设计与实现院系：自动化

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

设计周数： 1

成绩：

日期：2012 年月日

《计算机控制技术与系统》课程设计

任务书

一．目的与要求

1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；

2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；

3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；

4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用任务的要求，进行方案的总体设计和分析评估；

5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。

二、设计正文

（一）、相关基础知识回顾：

1、DA转换功能定义：

随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。

将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器）；A/D转换器和D/A转换器已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。

本报告中采用的设计是51单片机与4个DAC0832组成一个4路同步D/A转换输出电路，可以将4组不同的数字信号进行同步转换输出，再将小信号通过放大器进行放大输出，得到所需要的可以观察的模拟信号。

2、D/A器件性能参数：

⑴分辨率。分辨率是指最小输出电压（对应于输入数字量最低位增1所引起的输出电压增量）和最大输出电压（对应于输入数字量所有有效位全为1时的输出电压）之比，例如，4位DAC的分辨率为1/(24-1)=1/15=6.67%（分辨率也常用百分比来表示）。8位DAC的分辨率为1/255=0.39%。显然，位数越多，分辨率越高。

⑵转换精度。如果不考虑D/A转换的误差，DAC转换精度就是分辨率的大小，因此，要获得高精度的D/A转换结果，首先要选择有足够高分辨率的DAC。

D/A转换精度分为绝对和相对转换精度，一般是用误差大小表示。DAC的转换误差包括零点误差、漂移误差、增益误差、噪声和线性误差、微分线性误差等综合误差。

绝对转换精度是指满刻度数字量输入时，模拟量输出接近理论值的程度。它和标准电源的精度、权电阻的精度有关。

相对转换精度指在满刻度已经校准的前提下，整个刻度范围内，对应任一模拟量的输出与它的理论值之差。它反映了DAC的线性度。通常，相对转换精度比绝对转换精度更有实用性。

⑶非线性误差。D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。

⑷转换速率/建立时间。

从发出启动转换开始直至获得稳定的二进代码所需的时间称为转换时间，转换时间与转换器工作原理及其位数有关，同种工作原理的转换器，通常位数越多，其转换时间越长。

转换速率实际是由建立时间来反映的。建立时间是指数字量为满刻度值（各位全为1）时，DAC的模拟输出电压达到某个规定值（比如，90%满量程）时所需要的时间。

建立时间是D/A转换速率快慢的一个重要参数。很显然，建立时间越大，转换速率越低。不同型号DAC的建立时间一般从几个毫微秒到几个微秒不等。若输出形式是电流，DAC 的建立时间是很短的；若输出形式是电压，DAC的建立时间主要是输出运算放大器所需要的响应时间。

(5)、量程是指输入模拟电压的变化范围。例如某转换器具有10V的单极性范围或-5～+5V 的双极性范围。则它们的量程都为10V。满刻度只是个名义值，实际的A/D，D/A转换器的最大输出值总是比满刻度值小1/2n，n为转换器的位数。例如12位的A/D转换器，其满刻度值为10V，而实际的最大输出值为:

3、D/A转换的工作原理：

为了将数字量转换为模拟量，需要将每位代码按照其“权”值转换为相应的模拟量(仅指模拟电压)，然后再把对应于各位代码的模拟量加起来，所得模拟量的总和，就是与被转换数字量相对应的模拟量。

D／A转换器的具体电路有多种形式，其中解码网络是普通采用的形式，解码网络的主要形式是T型电阻网络。

推广到n位，输出模拟量与输入数字量之间关系的一般表达式为：

上式表明，输出电压V0除了和待转换的二进制数成比例外，还和网络电阻R、运算放大器反馈电阻R0、标准参考电压VREF有关。

4、DAC芯片类型及接口方法

各种类型的DAC芯片都具有数字量输入端和模拟量输出端及基准电压端。

数字输入端有以下几种类型：①无数据锁存器，②带单数据锁存器，③带双数据锁存器，④可接收串行数字输入。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，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芯片相当于一个电压源，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芯片实现电压输出，如图所示：

5、典型D／A转换器的芯片DAC 0832结构与接口方式

DAC0832是一个8位D/A转换器芯片，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。

(1)芯片的技术特性。

DAC0832采用双列直插式20条引脚的封装，主要特性如下：

①单一的电源电压(十5V)，功耗20mW。

②输入／输出电平与TTL兼容。

③分辨率8位。

④电流稳定时间l?。

⑤可采用双缓冲、单缓冲或直通输入方式。

⑥可直接与一般通用的微处理机相连。

⑦只需在满量程下调整其线性度。

(2)芯片引脚功能

CS——片选信号，和允许锁存信号ILE组合来决定是否起作用，低有效。

ILE——允许锁存信号，高有效。

WR1——写信号1，作为第一级锁存信号，将输入数据锁存到输入寄存器（此时必须和CS、ILE同时有效），低有效。

WR2——写信号2，将锁存在输入寄存器中的数据送到DAC寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号XFER必须有效），低有效。

XFER——传输控制信号，低有效。

DI7~DI0——8位数据输入端。

IOUT1——模拟电流输出端1。当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。

IOUT2——模拟电流输出端2。IOUT1+IOUT2=常数。

Rfb——反馈电阻引出端。DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端。相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。

VREF——参考电压输入端。可接电压范围为±10V。外部标准电压通过VREF与T型电阻网络相连。

VCC——芯片供电电压端。范围为+5V~+15V，最佳工作状态是+15V。

AGND——模拟地，即模拟电路接地端。

DGND——数字地，即数字电路接地端。

（3）芯片结构：

芯片主要由三部分组成：

一部分是信号控制逻辑；另一部分是D／A转换器，输出的方式为电流输出形式；第三部分是由两个8位的数据锁存器构成双缓冲形式，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号是ILE，第二级锁存器也称为DAC寄存器。它的锁存信号XFER。有了两级锁存器，芯片可工作在双锁存器的工作方式，即在输出模拟信号的同时，送入下一个数据，这样可有效地提高转换速度。

另外，有了两级锁存器以后，可以在多个DAC同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个DAC的同时输出。

（4）、工作原理简介：

DAC0832是典型的带内部双数据缓冲器的8位D/A芯片。图中LE是寄存命令，当LE =1时，寄存器输出随输入变化，当LE =0时，数据锁存在寄存器中。当ILE端为高电平，CS 与WR1同时为低电平时，使得LE1 =1；当WR1变为高电平时，输入寄存器便将输入数据锁存。当XFER与WR2同时为低电平时，使得LE2 =1，DAC寄存器的输出随寄存器的输入变化，WR2上升沿将输入寄存器的信息锁存在该寄存器中。

（5）、DAC0832的三种工作方式：

DAC0832利用WR1 、 WR2 、ILE、XFER 控制信号可以构成三种不同的工作方式。

1)直通方式—— WR1= WR2 =0时，数据可以从输入端经两个寄存器直接进入D/A转换

器。

2)单缓冲方式——两个寄存器之一始终处于直通，即WR1=0或WR2=0，另一个寄存器处于受控状态。

3)双缓冲方式——两个寄存器均处于受控状态。这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。

1）单缓冲方式

此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形。方法是单缓冲方式就是使0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。

为使DAC寄存器处于直通方式，应使WR2 =0和XFER=0。为此可把这两个信号固定接地，或如电路中把WR2与WR1相连，把XFER与CS相连。

为使输入寄存器处于受控锁存方式，应把WR1接8051的WR，ILE接高电平。此外还应把CS接高位地址线或地址译码输出，以便于对输入寄存器进行选择。

2）双缓冲方式

此方式适用于多个DAC0832同时输出的情形。

在多路D/A转换的情况下，若要求同步转换输出，必须采用双缓冲方式。DAC0832采用双缓冲方式时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步进行的。方法是先分别使这些DAC0832的输入寄存器接收数据，再控制这些DAC0832同时传送数据到DAC寄存器以实现多个D/A转换同步输出。

x

y

P0.7 P0.0

第一，CPU 分时向各路D/A 转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中。 第二，CPU 对所有的D/A 转换器发出控制信号，使各路输入寄存器中的数据进入

DAC 寄存器，实现同步转换输出。

下图为两片DAC0832与8031接实现的双缓DI 冲方式连接电路，能实现两路同步输出。

MOV DPTR ，#0DFFFH ；送0832（1）输入锁存器地址 MOV A ，#data1 ；data1送0832（1）输入锁存器 MOVX @DPTR ，A ；

MOV DPTR ，#0BFFFH ；送0832（2）输入锁存器地址 MOV A ，#data2 ；data2送0832（2）输入锁存器 MOVX @DPTR ，A ；

MOV DPTR ，#7FFFH ；送两路DAC 寄存器地址 MOVX @DPTR ，A ；两路数据同步转换输出

3〕直通方式

此方式适用于连续反馈控制线路中。方法是：数据不通过缓冲器，即WR1,WR2, XFER, CS 均接地，ILE 接高电平。此时必须通过I/O 接口与微处理器连接，以匹配微处理器与D/A 的转换。

（6）、DAC0832的输出：

8位的 DAC0832内采用一个T型电阻网络，用来实现D／A转换，属于电流型芯片，需外接运算放大器才能得到模拟电压的输出。Rf为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如下图所示。

Vout＝－Iout1×Rfb

＝－（D/28

）×V REF

单极性输出例子：

设 VREF＝－5V

?D＝FFH＝255时，最大输出电压：

Vmax＝（255/256）×5V＝4.98V

?D＝00H时，最小输出电压：

Vmin＝（0/256）×5V＝0V

?D＝01H时，一个最低有效位（LSB）电压：

VLSB＝（1/256）×5V＝0.02V

（7）、应用举例： DAC0832与CPU的接口

在D／A转换器的输出一般都要接运算放大器，微小信号经放大后才能驱动执行机构的部件。

转换数据输出程序：

MOV AI ，NUM ；被转换的数据送AL

MOV DX ，PORTO ；输入寄存器偶地址送DX

OUT DX ，AL ；第一次被转换的数据送到输入寄存器

INC DX

OUT DX ，AI ；第二次被转换的数据送到DAC寄存器

（二）设计题目：四路同步D/A输出译码电路硬件设计

（1）设计注意：

由于应用场合不同,对D/A转换器各项技术特性的要求也有所侧重。逻辑电平及数码形式;数据输入是串行还是并行;输出需要电流形式还是电压形式;参考电压类型,固定的,变的,内部的还是外部的;输出电压是双极性,单极性;数字量接口的特性,对速度有何要求,期望的数据变化间的最短时间,系统要求数据刷新后到输出达到所期望的值的时间等。

由于工作温度会对运算放大器和加权电阻网络等产生影响,所以只有在一定的温度范围内,才能保证精度指标。较好的转换器工作温度范围在-40～85℃之间,较差的转换器工作温度范围在0～70℃之间。应该指出,转换器的线性误差是温度的函数,8位的0832D/A转换器,在+ 25℃时具有0.01%左右的线性误差,即可保证相应的分辨率,而在别的环境温度下,如其线性误差降到了0. 1%左右时,那么它只能达到与6位D/A转换器相应的分辨率。

D/A 转换器的输出端一般都接有运算放大器,其作用有两个:一个是对网络中各支路电流进行求和;另一个是为D/A转换器提供一个阻抗低、负载能力强的输出。对于一个运算放大器而言,最重要的特征是电流和电压偏移及其随温度的变化,还要考虑运算放大器的动态响应及输出电压的摆率。经检测，0832D/A转换器精确到满量程的±0.05% ,其放大器本身的电压输出稳定在满量程的±0.01%以内。

因DAC0832其主要特性，综上所述可选择DAC0832作为设计的D/A转换器。

（2）设计简述：

DAC0832是８位D/A转换器，由于其片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。

本报告的设计为4路D/A转换接口，必须采用双缓冲方式实现同步D/A转换输出。具体用DAC0832双缓冲同步方式接口时，分两步完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。首先，0832单片机的CPU数据总线分时地向各路D/A转换器输送要转换的数字量，并锁存在各自的输入寄存器中；然后，CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各个D/A转换器输入寄存器中的数据送入DAC寄存器中，实现同步转换输出。

下图是一个4路同步输出的D/A转换接口电路。8031单片机的P2.3、P2.4、P2.5和P2.6分别接之4片D/A转换器的片选端，并控制输入锁存；P2.7连接到4路D/A转换器的XFER 端，并控制同步转换输出；WR端与所有的WR1，WR2端相连，在执行MOVX输出指令时，8031单片机自动输出WR控制信号。

硬件设计：

多路D/A转换器主要由51单片机，DA转换器，放大器等部分组成。

（1）单片机系统：单片机采用8051。它是ROM型单片机，片内有4KB的ROM，256字节的RAM/SFR以及有32个I/O口，面向控制的8位CPU和指令系统，一个全双工串行口，两个16位定时/计数器，5个中断源，两个终端优先级的中断结构，一个片内时钟振荡器和时钟电路，可寻址64K字节的程序存储器和64K字节的外部数据存储器。DA转换系

统与51单片机的P0口相连接，传输需要转换的8位二进制数字信号，得到即时的模拟信号；单片机P2口与译码器相连，用于控制各路信号的锁存或转换。

（2）数模转换系统：数模转换系统用P0口进行数据通信，以DAC0832转换数字信号得到模拟信号。DAC0832由8位输入锁存器，8位DAC寄存器，8位D/A转换器及转换控制电路构成。其控制引脚可以与微处理器的控制线相连，接受微处理器的控制。由于DAC90832是电流输出型D/A转换器，要获得拟电压输出必须外加转换电路。DAC0832通过转换得到的模拟信号微小，也必须通过放大器来得到可观察或者测量的数据。

7.程序流程图及关键部分程序设计

（1）程序流程图

2）关键部分程序设计

MOV DPTR ,#0F7FFH ;指向DAC0832(1)

MOV A ,#DATA1 ;DATA1送入DAC0832(1)中锁存 MOVX @DPTR ,A ;把数据送到外部指针所指地址 MOV DPTR ,#0EFFFH ;指向DAC0832(2)

MOV A ,#DATA2 ;DATA2送入DAC0832(2)中锁存 MOVX @DPTR ,A ;把数据送到外部指针所指地址

MOV DPTR ,#0DFFFH ;指向DAC0832(3)

MOV A ,#DATA3 ;DATA3送入DAC0832(3)中锁存

MOVX @DPTR ,A ;把数据送到外部指针所指地址

MOV DPTR ,#0BFFFH ;指向DAC0832(4)

MOV A ,#DATA4 ;DATA2送入DAC0832(4)中锁存

MOVX @DPTR ,A ;把数据送到外部指针所指地址

MOV DPTR ,#7FFFH

MOVX @DPTR ,A ;4个DAC0832全部同时启动D/A转换

三、课程设计（综合实验）总结或结论

本系统可以按照需要再进行多路扩充，也可在运放后接上系统进行数据测量或控制。该系统性能稳定，体积小，技术指标达到要求，可靠性高，程序设计简单，是一个易用，方便生产的产品。

通过本次电子系统设计，我对DAC0832相关知识了解得更为深刻，其硬件结构、引脚功能、三种工作方式及输出方式等方面了解的更为透彻，对51单片机也对其引脚结构图、与接口传送数据方法等相关知识的进行了学习和了解，扩大知识面。在设计过程中，我通过图书馆与互联网，搜索与浏览了许多相关资料，利用期刊，论文等资源查找了相关芯片，元件的资料，学会了一种系统分析问题，解决问题的能力。也感谢老师在实验开始时对我的耐心指导和相关知识引导。

四、参考文献

【1】刘乐善《微型计算机与接口技术》华中科技大学出版社

【2】杨振军冯军《单片机原理与实践指导》中国电力出版社

【3】张弥左王兆月邢立军《微型计算机接口技术》机械工业出版社