A／D和PWMD／A的工作原理及應(yīng)用

第5章A／D和PWM〔D／A〕

的工作原理及應(yīng)用內(nèi)容提要本章介紹8096單片機A/D轉(zhuǎn)換器和PWM發(fā)生器的根本原理和應(yīng)用。在A/D轉(zhuǎn)換器中，首先說明原理、構(gòu)造以及掌握，然后介紹軟件設(shè)計及應(yīng)用實例。在PWM發(fā)生器中，分別介紹構(gòu)造原理和實際應(yīng)用。此外本章還介紹幾種濾波方法。5.1A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換

5.1.1A／D轉(zhuǎn)換器的根本原理

圖5-1逐次靠近法原理10位逐次靠近存放器SAR初始值為全0。8096芯片ADC的輸入模擬電壓范圍為0至VREF。VREF是模擬基準電壓。正常工作時，VREF必需保持在5.0±0.5V范圍內(nèi)，并要求能供給5mA電流。A／D結(jié)果用以下公式計算：1023×〔Vin-ANGND〕/〔VREF-ANGND〕

當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換器被啟動后，需要88個狀態(tài)周期才能得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。在這期間內(nèi)，可以讓CPU進展其它工作，也可以用軟件延時等待。留意：必需在88個狀態(tài)周期后讀取的結(jié)果才是正確的。如選12MHz時鐘，A／D轉(zhuǎn)換時間為88×3／12=22μs，如選6MHZ時鐘，A／D轉(zhuǎn)換時間為88×3／6=44μs。5.1.2A／D轉(zhuǎn)換器的硬件構(gòu)造及

功能特點

圖5-28096芯片的ACH7／P0.7～ACH0／P0.0引腳5.1.3A／D使用方法

1〕模擬參考電壓源VREF的穩(wěn)定程度直接影響A／D的轉(zhuǎn)換精度。如不使用A／D轉(zhuǎn)換器，則必需將VREF和VCC相連，ANGND和Vss相連。此時P0口可作一般的數(shù)字口。

2)A/D轉(zhuǎn)換掌握A／D命令存放器AD_COMMAND格式如圖5-5所示。D3〔GO〕=1，馬上啟動；D3〔GO〕=0，表示由HSO在某設(shè)定時刻定時啟動。D2，D1，D0打算輸入通道號，如表5-1所示。圖5-5A/D命令存放器格式表5-1D2，D1，D0打算的輸入通道號A／D結(jié)果存放器AD_RESULT的數(shù)據(jù)格式如圖5-6所示。地址03H單元中存放高8位，02H單元中D7、D6﹑存放低2位。02H單元中的﹑D5﹑、D4﹑不用。S〔D3〕位可供查詢，S=0說明轉(zhuǎn)換完畢或正處于空閑狀態(tài)，S=1說明正在進展轉(zhuǎn)換。D2、D1、D0定義與A／D命令存放器一樣。圖5-6A／D結(jié)果存放器格式3)A／D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用A/D轉(zhuǎn)換子程序：ADRQ:ANDB20H,#07H；啟動AD通道號放入20HADDB02H,20H,#08H；馬上啟動ADNOPNOPADBUSY:JBSADRL,3,ADBUSY；AD轉(zhuǎn)換是否完畢？完畢往下LDB21H,ADRH；將AD轉(zhuǎn)換高位放入21HLDB20H,ADRL；將AD轉(zhuǎn)換低位放入20HSHR20H,#6；右移6位RET；完畢返回硬件方面的一些問題：〔1〕接地。在整個系統(tǒng)中數(shù)字地與模擬地不行形成回路，以免對模擬信號造成干擾。數(shù)字地和模擬地正確的接法是：在系統(tǒng)中，先將數(shù)字地、模擬地分別相連，然后在系統(tǒng)中選一點〔一般選在A／D轉(zhuǎn)換器處〕相連接。另外，VREF與ANGND以及VCC與VSS之間都需加濾波電容，以消退高頻干擾。如以下圖所示?！?〕參考電壓VREF。VREF的穩(wěn)定程度直接影響A／D的轉(zhuǎn)換精度。圖5-8所示是實際應(yīng)用中的一個例子。其中電位器承受多圈式電位器，它定位精度高且可自鎖。如不使用A／D轉(zhuǎn)換器，則必需將VREF和VCC相連，ANGND和Vss相連。此時P0口可作一般的數(shù)字口。圖5-8參考電壓VREF〔3〕模擬信號輸入電路。圖5-9所示為一通用的模擬信號輸入電路。它對模擬輸入信號進展偏移和增好處理，使輸入到模擬引腳〔CH0～CH7〕的電壓為0～5V。偏移細調(diào)通過R2實現(xiàn)。增益范圍由調(diào)整R5完成。圖5-9偏移和增益整定電路5.2脈沖寬度調(diào)制輸出PWM

〔D/A〕功能特點及功能程序

5.2.1脈沖寬度調(diào)制輸出PWM的構(gòu)造

和工作原理

PWM波發(fā)生器主要由脈寬調(diào)制掌握存放器PWM_CONTROL、8位循環(huán)計數(shù)器、比較器和R－S觸發(fā)器等組成，構(gòu)造如圖5-10所示。圖5-10PWM波發(fā)生器構(gòu)造將某個要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量〔例80H〕寫入到PWM_CONTROL中，其值不斷與8位循環(huán)記數(shù)器的內(nèi)容比較。二者相等時，比較輸出正脈沖，R—S觸發(fā)器復(fù)位，使PWM/P2.5端變?yōu)榈碗娢?。PWM_CONTROL中數(shù)據(jù)為80H時，PWM/P2.5端輸出波形如圖5-11所示。從上述可知，輸出波形的周期固定為256T〔狀態(tài)周期〕，當(dāng)晶振為12MHz時256T=256﹡3/12=64μs。占空比=PWM_CONTROL中數(shù)據(jù)/256，如上例占空比=80H/256=50%。圖5-11數(shù)據(jù)80H時的輸出波形復(fù)位時PWM_CONTROL清0，占空比=00H／256=0%，即PWM／P2.5端始終為低電平。圖5-12給出了幾種典型的PWM輸出波形圖，假設(shè)將這些波形積分，則可得到8位區(qū)分率的模擬信號。圖5-12PWM輸出波形

5.2.2PWM掌握1.輸入／輸出掌握存放器IOC1〔8位，地址16H〕。IOC1是只寫存放器，IOC1.0＝1時，PWM／P2.5引腳可以輸出PWM波〔引腳作PWM端使用〕。而當(dāng)IOC1.0=0時，它只能輸出開關(guān)信號〔引腳作P2.5使用〕。2.脈沖寬度調(diào)制存放器PWM_CONTROL〔8位，地址17H〕。PWM_CONTROL也是一種只寫存放器，寫入數(shù)據(jù)后，PWM波的寬度隨之而定。有兩種方法供給PWM輸出：一種是通過HSO供給；另一種是由8096的脈沖寬度調(diào)制器供給。前一種方法可供給周期和占空比可轉(zhuǎn)變、區(qū)分率為1／65536〔16位〕的PWM信號；后一種方法則供給周期固定、占空比可變、區(qū)分率為1／256〔8位〕的PWM信號。5.2.3PWM根本功能程序舉例

P2.5口經(jīng)設(shè)置后可以輸出編程的脈寬調(diào)制(PWM)輸出。下面的程序先將P2.5口設(shè)置為PWM輸出口，再由P0口送入對應(yīng)于脈寬的數(shù)字量。在P2.5處可以得到對應(yīng)于占空比的定周期脈沖。P0 EQU 0EHP1 EQU 0FHIOC1 EQU 16HPWM EQU 17HORG 2210HLDB IOC1,#01HTHERE: LDB PWM,P0SJMP THERE用PWM口產(chǎn)生鋸齒波的程序。 SP EQU 18H PWM EQU 17H IOC1 EQU 16H REG1 EQU 40H TREG EQU 90H ORG 2220H LD SP,#00C0H LDB IOC1,#01H LDB REG1,#00 RELOAD:LDB PWM,REG1 CALL TIME INCB REG1 SJMP RELOAD TIME DELAY ROUTINE ORG 2240H TIME: LDB TREG,5000H[0] TMORE: DJNZ TREG,TMORE RET5.2.4PWM的應(yīng)用

例5-1產(chǎn)生PWM波形，占空比為25%。解：占空比=數(shù)據(jù)／256，即數(shù)據(jù)=256×占空比=256×25%=64=40H。相應(yīng)程序清單如下：ORG2800HSTART：LDBIOC1，＃01H；選擇PWM功能HERE：LDBPWM＿CONTROL，＃40H；將要轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送入SJMPHEREPWM引腳輸出的脈沖信號經(jīng)濾波后可變?yōu)槟M信號。為了獲得較高精度的8位D／A輸出，在濾波前先通過緩沖器將PWM脈沖信號擺幅變?yōu)?～5V，再經(jīng)濾波、放大輸出。D／A緩沖器電路如圖5-13所示。

圖5-13D/A緩沖器電路5．3數(shù)字濾波方法

1．算術(shù)平均值濾波設(shè)測量值為，則每采集了N個數(shù)據(jù)后，進展一次算術(shù)平均。其計算方法如式〔5.3.1〕所示：

依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的理論，上式的算術(shù)平均值實際上是這樣一個值，它與各采樣值間的誤差的平方和最小。得到后即可計算出偏差值：從上面可以看出，每計算一次掌握器輸出值，就必需采樣N次。因此，N的取值不能太大。算術(shù)平均值法主要對壓力，流量等含有周期性脈動的信號有效。而對突發(fā)性的脈沖干擾，這種濾波方法的效果則不抱負。2．中值濾波所謂中值濾波法是連續(xù)采樣n次〔n為奇數(shù)〕，然后將n次的采樣值從小到大排列，或者從大到小排列，再取中間的值作為采樣值。首先要做的工作是先采集N個參數(shù)并按大小排序，即有X1<X2<…<Xn-1<Xn，假設(shè)當(dāng)N為偶數(shù)時，；假設(shè)當(dāng)N為奇數(shù)時，。中值濾波的關(guān)鍵所在是形成按大小挨次排列的一組數(shù)。假設(shè)采樣N次，假設(shè)使用高級語言，首先將N個采樣值按從大到小〔或從小到大〕排列，然后將其放在一個數(shù)組X〔N〕里，此時X〔〔N+1〕/2〕則為采樣值。

3．表決濾波首先要做的工作是先采集N個參數(shù)并按大小排序，即有X1<X2<…<Xn-1<Xn，去掉一個最大值Xn和一個最小值X1再求其均值，其表達式為。4．限幅濾波假設(shè)采集到的參數(shù)波動較大，可承受此濾波方式。先定義為原來的值，是為新采樣到的值，有以下三種狀況：假設(shè)Xn－Xn-1>0則Xn=Xn－1假設(shè)Xn－Xn-1=0則Xn=Xn假設(shè)Xn－Xn-1<0則Xn=Xn+1這種濾波方式特別簡潔，運算也很節(jié)省時間，可以很有效地使采樣到的參數(shù)處理得很平滑，但只能用于慣性較大的系統(tǒng)。限幅濾波程序：步長為1AD03:LDB20H,#3；選擇通道3LCALLadrq；調(diào)AD轉(zhuǎn)換子程序LD22H,TTTA[0]；原先的數(shù)值放入到22HCMP20H,22H；新采集到的數(shù)值與原先的數(shù)值比較JHADA51；高于就到ADA51CMP20H,22H；再進展比較JNHADA52；低于就到ADA52LJMPADA53；相等到ADA53ADA51:INC22H；原先的值就加1LJMPADA53ADA52:DEC22H；原先的值減1ADA53:ST22H,TTTA[0]；將原先值又放回TTTALD20H,22HMULU20H,#4CMP20H,#100JHAD5BHST20H,TTTB[0]LJMPAD5ENDAD5BH:LD20H,#100ST20H,TTTB[0]AD5END:RET5．去最老值濾波先將采樣到的參數(shù)按時間次序排序，X1、X2…Xn，其中X1最老，Xn最新，當(dāng)再采集一個參數(shù)后作如下變化：X1=X2，X2=X3，…Xn-1=Xn，Xn=Xn+1然后進展一次算術(shù)平均。其計算方法：

6．程序推斷濾波