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1、数字化语音存储与回放系统设计摘要 本文介绍了一种以单片机为核心控制单元的数字化语音存储与回放系统的组成以及系统软硬件的设计。该系统的基本原理是对语音信号的录制和回放的数字化控制。该系统以AT89C52单片机为微处理器，实现对系统的控制以及数据的处理。系统采用闪存28F512作为外部数据存储器来存放语音数据，以满足能够较长时间存储语音信息。语音采集部分采用ADC0809进行模数转换，语音回放部分采用DAC0832实现数模转换，并通过键盘等接口电路实现人机交互，单片机工作在中断查询模式，能够快速响应按键要求，以控制信号的采集、存储和回放等。同时，外围电路辅以带通滤波器和增益、功率放大等电路对信号进
2、行滤波放大，以保证信息的高质量存储与回放。关键词：数字化存储，回放，数字滤波，采样，模/数转换目 录1绪论11.1课题背景11.2课题研究的意义11.3数字化处理的前景11.4课题任务要求21.5本文的主要内容32系统总体方案设计43硬件部分设计73.1拾音器73.2放大器的设计73.2.1前置增益放大器73.2.2输出功率放大器83.3滤波器设计93.4单片机选型123.4.1AT89C52介绍123.4.2引脚简介133.4.3主要功能及其特性143.4.4中断143.5采样保持电路153.6 D/A转换器DAC0832153.6.1 DAC0832内部结构及引脚163.6.2 DAC08
3、32工作方式163.7 A/ D转换电路设计183.7.1 A/ D转换的常用方法183.7.2 ADC0809的主要特性和结构183.7.3 ADC0809管脚功能及定义193.7.4 ADC0809工作方式203.8键盘电路223.9存储器的选取234软件设计264.1编程工具软件Keil C51264.2 Protrus软件设计264.3软件程序的设计274.3.1程序总体流程图274.3.2子程序设计284.3.3系统仿真305结论326致谢33参考文献34附录36外文资料41外文翻译481绪论1.1课题背景语音信号处理是信息科学的一个重要分支，伴随着大规模集成技术的高度发展以及计算机
4、技术的飞速前进，推动了语音信号处理技术的快速发展。数字化语音存储与回放系统，则是利用数字语音电路来实现语音信号的数据存储、还原等任务，它是以数字电路为基础，采用51系列单片机作为核心的语音处理系统5。数字化原理语音电路是一种集语音合成技术、大规模集成电路技术以及微控制器技术为一体的新型综合型技术，利用它可以很容易的实现语音的可控制。为了克服集成芯片音量不能放大、智能性比较差、录音的时间比较固定同时还要增加硬件投资，并且在一些由单片机构成的测控系统中，由于单片机接口有限，还需要扩展硬件接口线路等诸多缺点，本系统则采用了另外一种方案：没有采用专用的语音处理芯片，不需扩展接口电路7。而是以AT89C
5、52单片机为核心，采用滤波、放大等电路设计了一套可以灵活的实现录音、放音、音量自动控制的新型的语音存储与回放系统。这种方法为以单片机为中心的测控系统语音操作提供了一种新的思路8。1.2课题研究的意义数字化具有以下几个的特点：（1）数字信号和模拟信号比较而言，数字信号是加工信号。加工信号对于有杂波的外部环境以及易产生失真的电路来说应该具有较好的稳定性。可以说，数字信号非常适用于易产生杂波和波形失真的数据等远距离传送使用。数字信号传送具有稳定性好、可靠性高的优点。相关软件对程序进行编写与仿真9。（2）数字信号需要使用集成电路和大规模集成电路，但是计算机易于处理数字信号，同时数字信号还特别适合于数字
6、特技和图像处理。 （3）数字信号处理电路简单，它没有模拟电路里的各种调整，因而电路工作稳定、技术人员能够从日常的调整工作中解放出来。（4）可以很容易的对数字信号进行加密，这对商业经营、版权保护、军事经济情报保密和信息高速公路的安全是十分必要的。因此, 从信息产业向社会提供服务和对信息产品的实际要求出发,采用数字化方案是很必须的22。 综上，研究数字化的意义重大。1.3数字化处理的前景数字化和信息化有着密不可分的联系，进而影响着科技进步的现代化进程。在在新经济时代，推动时代发展的根本力量，仍必将是信息化和科技进步推动的全球经济一体化。对科技进步的现状(包括数字技术)与经济发展前景的联系，会引起人
7、们的各种思考。一方面，数字技术对推动科技进步(以新颖性、创造性、实用性为标准)带来的机遇，不容忽略；另一方面，人类综合能力、实践能力和创新能力的提高，也会推动数字信息化在更宽阔 的领域里有新的创造25。人类通过对信息的处理来认识客观的世界，又是通过对信息的应用实践来改造世界的。人们可以认为，信息处理的数字化技术，一定和其他任何事物的发展规律一样，只是信息处理的一个阶段：反映了从模拟到数字的飞跃，但是在这个阶段将会停留很长时间让我们去发展它、去完善处理它的方法。数字处理绝不是信息处理方法的终极方案，也不是没有缺陷的方案(比如不适合用它处理频率很高的信号等)。数字化处理技术对人类的贡献已经十分明显
8、，而信息处理的数学方法对科学技术的推动作用更是不可估量的，数字化革命已经渗透到了人类生活和工作的各个方面。而且，人类正以信息处理主宰者的姿态，不断实践，绘制着自己更加丰富多彩的光明未来28! 数字化已经成为了时代的主流发展的趋势。1.4课题任务要求本次设计的主要目的是将单片机信息处理技术应用到数字化语音存储与回放系统中，依靠单片机可再次开发的独特的优势设计一个简单实用的数字化语音存储与回放系统，按照规定要求能够实现对语音信号的存储以及回放功能。前置滤波放大部分能够完成包括对语音信号的采集、放大滤波的功能，信号经由采样保持器传送给ADC0809，并通过ADC0809实现对模拟信号的数字化。单片机
9、作为处理器对信息进行处理，并存入数据存储器，然后通过DAC0832转换为模拟信号经滤波、功率放大电路回放出声音。需要考虑的有：拾音器和耳机的阻抗问题，放大器的输入以及输出阻抗，滤波器的通阻带的要求，储存器的容量字长，单片机的而执行速度以及人机接口功能。本次设计分为软、硬件设计两部分，硬件部分完成数据的采集、放大、滤波、AD转换、DA转换、功率放大等系统功能。软件部分则对语音信号的录制和播放进行控制。课题任务的内容：（1）收集整理相关资料和文献，熟悉单片机应用技术以及单片机外围电路的相关知识；（2）对单片机、传感器和AD、DA转换等相关知识进行研究，设计总体方案；（3）硬件模块设计以及整体硬件系
10、统电路设计；（4）利用keil技术编辑软件，并使用proteus仿真实现模数数模采集、存储、读取功能。课题任务的具体要求：（1）前置放大器的增益为46dB，末级放大器的增益为40dB，且增益均可调；（2） A/D转换位数 8位，采样频率 8 KHz；（3） D/A 转换位数 8位，变换频率 8 KHz；（4）带通滤波器的带通范围为200-3400Hz；（5）语音存储时间大约10s。1.5本文的主要内容本课题主要利用51系列单片机、滤波放大电路以及AD、DA和数据存储，研究工作包括51单片机的原理应用及接口电路的连接和软件的编程调试。为了实现语音的存储以及回放功能，本文主要研究工作如下：首先，进
11、行数字化语音存储与回放系统方案的分析与设计。主要介绍数字化语音存储与回放系统的性能指标、工作原理、外接电路接口技术等。设计数字化语音存储与回放系统，使之具有无失真实现语音的存储和回放的功能。然后，进行语音存储与回放系统的硬件设计。主要包括单片机最小硬件系统、模数数模之间的转换，数据的存储，语音录放的控制的分析与设计。根据语音频段的范围及要求，选择传感器。设计语音存储与回放系统，使之具有存储与回放的功能。最后，进行系统的软件设计。主要通过keil软件进行程序的编写并使用proteus进行各个部分的模拟仿真。2系统总体方案设计分析题目：数字化语音存储与回放系统的基本原理是对声音录制以及回放的数字控
12、制。其中关键技术在于对输入语音信号进行高品质的存储，同时外围电路辅以带通滤波器和放大器等电路对信号进行滤波放大，实现了语音信号的高质量存储与回放。数字化语音存储与回放系统的基本思想是通过拾音器将声音信号转化成电信号，再经过放大器放大，然后通过带通滤波器滤波，模拟语音信号通过模数转换（A/D）转换成数字信号，再通过单片机控制将数据从存储器中读出，然后通过数模转换（D/A）转换成模拟信号，经放大再扬声器或耳机上输出。系统框架图及原理图如下：A/D转换电路拾音器电源电路AT89C52单片机增益放大器带通滤波器qi器存储器输出放大器键盘D/A转换电路喇叭图2.1系统框架图系统组成如图2.1所示,由输入
13、通道、AT89C52单片机和输出通道三部分组成。先分析输入通道部分：语音信号ADC0809数字语音信号放大器滤波器采样保持图2.2输入通道结构图输入通道由拾音器、前置放大电路和带通滤波器组成；拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20-25mV，后级A/D转换输入信号的动态范围为0-5V，因为此电信号太小所以不能够进行采样。语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB的放大器，将其放大到伏特量级输出通道由带通滤波器、后级放大电路组成。信号由拾音器拾起，经由用NE5532设计放大电路的进行放大，增益可调，这样满足了存储放大器增益46dB要求。滤波
14、电路采用带通滤波电路，将带通滤波器设计为典型的200Hz-3.4kHz，输出级带通滤波器也为200Hz-3.4kHz，这样既可滤掉低频分量又可滤掉D/A转换带来的高频分量，很好的滤除掉噪声。根据奈奎斯特抽样定理知欲使采样信号无失真，抽样频率最低为6.8kHz，考虑到留有一定的余地，采用8kHz这样就足够保证语音质量。系统信号采集由模数转换器ADC0809及采样/保持放大器LF398完成。LF398 具有高采样速率、保持电压下降慢等特点，语音信号经其采样后输出至ADC0809。分析输出通道部分：数字语音信号喇叭声音信号DAC0832滤波器功率放大电路图2.3输出通道结构图输出通道也采用滤波电路，
15、利用这种电路滤掉数字量转换的模拟量中不在所要求频率范围的波形。功率放大部分由LM386组成。LM386是目前颇为流行的小功率音频放大集成电路，它广泛运用于各种语音电路中。作为系统的核心部分，即系统的处理控制中心单元，选用AT89C52。它属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于控制等应用场合。AT89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。通过分析可知，AT89C52完全满足要求。数字语音
16、信号ADC0809单片机DAC0832模拟语音信号图2.4信号处理结构图存储器的容量选择根据所存语音信号的时间长短而定，因题目要求至少10s，所以存储器的容量至少为80K。可以选用2片64K的FLASH Memory 28F512作为外部数据存储器来存放存储的数据。3硬件部分设计3.1 拾音器拾音器本质上是一种声传感器，它能够把外界声场中的声信号转换成电信号。它在语音通讯、噪声的控制、环境的检测、音质的评价、文化娱乐、超声检测、水下探测和生物医学工程及医学等方面有广着泛的应用10。它的种类分为多种，按照它的特点和频率等可以将它划分为超声传感器、声压传感器和声表面波传感器等。单纯的磁性拾音器工作
17、的电学原理为当声音在铜丝绕制的线圈内震动切割被该线圈所缠绕的磁芯产生的磁感线时，线圈内感应出电信号并流出。 拾音器包括拾音头（换能装置、唱针）和音臂等附件。其换能装置主要有压电式、电磁式、电容式以及半导体等。电磁式拾音头，用电磁感应原理，将机械振动变换成电信号的幅度响应拾音头。主要由线圈和磁钢等组成。唱针耦合在线圈上的称动圈式，耦合在磁钢上的称动磁式。此外，也有将唱针耦合在衔铁上的称为动铁式，也称可变磁阻式。因为动圈式拾音器的音质比较好，并且使用方便，所以在本设计中采用动圈式拾音器。3.2 放大器的设计放大器可以将输入信号的电压或者功率给以放大的装置，放大器由电子管或晶体管、电源变压器或者其他
18、电器元件组成。在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等装置中得到广泛应用。3.2.1 前置增益放大器拾音器输出的信号实际范围约为2025mV，而后级A/D转换输入信号的动态范围为05V，由于此电信号太小不能够进行采样。通过对语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应设置在200倍左右，即将拾音器输出的信号通过一增益为46dB的放大器，将其放大到伏特量级。为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大，我们采用由运放NE5532构成的高输入阻抗的放大器。NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器，具有以下特点：（1） 小信号带宽为10MHz（2） 输出驱动能力强为600，10V的有效值（3） 输
19、入噪声电压为5nV/Hz（4） 直流电压增益可达50000 （5） 交流电压增益为2200-10kHz （6） 功率带宽为140kHz（7） 转换速率可达9V/s（8） 大的电源电压范围为3V-20V （9） 单位增益补偿相对大多数标准运算放大器，NE5532显示出了更好的噪声性能，这使得该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。所以选用NE5532作为前置放大电路的运放。前置放大电路如图3.1所示。图3.1前置放大器放大器的放大倍数按下式计算：（3-1）带入数据有：（3-2）因为设计的R4的值可以调节，所以增益倍数可以满足要求的调节范围。3.2.2输出功率放大
20、器经带通滤波器输出的声音信号，其幅度为05V，足以用耳机来收听，可不接任何放大器。但考虑到实际中经常会用到扬声器外放，故在本系统中增加外放功能，采用通用型音频功率放大器LM386来完成13。LM386是目前颇为流行的小功率音频放大集成电路，它广泛运用于各种语音电路中。它的突出优点是频响宽、功耗低、电源电压适应范围宽、外接元件少等。LM386集成功率放大器的性能及特征（1） 额定工作电压：416V；（2） 额定电流：当电源电压为6V时，静态工作电流为4mA，适合用电池供电；（3） 增益：脚与脚之间不接外部阻容元件时，电压增益为20；接元件时，可提供增益到20200之间的任何值； （4） 频响：可
21、达数百kHz；（5） 最大允许功耗为（25）600mA，使用时不用散热片；（6） 负载电阻4时，输出功率（失真为10%）为300mA；LM386有两个信号输入端。当信号从脚输入时，构成反相放大器；从脚输入时，构成正相放大器。本设计中，信号从脚输入，为正相放大器。每个输入端的输入阻抗都为50K，而且输入端对地的直流电位接近为零，即使对地短路，输出直流电平也不会产生大的偏离。图3.2 LM386引脚图在音频放大电路中，输出信号的放大倍数由LM386的引脚和的外接的情况来决定。一般情况下这两个引脚通过串联一个电阻R1和一个电容C2连接起来，正是这个RC网络决定了电路的增益。当脚和脚开路时，电路电压增
22、益为40。通过调节R1的值可以改变增益的大小。通过滑动RV1的触头，即可调节后置功率放大的大小，进而控制调节音量。电路如图3.3所示：图3.3输出功率放大3.3滤波器设计滤波器的作用是让一定频率范围内的信号通过，同时将此频率范围之外的信号加以抑制或者使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，使用滤波器可以非常有效的抑制干扰。实际信号除有用信号外，常常带有干扰，这些干扰有的是和有用信号同时产生的，有的则是在信号传输与处理过程中由于不同系统间的相互作用而引起的。在信号处理中从带有干扰的信号中能够分离出有用信号的装置被称为滤波器。滤波器在日常生活中运用非常广泛，例如在电子工程、通信工程
23、、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的滤波器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种滤波器。用集成电路实现的滤波器与其他滤波器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高23。声音信号通过动圈拾音器转为电压信号，通过前级放大进行放大，在对其进行数据采集之前，并经过带通滤波器滤除所需频率以外的杂波。按本题目要求选定带通滤波器，滤波器的通带范围为200Hz3.4KHz。滤波器的作用是：（1）保证2003400Hz的语音信号不失真的通过滤波器；（2）滤除通带外的低频信号，以减少带外功频等分量的干扰，大大减少噪声影响；（3）便于滤
24、除通带外的高次谐波，以减少因8kHz采样率而引起的混叠失真。根据实际情况，该上限频率可在3000Hz左右，带通滤波器按品质因数的大小为窄带滤波器（）和宽带滤波器（）两种，本题中上限频率,通带滤波器中心频率为： （3-3）品质因数为： （3-4）因为，故该带通滤波器为宽带带通滤波器。本宽带带通滤波器设计由高通和低通滤波器级联构成。滤波器的实现我们采用低通-高通级联方式实现，即将带通滤波器的技术指标分成低通滤波器和高通滤波器两个独立的技术指标，分别设计出低通滤波器和高通滤波器，再级联即得带通滤波器。（1）计算高通滤波器的电阻电容值：根据经验取选取， （3-5）将数据带入式3-5有，（2）计算低通滤
25、波器的电阻电容值根据经验取选取，将数据带入3-5有，根据计算所得的参数值计算所设计的带通滤波器的传递函数低通传递函数 （3-6）高通传递函数计算 （3-7）两个传递函数相乘得到总的传递函数：图3.4 滤波器幅频曲线Matlab中观察滤波器的滤波效果如下。 图3.5 滤波效果图3.4单片机选型单片微型计算机简称单片微机或单片机。它是一种把芯片中集成中央微处理器、随机存取存储器、只读存储器、定时/计数器以及I/O接口电路等部件，构成了一个完整的微型数字电子计算机。其具有很多优点：高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠等。也正是由于单片机具有上述显著的特点，使得单片机的应用范围日益扩大。单片机的
26、应用打破了人们的传统设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能，现在均可以使用单片机，采用软件编程来实现。同时使用单片机所做的产品还具有体积小、可靠性高、性能价格比高和容易产品化等优点。3.4.1 AT89C52介绍AT89C52是一种8 位通用的微处理器，它采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与51系列单片机通用。AT89C52是一种带8K字节片内程序存储器，且是高性能的CMOS8位微处理器的单片机。 AT89C52能够满足8K flash程序存储器的要求。AT89C52是采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造的，它与工业标准的MCS-51指令集和输出
27、管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，选择ATMEL的89C52作为一种高效微控制器，可以为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其主要用于会聚调整时的功能控制，功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。3.4.2 引脚简介P0口：P0口的8个引脚在不接片外存储器与不扩展I/O时为双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。P0能够用于外部程序数据存储器，当它接片外存储器与扩展I/O时为双向I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。在FIASH编程时，
28、P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，可作为准双向I/O口使用。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。对于本单片机而言，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。表3.1 P1.0和p1.2的第二功能引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）P2口：P2口的8个引脚一般可作为准双向I/O口。P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“
29、1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或外部数据存储器进行存取时，P2口可以作为地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P3口：P3口的8个引脚除了作为准双向I/O口外还具备第二功能。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为89C52的一些特殊功能口。表3.2 P3口地第二功能引脚第 二 功 能
30、P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD (串行输入口)TXD (串行输出口)INTO (外部中断0请求输入端)INT1 (外部中断1请求输入端)T0 (定时器/计数器0记数脉冲输入端)T1 (定时器/计数器1记数脉冲输入端)WR (片外数据存储器写选通信号输出端)RD (片外数据存储器读选通信号输出端)RST：复位输入。当振荡器复位器件时， RST脚出现两个机器周期的高电平可以实现复位。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚可用作对外输出的时钟脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉
31、冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。PSEN：片外程序存储器的读选通信号输出端。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期该信号两次低电平有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA：片外程序存储器选用段。当EA保持低电平时，只选用外部程序存储器，否则计算机上电或复位后先选用片内程序存储器。XTAL1：片内反向振荡放大器的输入端。XTAL2：片内反向振荡放大器的输入端。3.4.3主要功能及其特性（1）兼容MCS51指令系统（2）8KB的可重复擦写的Flash闪速存储器；（3）1000次擦写周期；（4）4个8位并行双向I/O口
32、；（5）256个字节的片内RAM；（6）3个16位可编程定时/计数器中断（7）时钟频率为0-24MHz（8）低功耗空闲和掉电模式；（9）有2个外部中断源，共8个中断源；（10）具有强位寻址、位处理能力；（11）采用单一+5V电源。3.4.4中断AT89C52 共有6 个中断向量：两个外中断（INT0 和INT1），3 个定时器中断（定时器0、1、2）和串行口中断。这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE 的置位或清0 来控制每一个中断的允许或禁止。IE 也有一个总禁止位EA，能控制所有中断的允许或禁止。 定时器2 的中断是由T2CON 中的TF2 和EXF2 逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，
33、这些标志位不能被硬件清除， 事实上，服务程序需确定是TF2 或EXF2 产生中断，而由软件清除中断标志位。 定时器0 和定时器1 的标志位TF0 和TF1 在定时器溢出那个机器周期的S5P2 状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。然而，定时器2 的标志位TF2 在定时器溢出的那个机器周期的S2P2 状态置位，并在同一个机器周期内查询到该标志。3.5采样保持电路将模拟信号转换为数字信号时,从启动转换到转换结束,需要一定的时间,即A/D转换的孔径时间。本论文在A/D转换前加了采样保持器LF398。LF398是美国国家半导体公司研制的集成采样保持器。由双极性绝缘栅场效应管组成,它的特点是
34、：采样速度快、保持下降速度慢、精度高。其采样时间小于6 s时精度可达0.01%;采用双极性输入状态可获得低偏置电压和宽频带；抗干扰能力强，不易受温度影响，芯片上的逻辑输入端均为具有低输入电流的差动输入，允许直接与TTL、PMOS和CMOS相连，差动门限为1.4 V，电源电压可在5 V和18 V之间变化，引脚排列如图3.6。图3.6 LF398的引脚图图中INPUT和OUTPUT分别为模拟量输入和输出，OFFSET VOLTAGE为偏置调整引脚，Ch为外界保持电容引脚，V+和V-为电路电源；LOGIC和LOGIC REFEREN CE分别为逻辑电平和逻辑参考电平，用于控制其工作方式；当LOGIC
35、为低电平时，开关K闭合，电路工作在采样状态。反之，K断开，电路工作在保持状态。3.6 D/A转换器DAC0832 D/A转换芯片也种类繁多，本课题选用应用非常广的DAC0832。它是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高接口简单和控制方便等特点而广泛应用。ADC0832 具有的特点：8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；电源供电时输入电压在05V之间；工作频率为100KHz，转换时间为10S；一般功耗仅为15mW。3.6.1 DAC0832内部结构及引脚图3.7 DAC0832的引脚DAC0832内部结构资
36、料:芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过Rfb端引用片内固有电阻，还可以外接。DAC0832外部引脚说明：DI0DI7：为数据输入线，TLL电平； ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；CS：片选信号输入线，低电平有效； WR1：为输入寄存器的写选通信号； XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效； WR2：为DAC寄存器写选通输入线； Iout1:
37、电流输出线。当输入全为1时Iout1最大； Iout2: 电流输出线。其值与Iout1之和为一常数； Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻；Vcc:电源输入线(+5v+15v) ；Vref:基准电压输入线(-10v+10v)； GND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地； 3.6.2 DAC0832工作方式DAC0832的工作方式有单缓冲工作方式、双缓冲工作方式和直通工作方式三种类型。（1）单缓冲方式：单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。（2）双缓冲方式：双缓冲方式是
38、先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。（3）直通方式：直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即WR1，WR2，XFER，CS均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。图3.8单缓冲方式连接示意图在不要求多相D/A同时输出时采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高D/A的数据吞吐量。所以在本设计中，采用单缓冲的工作方式。DAC:MOV R1, #30H;待转换数据原存在片内RAM的30H单元,R1为地址指针
39、,指向该单元MOV RO,#DFH;准备选通DAC0832MOV A,R1MOVX R0,A;片内RAM30H单元的内容送往DAC0832进行转换在实际应用中，经常需要用到一个线性增长的电压去控制某一个检测过程，或者作为扫描电压去控制一个电子束的移动。执行下面的程序段，利用D/A转换器产生一个锯齿波电压，实现此类控制作用。DAC:MOV R0, #0DFH;选通DAC0832MOV A, #0FFHLOOP:MOVX R0 ,A;输出ACALL DELAY;调延时程序DEC ASJMP LOOP图3.9锯齿波图形3.7 A/D转换电路设计由信号处理电路输出的信号是模拟信号，但是单片机只能处理数
40、字信号，所以首先必须将模拟量经过一定的电路转换为数字信号，只有这样单片机才能处理，这种电路被称为A/D转换电路。3.7.1 A/D转换的常用方法A/D转换的常用方法有：双积分式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、计数型A/D转换等。双积分式A/D转换的工作原理是将对输入电压的测量，转换成对基准源积分时间的测量，再测量时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。这种方法的主要优点是分辨率高、精度高、抗干扰性强；主要缺点是转换速度慢。逐次逼近型A/D转换由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，顺序的增加内部D/A的输入值，并将其输出电压与A/D测量输入电压比较，当
41、二者相等时，内部D/A的输入值就是A/D转换的结果。这种方法的主要优点是速度快、功耗低；主要缺点是抗干扰性差。3.7.2 ADC0809的主要特性和结构本设计采用ADC0809大规模集成电路芯片，它是一种具有8路模拟量输入的8位A/D转换器，采用逐次逼近式A/D转换器，输出的数字信号有三态缓冲器，可以和单片机直接接口。它有模拟多路转换开关和A/D转换两大部分。 模拟多路转换开关由8路模拟开关和3位地址锁存与译码器组成，地址锁存允许信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸信号加到A/D转换部分进行转换。A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SA
42、R、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，其输出数据线可直接连CPU的DB。ADC0809内部结构如下图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器。图3.10 ADC0809的原理框图ADC0809的主要技术指标为：（1）它的分辨率为8位；（2）单电源供电：+5V；（3）最大不可调误差小于1LSB；（4）转换时间为100s（时钟频率为640KHz）；（5） 模拟输入范围，单极性05V；（6）不必进行零点和满刻度调整；（7）功耗为15mW；3.7.3 ADC0809管脚功能及定义ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封
43、装，下面参图并说明各个引脚功能。如图3.11所示。 图3.11 ADC0809管脚结构图ALE：地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、B、C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中通道的模拟量进行转换器进行转换。D0D7：8位输出数据线（三态），A/D转换结果由这8根线传送给单片机。OE：允许输出信号。当OE=1时，输出转换得到的数据；当OE=0时，输出数据线呈高阻状态。START:转换启动信号。START为正脉冲，其上跳沿所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。EOC:转换结束信号。当EOC为高电平始时，
44、表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。CLK：时钟输入信号。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，频率范围为10KHz1.2KHz，典型值为640KHz。IN0IN7: 8通道模拟量输入。ADDA、ADDB、ADDC：A、B、C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。3.7.4 ADC0809工作方式首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结
45、束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）延时等待方式 是利用CPU执行一条输出指令，启动ADC转换，然后CPU执行延时程序，延时时间大于所选用的ADC芯片转换时间，延时结束，CPU执行输入指令，打开三态门获取ADC转换好的数据。如ADC0809转换时间为128s，相当于12MHz的MCS-51单片机共34个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。参见图3.12。 图3.12 延时等待法ADC接口电路（2）查询方式 查询法是