數(shù)據(jù)采集與處理技術07

1第7章數(shù)/模轉(zhuǎn)換器7.1D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成7.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標7.3并行D/A轉(zhuǎn)換器7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器7.5D/A轉(zhuǎn)換器接口的隔離7.6

D/A轉(zhuǎn)換器與微機的接口7.1D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成數(shù)/模轉(zhuǎn)換器：一種將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。作用：是數(shù)字控制系統(tǒng)中的關鍵器件，用來把微處理器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流等模擬信號，并送入執(zhí)行機構(gòu)進行控制和調(diào)節(jié)。D/A轉(zhuǎn)換的基本原理要將數(shù)字量D轉(zhuǎn)換為模擬量A，需要一個模擬參考量R

，使得A=DR。若max{A}=R，則0≤D≤1，即數(shù)字量D是一個不大于1的n進制數(shù)。自然，這里的D是二進制數(shù)：D=a12－1+a22－2+…+an2－n,ai∈(0,1)7.1D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成D/A轉(zhuǎn)換的基本原理注意，A雖是模擬量，但并不能取任意值，而只能根據(jù)輸入量D得到某些特定值.。ADOLSBD/A轉(zhuǎn)換特性MSB7.1D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成D/A轉(zhuǎn)換器的分類：并行D/A轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與輸入數(shù)碼的位數(shù)相同，對應數(shù)碼的每一位都有輸入端。串行D/A轉(zhuǎn)換器：只有一個輸入端，數(shù)碼一位一位依次串行輸入。

7.1D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成并行D/A轉(zhuǎn)換器S1S2SnUREF基準電壓電阻網(wǎng)絡2-1a12-2a22-nan輸入并行數(shù)字量RFUo_+A……并行D/A轉(zhuǎn)換器機構(gòu)框圖模擬開關電阻網(wǎng)絡將基準電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娏骰螂妷?，在運算放大器輸入端進行總加。其中，ai是1還是0取決于輸入數(shù)字量第i位上的邏輯。并行D/A轉(zhuǎn)換器的特點：轉(zhuǎn)換速度很快，只要在輸入端加入數(shù)字信號，輸出端立即有相應的模擬電壓輸出。轉(zhuǎn)換速度與模擬開關的通斷速度、電阻網(wǎng)絡的寄生電抗和運算放大器的輸出頻率有關，但主要取決于后者。7.1D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成電阻網(wǎng)絡基準電源轉(zhuǎn)換器的精度直接與電阻的精度有關。在某些D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡中，轉(zhuǎn)換精度只決定于電阻的比值，與電阻的絕對值關系不大。在某段時間里或環(huán)境條件變化的情況下，保持電阻比值的恒定比保持電阻本身數(shù)值的恒定要容易得多?；鶞孰娫吹木戎苯佑绊慏/A轉(zhuǎn)換器的精度。如果要求D/A轉(zhuǎn)換器的精度到滿量程的±0.05%，則基準電源精度至少要滿足±0.01%的要求?；鶞孰娫匆笤肼暤?、紋波小、內(nèi)阻低。有時還要求有一定的負載能力。7.1D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成模擬切換開關運算放大器要求斷開時電阻無限大，導通時電阻非常小，即要求很高的電阻斷通比值。力求減小開關的飽和壓降、泄漏電流以及導通電阻對網(wǎng)絡輸出電壓的影響。運算放大器的作用：一個是對網(wǎng)絡中各支路電流進行求和；另一個是為D/A轉(zhuǎn)換器提供一個阻抗低、負載能力強的輸出。如果要求D/A轉(zhuǎn)換器精確到滿量程的±0.05%，則要求運放本身的電壓輸出至少穩(wěn)定在滿量程的±0.01%以內(nèi)。7.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標1.分辨率分辨率：最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率與位數(shù)有關。位數(shù)越多，分辨率就越高。位數(shù)分辨率8101214161/2551/10231/40951/163831/655357.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標2.精度絕對精度：輸入滿量程數(shù)字量時，D/A轉(zhuǎn)換器實際輸出值與理論輸出值之差。相對精度：絕對精度與額定滿量程輸出值的比值。絕對精度一般應小于±LSB/2。相對精度表示方法：用偏差多少LSB來表示；用該偏差相對滿量程的百分數(shù)來表示。7.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標3.線性誤差線性誤差：D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性之間的最大偏差。理想轉(zhuǎn)換特性是在零點及滿量程校準以后建立的。AD0數(shù)字量輸入模擬量輸出滿量程偏差理想特性通常要求線性誤差小于LSB/2。線性誤差是溫度的函數(shù)。7.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標4.建立時間建立時間：D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)碼滿量程變化時，其輸出模擬量穩(wěn)定到最終值±LSB/2范圍所需的時間。建立時間反映D/A轉(zhuǎn)換從一個穩(wěn)態(tài)值向另一個穩(wěn)態(tài)值過渡的時間長短。根據(jù)建立時間，可以計算出D/A轉(zhuǎn)換器每秒最大的轉(zhuǎn)換次數(shù)。7.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標4.建立時間建立時間：D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)碼滿量程變化時，其輸出模擬量穩(wěn)定到最終值±LSB/2范圍所需的時間。建立時間的長短取決于所采用的電路和使用的元件。不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器，其建立時間一般從幾十納秒至幾微秒。輸出形式若是電流，建立時間很短，輸出形式若是電壓，建立時間主要取決于運算放大器的響應時間。7.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標5.單調(diào)性單調(diào)性：D/A當輸入數(shù)碼增加時，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出模擬量也增加或至少保持不變。6.溫度系數(shù)溫度系數(shù)：D/A在滿量程輸出條件下，溫度每升高1℃，輸出變化的百分數(shù)。由于溫度的變化，而引起的增益、線性度、零點及偏移等參數(shù)的變化量分別稱為增益溫度系數(shù)、線性度溫度系數(shù)、零點溫度系數(shù)、偏移溫度系數(shù)。7.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標7.電源抑制比電源抑制比：滿量程電壓變化的百分數(shù)與電源電壓變化的百分數(shù)之比。8.輸出電平不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器輸出電平相差較大，一般為5V~10V，有的高達24V~30V。還有電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出低的為幾mA~幾十mA，高的可達3A。9.輸入代碼有二進制、BCD碼、偏移二進制碼、二進制補碼等。7.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標10.輸入數(shù)字電平輸入數(shù)字電平：輸入數(shù)碼分別為“1”和“0”時，所對應的輸入高低電平的數(shù)碼數(shù)值。例如，AD7541的輸入數(shù)字電平：UIH>2.4V，UIL<0.8V11.工作溫度由于工作溫度會對運算放大器和加權電阻網(wǎng)絡等產(chǎn)生影響，所以只有在一定的溫度范圍內(nèi)，才能保證額定精度指標。較好的轉(zhuǎn)換器工作溫度范圍在-40℃~85℃之間，較差的轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍在0℃~70℃之間。K02-3RK12-2RK22-1RK320R2-1a12-2a22-3a32-4a4UREFRFUO+_A四位權電阻D/A轉(zhuǎn)換器工作原理7.3并行D/A轉(zhuǎn)換器1.權電阻D/A轉(zhuǎn)換器先把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對應的模擬電流量，然后再把模擬電流轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。基準電壓輸入數(shù)字量模擬開關權電阻求和放大器模擬電子開關受二進制數(shù)字量各位狀態(tài)的控制，當相應的二進制位為“0”時，開關接地；為“1”時，開關接基準電壓UREF。權電阻的電阻值與對應位的權成反比。位權越大電阻值越小，開關接通基準電壓時，通過電阻的電流就越大，以保證一定權的數(shù)字信號產(chǎn)生相應的模擬電流。7.3并行D/A轉(zhuǎn)換器1.權電阻D/A轉(zhuǎn)換器K02-3RK12-2RK22-1RK320R2-1a12-2a22-3a32-4a4UREFRFUO+_A四位權電阻D/A轉(zhuǎn)換器工作原理相應支路的電流：總的電流：輸出電壓：令RF=R/2n7.3并行D/A轉(zhuǎn)換器1.權電阻D/A轉(zhuǎn)換器K02-3RK12-2RK22-1RK320R2-1a12-2a22-3a32-4a4UREFRFUO+_A四位權電阻D/A轉(zhuǎn)換器工作原理

當輸入數(shù)碼D=0時，

UO=0

當輸入數(shù)碼D=111…1時，

UO=-(2n-1)UREF/2n缺陷：權電阻網(wǎng)絡中各個電阻的阻值相差太大，而為了保證輸出電壓的精度，又要求電阻值很精確，這給制造芯片帶來困難。7.3并行D/A轉(zhuǎn)換器2.T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器UREFRFUO+_AK02RK1RK2K32-1a12-2a22-3a32-4a4四位T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)2R2R2R2RRRT型電阻網(wǎng)絡是由相同的電路環(huán)節(jié)所組成，每一環(huán)節(jié)有兩個電阻和一個模擬電子開關，相當于二進制的一位，開關由該位的數(shù)字代碼控制。虛地開關在運算放大器電流求和點虛地與地之間進行切換，切換時開關端點的電壓幾乎沒有變化。各支路2R電阻下端電位始終是地電位。7.3并行D/A轉(zhuǎn)換器2.T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器UREF2RRT型電阻網(wǎng)絡的等效電阻2R2R2R2RRRabcdI1I2I3I4ⅢⅡⅠ以III，II，I為界面向右看的等效電阻阻值均為R。7.3并行D/A轉(zhuǎn)換器2.T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器UREFRFUO+_AK02RK1RK2K32-1a12-2a22-3a32-4a42R2R2R2RRRI當某位二進制數(shù)為“1”時，該支路電流流入放大器的虛地端，所以流入求和放大器的總電流為：RF=R7.3并行D/A轉(zhuǎn)換器2.T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器UREFRFUO+_AK02RK1RK2K32-1a12-2a22-3a32-4a42R2R2R2RRRI對于n位的T型網(wǎng)絡，則輸出模擬電壓為：輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量。T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器的突出特點：開關切換時開關端點的電壓幾乎沒有變化，從根本上消除尖峰脈沖的產(chǎn)生；不論輸入數(shù)字量的各位是“0”還是“1”，對應支路電流的大小不變，進一步提高了轉(zhuǎn)換速度。是目前D/A轉(zhuǎn)換器中速度最快的一種。7.3并行D/A轉(zhuǎn)換器3.具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器在實際應用中，有些場合需要D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓是雙極性的。輸入數(shù)碼是偏移二進制碼或補碼。偏移二進制碼補碼對應的十進制數(shù)所要求的輸出電壓(V)111110101100011010001000011010001000111110101100+3+2+10-1-2-3-4+3+2+10-1-2-3-4偏移二進制碼、補碼輸入時所要求的輸出電壓偏移二進制碼與補碼只在符號位相反。7.3并行D/A轉(zhuǎn)換器3.具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器K020RK121RK222RK323R2-1a12-2a22-3a32-4a4UREFR/2UO+_A四位權電阻D/A轉(zhuǎn)換器工作原理具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器UFRF偏移電壓UF與電阻RF需滿足：如果輸入是偏移二進制碼，則右邊電路即可實現(xiàn)雙極性輸出；如果輸入是補碼，則只要將符號位a1經(jīng)過一級反相器再輸入即可?；蛘哂捎嬎銠C用程序取反。7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器芯片的分類按照轉(zhuǎn)換速度分：高、中、低按照位數(shù)分：8位，10，12位，14位，16位，…按照輸入形式分：并行輸入、串行輸入按照包含模塊的多少分：只含電阻網(wǎng)絡和模擬開關；包含電阻網(wǎng)絡、模擬開關和基準電源；包含電阻網(wǎng)絡、模擬開關、基準電源和運算放大器。7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832特點：8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片；具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器，與微處理器完全兼容；芯片內(nèi)有T型電阻網(wǎng)絡；價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易；電流穩(wěn)定時間1us，屬于中速；可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；只需在滿量程下調(diào)整其線性度；單一電源供電（+5V～+15V）；低功耗，20mW。7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832結(jié)構(gòu)框圖DAC0832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號為ILE；第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號為傳輸控制信號XFER。因為有兩級鎖存器，因此可以工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號的同時采集下一個數(shù)字量，這樣能有效地提高轉(zhuǎn)換速度。此外，兩級鎖存器還可以在多個D/A轉(zhuǎn)換器同時工作時，利用第二級鎖存信號來實現(xiàn)多個轉(zhuǎn)換器同步輸出。7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832結(jié)構(gòu)框圖8位D/A轉(zhuǎn)換器主要由R，2R組成的T型電阻網(wǎng)絡和模擬切換開關組成，并且芯片內(nèi)集成了一個求和反饋電阻R。芯片的輸出是電流形式，需要外接一個運算放大器，將電流轉(zhuǎn)化為電壓：7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832結(jié)構(gòu)框圖VCC：芯片電源電壓,+5V～+15VVREF：參考電壓,

-10V～+10VRFB：反饋電阻引出端,此端可接運算放大器輸出端AGND：模擬信號地DGND：數(shù)字信號地DI7~DI0：數(shù)字量輸入信號ILE：輸入鎖存允許信號,高電平有效CS：片選信號,低電平有效WR1：寫信號1，低電平有效當ILE、CS、WR1同時有效時,LE=1，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。當WR1

時，LE=0，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器。7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832結(jié)構(gòu)框圖XFER：控制轉(zhuǎn)移信號,低電平有效WR2：寫信號2，低電平有效IOUT1：模擬電流輸出端1

當輸入數(shù)字為全“1”時，輸出電流最大，約為：

全“0”時，輸出電流為0。IOUT2：模擬電流輸出端2當XFER、WR2同時有效時,LE=1，DAC寄存器輸出隨輸入變化。當WR2

時,LE=0，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器。數(shù)據(jù)進入D/A轉(zhuǎn)換器，開始D/A轉(zhuǎn)換。7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832的典型接線方式DATABUSCSWR1&WR2XFERILE接邏輯“1”7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832的典型接線方式7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832的典型接線方式雙極性輸出7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832的典型接線方式程控放大器RFBVOUT+_A程控電阻網(wǎng)絡VIN7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832與微機的連接1)單緩沖工作方式一個寄存器工作于直通狀態(tài)，另一個工作于受控鎖存器狀態(tài)

2)雙緩沖工作方式兩個寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)，3)直通工作方式在不要求多相D/A同時輸出時，可以采用單緩沖方式，此時只需一次寫操作，就開始轉(zhuǎn)換，可以提高D/A的數(shù)據(jù)吞吐量。當要求多個模擬量同時輸出時，可采用雙重緩沖方式。7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832與微機的連接1)單緩沖工作方式輸入寄存器工作于受控狀態(tài)DAC寄存器工作于直通狀態(tài)7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832與微機的連接1)單緩沖工作方式輸入寄存器工作于直通狀態(tài)DAC寄存器工作于受控狀態(tài)7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832與微機的連接1)單緩沖工作方式;轉(zhuǎn)換一個數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data;取數(shù)字量MOVDX,portOUTDX,ALPC總線I/O寫時序A15~A0CLKIOWT4T1T2T3TwD7~D0portcode SEGMENT

ASSUMECS:codestart: MOVCX,8000H ;波形個數(shù)

MOVAL,0 ;鋸齒谷值next: MOVDX,port ;打開鎖存

OUTDX,AL CALLdelay

;控制鋸齒波的周期

INCAL ;修改輸出值

CMPAL,0CEH

;比較是否到鋸齒峰值，0CEH對應4V JNZnext ;未到跳轉(zhuǎn)

MOVAL,0 ;重置鋸齒谷值

LOOPnext

;輸出個數(shù)未到跳轉(zhuǎn)

MOVAH,4CH ;返回DOS INT21H ;子程delay（略）code ENDS ENDstart

例子：利用上頁連線圖，編程輸出一幅度為4V的鋸齒波。參考電壓為-5V。tVo4V0V4V0VVot實際輸出的波形圖7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832與微機的連接2)雙緩沖工作方式輸入寄存器工作于受控狀態(tài)DAC寄存器工作于受控狀態(tài)7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC0832DAC0832與微機的連接2)雙緩沖工作方式輸入寄存器工作于受控狀態(tài)DAC寄存器工作于受控狀態(tài);轉(zhuǎn)換一個數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data

;取數(shù)字量MOVDX，port1OUTDX,AL

;打開第一級鎖存MOVDX,port2OUTDX,AL

;打開第二級鎖存7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器1.DAC08328位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFB0011DAC0832與微機的連接2)雙緩沖工作方式當要求多個模擬量同時輸出時，可采用雙重緩沖方式。code

SEGMENTASSUMECS:code,DS:codedatav1DB11h,12h,13h,14h,15h,16h,17h,18h,19h,1Ahdatav2DB21h,22h,23h,24h,25h,26h,27h,28h,29h,2Ahstart:MOVAX,code MOVDS,AXLEASI,data_v1 LEABX,data_v2 MOVCX,10next: MOVAL,[SI];取V1的數(shù)據(jù)

OUTport1,AL

;打開第一片0832第一級鎖存

MOVAL,[BX];取V2的數(shù)據(jù)

OUTport2,AL;打開第二片0832第一級鎖存

OUTport3,AL

;打開兩片0832的第二級鎖存

INCSI INCBX LOOPnext MOVAH,4CH INT21Hcode ENDS

END

start例子：利用上頁的接線方式，將datav1和datav2處的兩組數(shù)據(jù)，一一對應轉(zhuǎn)換成模擬量同時輸出。7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器2.DAC1210特點：12位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片；具有三個獨立尋址的寄存器組成兩級緩沖器；芯片內(nèi)有T型電阻網(wǎng)絡；電流穩(wěn)定時間1us，屬于中速；單一電源供電（+5V～+15V）；低功耗，20mW。和DAC0832類似。CSWR1AGNDDI5DI4DI3DI2DI1DI0VREFRFBDGNDIOUT1IOUT2DI6DI7DI8DI9DI10DI11XFERWR2BYTE1/BYTE2VCC123456789101112242322212019181716151413DAC12107.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器2.DAC1210DAC1210的架構(gòu)框圖三個獨立尋址的寄存器組成兩級緩沖器。第一級為8位輸入寄存器和4位輸入寄存器組成，可直接從8位或12位數(shù)據(jù)總線取數(shù)。第二級為12位并行D/A寄存器。7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器2.DAC1210DAC1210的架構(gòu)框圖LE1端由CS，WR1,BYTE1/BYTE2控制。LE2端由CS，WR1

控制。LE3端由WR2和XFER控制。當BYTE1/BYTE2為高電平時，12位數(shù)據(jù)同時存入第一級的兩個輸入寄存器。反之，當該信號為低電平時，只將低4位數(shù)據(jù)存入4位輸入寄存器。7.4單片集成D/A轉(zhuǎn)換器2.DAC1210DAC1210的典型接線方式與微機的16位總線連接7.4單片集成D/A