数据采集与处理技术07

1第7章数/模转换器7.1D/A转换器的分类和组成7.2D/A转换器的主要技术指标7.3并行D/A转换器7.4单片集成D/A转换器7.5D/A转换器接口的隔离7.6

D/A转换器与微机的接口7.1D/A转换器的分类和组成数/模转换器：一种将数字量转换成模拟量的器件，简称D/A转换器或DAC。作用：是数字控制系统中的关键器件，用来把微处理器输出的数字信号转换为电压或电流等模拟信号，并送入执行机构进行控制和调节。D/A转换的基本原理要将数字量D转换为模拟量A，需要一个模拟参考量R

，使得A=DR。若max{A}=R，则0≤D≤1，即数字量D是一个不大于1的n进制数。自然，这里的D是二进制数：D=a12－1+a22－2+…+an2－n,ai∈(0,1)7.1D/A转换器的分类和组成D/A转换的基本原理注意，A虽是模拟量，但并不能取任意值，而只能根据输入量D得到某些特定值.。ADOLSBD/A转换特性MSB7.1D/A转换器的分类和组成D/A转换器的分类：并行D/A转换器：转换器的位数与输入数码的位数相同，对应数码的每一位都有输入端。串行D/A转换器：只有一个输入端，数码一位一位依次串行输入。

7.1D/A转换器的分类和组成并行D/A转换器S1S2SnUREF基准电压电阻网络2-1a12-2a22-nan输入并行数字量RFUo_+A……并行D/A转换器机构框图模拟开关电阻网络将基准电压转变为相应的电流或电压，在运算放大器输入端进行总加。其中，ai是1还是0取决于输入数字量第i位上的逻辑。并行D/A转换器的特点：转换速度很快，只要在输入端加入数字信号，输出端立即有相应的模拟电压输出。转换速度与模拟开关的通断速度、电阻网络的寄生电抗和运算放大器的输出频率有关，但主要取决于后者。7.1D/A转换器的分类和组成D/A转换器的基本组成电阻网络基准电源转换器的精度直接与电阻的精度有关。在某些D/A转换网络中，转换精度只决定于电阻的比值，与电阻的绝对值关系不大。在某段时间里或环境条件变化的情况下，保持电阻比值的恒定比保持电阻本身数值的恒定要容易得多。基准电源的精度直接影响D/A转换器的精度。如果要求D/A转换器的精度到满量程的±0.05%，则基准电源精度至少要满足±0.01%的要求。基准电源要求噪声低、纹波小、内阻低。有时还要求有一定的负载能力。7.1D/A转换器的分类和组成D/A转换器的基本组成模拟切换开关运算放大器要求断开时电阻无限大，导通时电阻非常小，即要求很高的电阻断通比值。力求减小开关的饱和压降、泄漏电流以及导通电阻对网络输出电压的影响。运算放大器的作用：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。如果要求D/A转换器精确到满量程的±0.05%，则要求运放本身的电压输出至少稳定在满量程的±0.01%以内。7.2D/A转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率：最小输出电压与最大输出电压之比。D/A转换器的分辨率与位数有关。位数越多，分辨率就越高。位数分辨率8101214161/2551/10231/40951/163831/655357.2D/A转换器的主要技术指标2.精度绝对精度：输入满量程数字量时，D/A转换器实际输出值与理论输出值之差。相对精度：绝对精度与额定满量程输出值的比值。绝对精度一般应小于±LSB/2。相对精度表示方法：用偏差多少LSB来表示；用该偏差相对满量程的百分数来表示。7.2D/A转换器的主要技术指标3.线性误差线性误差：D/A转换器的转换特性曲线与理想特性之间的最大偏差。理想转换特性是在零点及满量程校准以后建立的。AD0数字量输入模拟量输出满量程偏差理想特性通常要求线性误差小于LSB/2。线性误差是温度的函数。7.2D/A转换器的主要技术指标4.建立时间建立时间：D/A转换器的输入数码满量程变化时，其输出模拟量稳定到最终值±LSB/2范围所需的时间。建立时间反映D/A转换从一个稳态值向另一个稳态值过渡的时间长短。根据建立时间，可以计算出D/A转换器每秒最大的转换次数。7.2D/A转换器的主要技术指标4.建立时间建立时间：D/A转换器的输入数码满量程变化时，其输出模拟量稳定到最终值±LSB/2范围所需的时间。建立时间的长短取决于所采用的电路和使用的元件。不同型号的D/A转换器，其建立时间一般从几十纳秒至几微秒。输出形式若是电流，建立时间很短，输出形式若是电压，建立时间主要取决于运算放大器的响应时间。7.2D/A转换器的主要技术指标5.单调性单调性：D/A当输入数码增加时，D/A转换器的输出模拟量也增加或至少保持不变。6.温度系数温度系数：D/A在满量程输出条件下，温度每升高1℃，输出变化的百分数。由于温度的变化，而引起的增益、线性度、零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系数、线性度温度系数、零点温度系数、偏移温度系数。7.2D/A转换器的主要技术指标7.电源抑制比电源抑制比：满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比。8.输出电平不同型号的D/A转换器输出电平相差较大，一般为5V~10V，有的高达24V~30V。还有电流输出型的D/A转换器，输出低的为几mA~几十mA，高的可达3A。9.输入代码有二进制、BCD码、偏移二进制码、二进制补码等。7.2D/A转换器的主要技术指标10.输入数字电平输入数字电平：输入数码分别为“1”和“0”时，所对应的输入高低电平的数码数值。例如，AD7541的输入数字电平：UIH>2.4V，UIL<0.8V11.工作温度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，才能保证额定精度指标。较好的转换器工作温度范围在-40℃~85℃之间，较差的转换器的工作温度范围在0℃~70℃之间。K02-3RK12-2RK22-1RK320R2-1a12-2a22-3a32-4a4UREFRFUO+_A四位权电阻D/A转换器工作原理7.3并行D/A转换器1.权电阻D/A转换器先把输入的数字量转换为对应的模拟电流量，然后再把模拟电流转换为模拟电压输出。基准电压输入数字量模拟开关权电阻求和放大器模拟电子开关受二进制数字量各位状态的控制，当相应的二进制位为“0”时，开关接地；为“1”时，开关接基准电压UREF。权电阻的电阻值与对应位的权成反比。位权越大电阻值越小，开关接通基准电压时，通过电阻的电流就越大，以保证一定权的数字信号产生相应的模拟电流。7.3并行D/A转换器1.权电阻D/A转换器K02-3RK12-2RK22-1RK320R2-1a12-2a22-3a32-4a4UREFRFUO+_A四位权电阻D/A转换器工作原理相应支路的电流：总的电流：输出电压：令RF=R/2n7.3并行D/A转换器1.权电阻D/A转换器K02-3RK12-2RK22-1RK320R2-1a12-2a22-3a32-4a4UREFRFUO+_A四位权电阻D/A转换器工作原理

当输入数码D=0时，

UO=0

当输入数码D=111…1时，

UO=-(2n-1)UREF/2n缺陷：权电阻网络中各个电阻的阻值相差太大，而为了保证输出电压的精度，又要求电阻值很精确，这给制造芯片带来困难。7.3并行D/A转换器2.T型电阻D/A转换器UREFRFUO+_AK02RK1RK2K32-1a12-2a22-3a32-4a4四位T型电阻D/A转换器的结构2R2R2R2RRRT型电阻网络是由相同的电路环节所组成，每一环节有两个电阻和一个模拟电子开关，相当于二进制的一位，开关由该位的数字代码控制。虚地开关在运算放大器电流求和点虚地与地之间进行切换，切换时开关端点的电压几乎没有变化。各支路2R电阻下端电位始终是地电位。7.3并行D/A转换器2.T型电阻D/A转换器UREF2RRT型电阻网络的等效电阻2R2R2R2RRRabcdI1I2I3I4ⅢⅡⅠ以III，II，I为界面向右看的等效电阻阻值均为R。7.3并行D/A转换器2.T型电阻D/A转换器UREFRFUO+_AK02RK1RK2K32-1a12-2a22-3a32-4a42R2R2R2RRRI当某位二进制数为“1”时，该支路电流流入放大器的虚地端，所以流入求和放大器的总电流为：RF=R7.3并行D/A转换器2.T型电阻D/A转换器UREFRFUO+_AK02RK1RK2K32-1a12-2a22-3a32-4a42R2R2R2RRRI对于n位的T型网络，则输出模拟电压为：输出的模拟电压正比于输入的数字量。T型电阻D/A转换器的突出特点：开关切换时开关端点的电压几乎没有变化，从根本上消除尖峰脉冲的产生；不论输入数字量的各位是“0”还是“1”，对应支路电流的大小不变，进一步提高了转换速度。是目前D/A转换器中速度最快的一种。7.3并行D/A转换器3.具有双极性输出的D/A转换器在实际应用中，有些场合需要D/A转换器输出电压是双极性的。输入数码是偏移二进制码或补码。偏移二进制码补码对应的十进制数所要求的输出电压(V)111110101100011010001000011010001000111110101100+3+2+10-1-2-3-4+3+2+10-1-2-3-4偏移二进制码、补码输入时所要求的输出电压偏移二进制码与补码只在符号位相反。7.3并行D/A转换器3.具有双极性输出的D/A转换器K020RK121RK222RK323R2-1a12-2a22-3a32-4a4UREFR/2UO+_A四位权电阻D/A转换器工作原理具有双极性输出的D/A转换器UFRF偏移电压UF与电阻RF需满足：如果输入是偏移二进制码，则右边电路即可实现双极性输出；如果输入是补码，则只要将符号位a1经过一级反相器再输入即可。或者由计算机用程序取反。7.4单片集成D/A转换器D/A转换器芯片的分类按照转换速度分：高、中、低按照位数分：8位，10，12位，14位，16位，…按照输入形式分：并行输入、串行输入按照包含模块的多少分：只含电阻网络和模拟开关；包含电阻网络、模拟开关和基准电源；包含电阻网络、模拟开关、基准电源和运算放大器。7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832特点：8分辨率的D/A转换集成芯片；具有两个输入数据寄存器，与微处理器完全兼容；芯片内有T型电阻网络；价格低廉、接口简单、转换控制容易；电流稳定时间1us，属于中速；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，20mW。7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832结构框图DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号XFER。因为有两级锁存器，因此可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832结构框图8位D/A转换器主要由R，2R组成的T型电阻网络和模拟切换开关组成，并且芯片内集成了一个求和反馈电阻R。芯片的输出是电流形式，需要外接一个运算放大器，将电流转化为电压：7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832结构框图VCC：芯片电源电压,+5V～+15VVREF：参考电压,

-10V～+10VRFB：反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端AGND：模拟信号地DGND：数字信号地DI7~DI0：数字量输入信号ILE：输入锁存允许信号,高电平有效CS：片选信号,低电平有效WR1：写信号1，低电平有效当ILE、CS、WR1同时有效时,LE=1，输入寄存器的输出随输入而变化。当WR1

时，LE=0，将输入数据锁存到输入寄存器。7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832结构框图XFER：控制转移信号,低电平有效WR2：写信号2，低电平有效IOUT1：模拟电流输出端1

当输入数字为全“1”时，输出电流最大，约为：

全“0”时，输出电流为0。IOUT2：模拟电流输出端2当XFER、WR2同时有效时,LE=1，DAC寄存器输出随输入变化。当WR2

时,LE=0，将输入数据锁存到DAC寄存器。数据进入D/A转换器，开始D/A转换。7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832的典型接线方式DATABUSCSWR1&WR2XFERILE接逻辑“1”7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832的典型接线方式7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832的典型接线方式双极性输出7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832的典型接线方式程控放大器RFBVOUT+_A程控电阻网络VIN7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832与微机的连接1)单缓冲工作方式一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态

2)双缓冲工作方式两个寄存器均工作于受控锁存器状态，3)直通工作方式在不要求多相D/A同时输出时，可以采用单缓冲方式，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。当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832与微机的连接1)单缓冲工作方式输入寄存器工作于受控状态DAC寄存器工作于直通状态7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832与微机的连接1)单缓冲工作方式输入寄存器工作于直通状态DAC寄存器工作于受控状态7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832与微机的连接1)单缓冲工作方式;转换一个数据的程序段：MOVAL,data;取数字量MOVDX,portOUTDX,ALPC总线I/O写时序A15~A0CLKIOWT4T1T2T3TwD7~D0portcode SEGMENT

ASSUMECS:codestart: MOVCX,8000H ;波形个数

MOVAL,0 ;锯齿谷值next: MOVDX,port ;打开锁存

OUTDX,AL CALLdelay

;控制锯齿波的周期

INCAL ;修改输出值

CMPAL,0CEH

;比较是否到锯齿峰值，0CEH对应4V JNZnext ;未到跳转

MOVAL,0 ;重置锯齿谷值

LOOPnext

;输出个数未到跳转

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

例子：利用上页连线图，编程输出一幅度为4V的锯齿波。参考电压为-5V。tVo4V0V4V0VVot实际输出的波形图7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832与微机的连接2)双缓冲工作方式输入寄存器工作于受控状态DAC寄存器工作于受控状态7.4单片集成D/A转换器1.DAC0832DAC0832与微机的连接2)双缓冲工作方式输入寄存器工作于受控状态DAC寄存器工作于受控状态;转换一个数据的程序段：MOVAL,data

;取数字量MOVDX，port1OUTDX,AL

;打开第一级锁存MOVDX,port2OUTDX,AL

;打开第二级锁存7.4单片集成D/A转换器1.DAC08328位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&&&8位输入寄存器RFB0011DAC0832与微机的连接2)双缓冲工作方式当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。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的数据

OUTport1,AL

;打开第一片0832第一级锁存

MOVAL,[BX];取V2的数据

OUTport2,AL;打开第二片0832第一级锁存

OUTport3,AL

;打开两片0832的第二级锁存

INCSI INCBX LOOPnext MOVAH,4CH INT21Hcode ENDS

END

start例子：利用上页的接线方式，将datav1和datav2处的两组数据，一一对应转换成模拟量同时输出。7.4单片集成D/A转换器2.DAC1210特点：12位分辨率的D/A转换集成芯片；具有三个独立寻址的寄存器组成两级缓冲器；芯片内有T型电阻网络；电流稳定时间1us，属于中速；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，20mW。和DAC0832类似。CSWR1AGNDDI5DI4DI3DI2DI1DI0VREFRFBDGNDIOUT1IOUT2DI6DI7DI8DI9DI10DI11XFERWR2BYTE1/BYTE2VCC123456789101112242322212019181716151413DAC12107.4单片集成D/A转换器2.DAC1210DAC1210的架构框图三个独立寻址的寄存器组成两级缓冲器。第一级为8位输入寄存器和4位输入寄存器组成，可直接从8位或12位数据总线取数。第二级为12位并行D/A寄存器。7.4单片集成D/A转换器2.DAC1210DAC1210的架构框图LE1端由CS，WR1,BYTE1/BYTE2控制。LE2端由CS，WR1

控制。LE3端由WR2和XFER控制。当BYTE1/BYTE2为高电平时，12位数据同时存入第一级的两个输入寄存器。反之，当该信号为低电平时，只将低4位数据存入4位输入寄存器。7.4单片集成D/A转换器2.DAC1210DAC1210的典型接线方式与微机的16位总线连接7.4单片集成D/A