D/A转换接口改为单片机应用实例

D/A转换接口技术的主要内容是合理选择D/A转换器和其他有关器件，实现与微机的正确连接以及编制转换程序。

1.概述

（1）D/A转换器 单片机是数字设备，其内部信息只能以数字形式存储、传递和处理，而外部被控系统需要的控制信息大多是连续变化的模拟量电信号，因此为实现单片机对外部被控对象的控制和调整，需接D/A转换器。D/A转换器是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件。在单片机测控系统中经常采用的是D/A转换器的集成电路芯片，称为D/A接口芯片或DAC芯片。

（2）D/A电路原理及性能 实现D/A转换的方法比较多，这里仅举两种方法，简单地介绍D/A转换的过程。

1）权电阻D/A转换法。权电阻D/A转换电路实质上是一个反相求和放大器，图10-14所示是权电阻4位二进制D/A转换的典型电路。电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器组成。

图10-14 权电阻4位二进制D/A转换的典型电路

权电阻的阻值按8∶4∶2∶1的比例配置（即按二进制的权配置），显然，放大器的输入各项电流是、、、，其中V_R为基准电压。各项电流的通断由输入二进制各位通过位切换开关控制，这些电流值符合二进制位关系。经运算放大器反相求和，其输出的模拟量与二进制数据d₃、d₂、d₁、d₀成比例：

式中 d₃、d₂、d₁、d₀——输入二进制的响应位，其取值为0时表示切换开关断，该位无电流输入；当取值为1时，表示切换开关和上，该位有电流输入。

选用不同的权电阻网络，可以得到不同编码数的D/A转换器。

在输入的二进制位数比较多的情况下，权电阻的阻值分散性较大，给生产带来困难，同时也影响精度，尤其是最小值的权电阻对精度影响最大。所以权电阻D/A转换器一般是不用的。

2）R-2R T型电阻电网络D/A转换器。实际应用的D/A转换器普遍采用R-2R T型电阻网络，一个运算放大器和一个反馈电阻R_F组成。这种转换方法与上述权电阻D/A转换器的主要区别在于电阻求和网络的结构不同，它采用了分流原理实现对输入位数字量的转换。

T型网络D/A转换器原理如图10-15所示。图中无论从哪个R-2R的节点向上或向下看，等效电阻都是R；从d₃、d₂、d₁、d₀看进去等效电阻都是3R。所以从每一开关流入的电流I可以看作相等，即。这样由开关d₃、d₂、d₁、d₀流入的电流I经过T型电阻网络的分流，实际进入运算放大器输入端的电流依次为、、、。设d₃、d₂、d1、d0为输入的二进制数字量，于是输出的电压值为：

式中 d₃、d₂、d₁、d₀——的取值为0或1，0表示切换开关与地相连，1表示切换开关与参考电压V_R接通，该位有电流输入。这就完成了由二进制数到模拟量电压信号的转换。

由此可见，D/A转换器是提供电流的器件，所以在D/A输出端加运算放大器对电流信号放大才能转换成模拟电压信号。

D/A的输出电压不仅与二进制数码有关，而且与运算放大器的反馈电阻R_F、基准电压V_R有关，当调节D/A满刻度及输出范围时，往往要调整这两个参数。

D/A转换器从输入二进制数到转换成模拟量电压输出，需要经历一定的过程，这就是D/A转换的时间，一般在几微秒左右。计算机的运行速度很快，其输出信号一般只停留数微秒，所以无论什么类型的D/A转换器，都必须在接口中设置锁存器，使短暂的输出信号锁存，为D/A转换器提供足够时间、稳定的数字信号。

图10-15 T型网络D/A转换器原理图

不带锁存器的D/A转换器必须通过数据锁存器与CPU相连。DAC0808和DAC0832都属于R-2R T型电阻网络的8位D/A转换器，其精度均是8位，电流稳定时间为1μs，为电流输出型；DAC0808的数字量输入端不带锁存器，而DAC0832片内带数字输入锁存器。

（3）D/A转换器的性能指标

1）分辨率是指D/A接口芯片能分辨的最小输出模拟增量。输入数量发生单位数码变化时，即LSB（最低有效位）产生一次变化时，所对应输出的模拟量的变化量。对于线性D/A转换器来说，其分辨率Δ与数字量的位数n的关系：

在实际使用中，表示分辨率高低更常用的方法是采用输入量的位数，如满量程10V的8位DAC芯片的分辨率为8位。

2）转换精度指满量程时DAC的实际模拟输出量与理论值的接近程度，与D/A转换芯片的结构和接口配置电路有关。通常，DAC的转换精度为分辨率的一半。

3）失调误差是指输入数字量为零时，模拟输出量与理想输出量的偏差。偏差值的大小一般用LSB的份数或用偏差值表示。

（4）D/A转换器的选择要点

1）输入信号的形式：输入信号有并行和串行两种形式，根据实际要求选定。在实际应用中大多数为并行输入。串行输入节省数据线，但速度较慢，适用于远距离数据传输。

2）分辨率和转换精度：根据对输出模拟量的精度要求，来确定A/D转换器的分辨率和转换精度。常用的分辨率有8位、10位和12位。在精度指标方面，零点误差和满量程误差可以通过电路调整进行补偿，因此主要看芯片的非线性误差和微分非线性误差。

3）建立时间：D/A转换器的电流建立时间很短，一般为50～500ns。若是输出电压形式，加上运算放大器电路，电压建立时间一般为1μs到几μs，一般都能满足系统要求。

4）转换结果的输出形式：转换结果的输出形式有电流或电压，有单极性或双极性，有不同量程，还有多通道输出方式。这可根据应用系统对模拟量形式的实际要求来确定。

2.D/A转换典型芯片——DAC0832芯片

DAC0832是与微处理器完全兼容的，具有8位分辨率的D/A转换集成芯片，以其价廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。

（1）DAC0832的结构与应用特性

1）DAC0832的结构与引脚功能。DAC0830系列产品包括DAC0830、DAC0831、DAC0832，它们可以完全相互代换。其逻辑结构及引脚号如图10-16所示。它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成，为20脚双列直插式封装结构。8位输入寄存器用于存放CPU送来的数字量，使输入的数字量得到缓冲和锁存，由控制。8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由控制。8位D/A转换电路由T型电阻网络和电子开关组成，电子开关受8位DAC寄存器输出控制，T型电阻网络可以输出与数字量成正比的模拟电流。

图10-16 DAC0832内部结构图

各引脚的功能如下：

DI0～DI7：8位数据输入端常和CPU的数据总线相连，用于输入CPU送来的待转换的数字量，DI 7为最高位。

ILE：数据允许锁存信号引脚，高电平有效。

：输入寄存器选择信号引脚，低电平有效。

：输入寄存器写选通信号，输入寄存器的锁存信号LE1由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生，为高电平时，输入寄存器状态随输入数据线变化，

的负跳变将输入数据锁存。

：传送控制输入线，低电平有效。

：DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的锁存信号LE2由WR2和XFER的逻辑组合而成，为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，负跳变时，输入寄存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

V_REF：参考电压输入端，一般在-10～10V，由稳压电源提供。(www.xing528.com)

R_fb：运算放大器反馈信号输入端，通常接到运算放大器输出端。

I_out1、Iout2：电流输出端，其值随DAC内容线性变化，I_out1+I_out2=常数。为保证额定负载下输出电流的线形度，I_out1、I_out2引脚上的电位尽量接近地电平。因此I_out1、I_out2通常接运算放大器输入端。

V_CC：电源输入端，可在5～15V范围内。

AGND：模拟地。

DGND：数字地。通常上两种地线接在一起。

2）DAC0832芯片的应用特性。

①DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器芯片，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制，故这种芯片有许多控制引脚，可以和微处理器的控制线相连，接受微处理器的控制，如ILE、、、和端。

②有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。

③DAC0832内部无参考电压，需外接参考电压电路。

④DAC0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。图10-17所示为两级运算放大器组成的模拟电压输出电路。从a端输出为单极性模拟电压，如参考电压V_REF=+5V，输出电压为-5V～0；从b端输出为双极性模拟电压，为±5V。

图10-17 DAC0832的模拟电压输出电路

对于单极性输出电路，输出电压的表达式为：

式中 B——输入数字量的十进制数；

V_REF——参考电压（V）。

显然，参考电压V_REF=+5V，当B=0～255（输入数字量为00H～0FFH）时，V_OUT=0～4.98V。通过调节运算放大器的调零电位器，可以对D/A芯片进行零点补偿。通过调节外接于反馈回路的电位器，可以调整满量程。

对于双极性输出电路，输出电压的表达式为：

双极性输出电压与输入数字量的关系见表10-9。

表10-9 双极性输出电压与输入数字量的关系

（续）

3）DAC0832主要性能指标如下。

分辨率 8位

输出电流稳定时间 1μs

非线件误差 0.20%FSR

温度系数 2×10^-6/℃

工作方式 直通、单缓冲和双缓冲

逻辑输入 与TTL电平兼容

功耗 20mW

电源 -15V～+5

（2）DAC0832和MCS-51系列单片机的接口方式DAC0832和MCS-51系列单片机有三种基本的接口方式：直通方式、单缓冲器方式和双缓冲器同步方式。

1）直通方式接口。DAC0832内部有两个起数据缓冲器作用的寄存器，分别受和控制。如果使和皆为高电平，那么DI0～DI7上的信号可直通到达8位DAC寄存器，进行D/A转换，即ILE接+5V，、、和接地。此方式常用于不带微机的控制系统。

2）单缓冲器方式接口。若应用系统中只有一路D/A转换或虽然是多路转换，但并不要求同步输出时，则采用单缓冲器方式接口，如图10-18所示，ILE接+5V，寄存器选择信号线及数据传送信号线都与地址选择线P2.7相连，两级寄存器的写信号都由AT89S51的端控制输入锁存器，DAC寄存器地址都可选为7FFFH。写信号WR1、WR2都和AT89S51的写信号WR相连，当地址线选择好0832后，只要输出控制信号，0832就能一步完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。

由于DAC0832具有数字量的输入锁存功能，故数字量可以直接从P0接口送入。

执行下面几个指令就能完成一次D/A转换。

例如 按图10-18所示的AT89C51与DAC0832单缓冲方式接口电路，编写程序，在运算放大器输出端输出一个三角波电压。

图10-18 DAC0832单缓冲方式接口电路

3）双缓冲器同步方式接口。对于多路D/A转换接口，要求同步进行D/A转换输出时，必须采用双缓冲器同步方式接口。0832采用这种接口时，数字量的输入锁存和D/A转换输出分两步完成，即CPU的数据总线分时地向各路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，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，实现同步转换输出。

图10-19所示是DAC0832双缓冲方式二路同步输出的D/A转换接口电路。P2.5和P2.6分别选择两路D/A转换器的输入寄存器，控制输入锁存；P2.7连到两路D/A转换器的端控制同步转换输出；AT89S51的端与所有的和端相连，在执行MOVX输出指令时，AT89S51自动输出WR控制信号。

执行下面8条指令就能完成D/A的同步转换输出。