单片机与D/A转换器芯片接口技术

单片机应用系统中很多控制对象都是通过模拟量进行控制，而单片机直接输出的信号是数字信号，因此，输出的数字信号必须经过D/A转换器转换成模拟信号后，才能送给控制对象进行控制。D/A转换器实现将数字量转换成模拟量。本节就介绍D/A转换器与单片机的接口问题。

8.2.3.1　D/A转换器概述

目前D/A转换器芯片品种繁多、性能各异。按输入数字量的位数，可分为8位、10位、12位和16位等；按输入的数码，可分为二进制方式和BCD码方式；按传送数字量的方式，可分为并行和串行方式；按输出形式，可分为电流输出型和电压输出型，电压输出型又有分为单极性和双极性之分；按与单片机的接口，可分为带输入锁在器和不带输入锁存器。设计者只需要合理的选用合适的芯片，了解它们的功能、引脚外特性以及与单片机的接口设计方法即可。由于现在部分的单片机芯片中集成了D/A转换器，位数一般在10位左右，且转换速度也很快，所以单片的D/A开始向高的位数和高转换速度上转变。低端的产品，如8位的D/A转换器，开始面临被淘汰的危险，但是在实验室或涉及某些工业控制方面的应用，低端的8位DAC以其优异性价比还是具有相当大的应用空间的。目前常见的并行8位D/A转换器为DAC0832。当8位分辨率不够时，可以采用高于8位分辨率的D/A，例如，并行10位、12位、14位、16位的D/A。为了节省成本，也可采用I2 C或SPI串行口的D/A转换器，如AD7543。

8.2.3.2　主要技术指标

D/A转换器的指标很多，使用者最关心的几个指标如下。

1.分辨率

指单片机输入给D/A转换器的单位数字量的变化，所引起的模拟量输出的变化，通常定义为输出满刻度值与2n之比（n为D/A转换器的二进制位数）。习惯上用输入数字量的二进制位数表示。位数越多，分辨率越高，即D/A转换器对输入量变化的敏感程度越高。例如，8位的D/A转换器，若满量程输出为10V，根据分辨率定义，则分辨率为10V/2n，分辨率为：10V/256=39.1m V，即输入的二进制数最低位的变化可引起输出的模拟电压变化39.1mV，该值占满量程的0.391%，常用符号1LSB表示。同理，10位D/A转换1LSB=9.77m V=0.1%满量程，12位D/A转换1LSB=2.44m V=0.024%满量程，16位D/A转换1LSB=0.076m V=0.00076%满量程。实际使用时，应根据对D/A转换器分辨率的需要来选定D/A转换器的位数。

2.建立时间

描述D/A转换器转换快慢的一个参数，用于表明转换时间或转换速度。其值为从输入数字量到输出达到终值误差±（1/2）LSB时所需的时间。电流输出的转换时间较短，而电压输出的转换器，由于要加上完成I-V转换的运算放大器的延迟时间，因此转换时间要长一些。快速D/A转换器的转换时间可控制在1μs以下。

3.转换精度

理想情况下，转换精度与分辨率基本一致，位数越多精度越高。但由于电源电压、基准电压、电阻、制造工艺等各种因素存在着误差。严格讲，转换精度与分辨率并不完全一致。只要位数相同，分辨率则相同，但相同位数的不同转换器转换精度会有所不同。例如，某种型号的8位DAC精度为±0.19%，而另一种型号的8位DAC精度为±0.05%。

8.2.3.3　MCS-51与DAC0832的接口

1.D/A转换芯片DAC0832简介

DAC0832是CMOS工艺制造的8位单片D/A转换器，芯片采用的是双列直插封装结构，是一种电流型D/A转换器，数字输入端具有双重缓冲功能，可以双缓冲、单缓冲或直通方式输入，它的外部引脚和内部结构如图8-30所示。

（1）引脚功能。DAC0832有20个引脚及其功能分别如下：

1）DI0～DI7（DI0为最低位）：8位数字量输入端。

2）ILE：数据允许控制输入线，高电平有效。

3）：片选信号。

4）：为写信号线1；为写信号线2。

5）：数据传送控制信号输入线，低电平有效。

图8-30　DAC0832外部引脚和内部结构图

6）IOUT1和IOUT2：IOUT1为模拟电流输出线1，它是数字量输入为“1”的模拟电流输出端；IOUT2为模拟电流输出线2，它是数字量输入为“0”的模拟电流输出端，采用单极性输出时，IOUT2常常接地。

7）RFB：片内反馈电阻引出线，反馈电阻制作在芯片内部，用作外接运算放大器的反馈电阻。

8）VREF和VCC：VREF为基准电压输入线，电压范围为-10V～+10V；VCC为工作电源输入端，可接+5V～+15V电源。

9）AGND和DGND：AGND为 模 拟 地；DGND 为 数 字 地。

在图8-30（b）所示的内部结构图中，“8位输入寄存器”用于存放单片机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由加以控制；“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”受“8位DAC寄存器”输出的数字量控制，能输出和数字量成正比的模拟电流。因此，需外接I-V转换的运算放大器电路，才能得到模拟输出电压。为内部两个寄存器的输入锁存端。其中由ILE、CS、确定，确定：①当时，8位输入寄存器的输出跟随输入变化；当时，数据锁存在输入寄存器中，不再变化。②当时，8位DAC寄存器的输出跟随输入变化；当时，数据锁存在DAC寄存器中，不再变化。

DAC0832可与所有的单片机或微处理器直接相连，也可单独使用。电流稳定时间为1μs、20m W低功耗，逻辑电平输入与TTL兼容。

2.DAC0832的工作方式

DAC0832有3种方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。

（1）直通方式。当引脚直接接地，ILE接电源时，DAC0832工作于直通方式。此时，8位输入寄存器和8位DAC寄存器都直接处于导通状态，8位数字量到达DI0～DI7，就立即进行D/A_转换，从输出端得到转换的模拟量。

（2）单缓冲方式。当连接引脚时，使得两个锁存器的一个处于直通状态，另一个处于受控制状态，或者两个被控制同时导通，DAC0832就工作于单缓冲方式，如图8-31（a）所示的是一种单缓冲方式的连接图。DAC0832是电流型D/A转换电路，输入数字量，输出模拟量，通过运算放大器将电流信号转换成单端电压信号输出。由于输出的模拟信号极易受到电源和数字信号的干扰而发生波动，因此为提高模拟信号的精度，一方面将“数字地”（DGND）和“模拟地”（AGND）分开（各自独立）；另一方面采用了高精度的VREF基准电源与“模拟地”配合使用。

图8-31　DAC0832的两种工作方式连接图

（3）双缓冲方式。多路的D/A转换要求同步输出时，必须采用双缓冲同步方式。此方式工作时，数字量的输入锁存和D/A转换输出城分两步分开控制导通8位输入锁存器和8位DAC寄存器。单片机必须通过来锁存待转换的数字量，通过来启动D/A转换。第1步使8位输入锁存器导通，将8位数字量写入8位输入锁存器中；第2步使8位DAC寄存器导通，8位数字量从8位输入锁存器送入8位DAC寄存器。第2步使DAC寄存器导通，在数据输入端写入的数据无意义。双缓冲方式下，DAC0832应该为单片机提供两个I/O端口。图8-31（b）为一种双缓冲方式的连接。

3.DAC0832的输出方式

DAC0830为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外接一个运算放大器。DAC0832的输出方式有单极性、双极性两种模拟电压输出。

（1）单极性模拟电压输出。如果参考电压为+5V，则当数字量D从00H至FFH变化时，对应的模拟电压VO的输出范围是0～5V，典型的单极性电压输出电路如图8-32（a）所示，由运算放大器进行电流—电压转换，使用芯片内部的反馈电阻。输出电压VO与输入数字D的关系为：VO=D/256×VREF

假设输入数字量D=0～255，基准电压VREF=+5V。(www.xing528.com)

当D=FFH=255时，最大输出电压Vmax=（255/256）×5=4.98（V）。

当D=00H时，最小输出电压Vmin=（0/255）×5=0（V）。

当D=01H时，一个最低有效位（LSB）的电压VLSB=（1/256）×5=0.0195（V）。因此电压输出范围为：VO=0～V REF×255/256=0～4.98（V）。

（2）双极性模拟电压输出。如果要输出双极性电压，则需在输出端再加一级运算放大器作为偏移电路，如图8-32（b）所示。当数字量D从00H至FFH变化时，对应的模拟电压VO的输出范围是-5～+5V。有时输入待转换的数字量有正有负，因而希望D/A转换输出也是双极性的；有些控制系统中，也要求控制电压应有极性变化。若取电阻R2=R3=2R1，则输出电压VO与输入数字D的关系为：

VO=2×VREF×D/256-VREF=(D/128-1)VREF

假设输入数字量D=0～255，基准电压VREF=+5V

当D=FFH=255时，Vmax=（255/128-1）×V REF=4.96（V）；

当D=00H时，Vmin=（0/128-1）×VREF=-5（V）；

当D=128时，Vo=（128/128-1）×VREF=0（V）。因此电压输出范围为：VO=-5V～+4.96V。

图8-32　DAC0832的单极性和双极性两种接法

4.DAC0832与MCS-51型单片机的接口

MCS-51单片机与DAC0832的接口单缓冲连接电路如_图8-31（a）所示。图中，直接接地，ILE接电源，接单片机的接单片机的P2.7。只要数据写入DAC0832的8位输入锁存器，就立即开始转换，转换结果通过输出端输出。根据图8-31（a）的连接，DAC0832的端口地址为7FFFH（P2.7=0）。执行下列3条指令就可以将一个数字量转换为模拟量。

MOV DPTR，#7FFFH ；端口地址送入DPTR

MOV A，#DATA　；8位数字量送入累加器

MOVX @DPTR，A　；向锁存器写入数字量，同时启动转换

D/A转换芯片除了用于输出模拟量控制电压外，也常用于产生各种波形。

【例8-6】 根据图8-31（a）的接口电路，分别编写从DAC0832输出端产生锯齿波、三角波、方波（矩形波）的程序段。

（1）锯齿波编程。汇编语言程序为：

图8-33　DAC0832产生的锯齿波输出

当输入数字量从0开始，逐次加1进行D/A转换，模拟量与其成正比输出。当A=FFH时，再加1则溢出清0，模拟输出又为0，然后又重新重复上述过程，如此循环，输出的波形就是锯齿波，如图8-33所示。实际上，每一上升斜边要分成256个小台阶，每个小台阶暂留时间为执行后三条指令所需要的时间。因此“INC A”指令后插入NOP指令或延时程序，则可改变锯齿波频率。

C语言程序为：

（2）三角波编程。汇编语言程序为：

输出的三角波如图8-34所示。

图8-34　DAC0832产生的三角波输出

C语言程序为：

（3）方波编程。汇编语言程序为：

输出的矩形波如图8-35所示。DELAY为延时程序，它决定输出的矩形波高、低电平时的持续宽度。矩形波频率也可用延时方法来改变。

C语言程序为：

仿照上例的编程方法，只要稍加变化就可编写出其他所需的各种波形（如正弦波、阶梯波、梯形波、不同占空比的矩形波或组合波形等）。

图8-35　DAC0832产生的矩形波输出

在单片机应用系统中，如需同时输出多路模拟信号，这时的D/A转换器就必须采用双缓冲工作方式。图8-36是一个两路模拟信号同步输出的D/A转换接口电路。图中两片D/A转换器的片选端分别接在单片机的P2.5和P2.6引脚上，而是控制输入寄存器的，所以两片D/A转换器的输入寄存器地址为0DFFFH（P2.5=0）和0BFFFH（P2.6=0）。而这两片D/A转换器的DAC寄存器的控制端口都接在单片机的P2.7上，所以它们的共同编址为7FFFH。

【例8-7】 设硬件接口电路如图8-36所示，设两片0832转换器的模拟输出分别用于示波器的X、Y偏转，试编程实现示波器上的光点根据参数X、Y的值同步移动。

图8-36　两路0832与单片机的接口电路

汇编程序如下：

C语言编程如下：