第10章 DA转换实战—模拟量输出电路与软件设计

当需要多路模拟量同时输出工作时，DAC可以工作在双 缓冲模式。工作于双缓冲模式时，可以同时使用n个 DAC0832作为模拟信号同步输出。 如图所示为DAC0832双缓冲工作方式的电路图，两个 DAC0832的片选信号由P0.3和P2.6分别控制。工作时， 先将要输出的数据分别输入两个DAC0832的输入寄存器， 然后通过~XFER传送命令，使两个输入寄存器的数据被 同时送入DAC寄存器中，由DAC转换电路进行转换，在各 输出端就能获得同步的模拟信号。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.3.3 DAC7614的双端工作模式

如图所示为DAC7614的双端工作方式，VDD的供电为+5V，VSS的供电为-5V。 VREFL和VREFH参考电压输入分别为-2.5V和+2.5V，因此DAC7614的模拟输出范 围为-2.5V～+2.5V。
技术凝聚实力 专业创新出版
技术凝聚实力 专业创新出版
10.3 串行接口DAC7614数模转换器电路设计



DAC7614是BB公司（目前属于TI公司）生产的一款高性 能，四通道，12位精度，电压输出型D/A转换芯片，通 过串行接口即可通过DAC7614输出4路 独立的模拟量信 号。由于DAC7614是电压输出型的D/A转换芯片，因此其 电路设计更为简单。 DAC7614的基本技术指标如下： 超低功耗：20mW； 稳定时间：10us-0.012%； 分辨率：12bit； 工作温度：-40～+85°C；
10.2.4 DAC0832的单缓冲工作方式

DAC0832的单缓冲模式适用于只有一路模拟量输出或者几路模拟量输出不 要同步的场合，此时，将两个寄存器的（输入寄存器与DAC寄存器）的控 制信号并接，输入数据在控制信号的作用下，直接进行D/A转换，如图所 示。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.2.5 DAC0832的双缓冲工作方式
技术凝聚实力 专业创新出版
10.5.3 D/A转换程序设计

基于如图所示的电路，可以设计D/A转换的AT89S51双缓 冲程序，
技术凝聚实力 专业创新出版
10.6 三角波发生器设计

通过在AT89S51单片机系统上外扩DAC0832可以很容易地 实现一款三角波发生器，下面详细介绍实现细节。
技术凝聚实力 专业创新出版
技术凝聚实力 专业创新出版
10.5.1 AT89S51扩展DAC0832的双缓冲电路

如图10.25所示为AT89S51的DAC0832双缓冲扩展电路，电路通过AT89S51的 P1口作为DAC0832的数据输入口，分别与两片DAC0832的DI0～DI7相连， 单片机AT89S51通过引脚P0.3和P2.6与两片DAC0832的~CS引脚相连，通过 ~CS引脚对DAC0832进行片选区分两片DAC0832的操作。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.5.2 精密电压参考源AD780



为了提高D/A转换的精度，在如图10.25所示电路中采用了精密电压 参考源AD780，AD780是美国模拟器件公司（ADI）生产的一款高精 度2.5V/3.0V可选电压参考源，其性能参数如下。 参考输出：引脚可配置为2.5V/3.0V输出。 超低漂移：3ppm/°C。 超低噪声：100nV/Sqrt(HZ)。 精度：±1mV。 具备一个温度输出引脚。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.1.3 R-2R 倒T型网络D/A转换器原理

如图所示为R-2R倒T型网络D/A转换器原理图，与R-2R T 型网络D/A转换器原理类似，通过D0～D3的数字开关的 输入，形成不同大小的输入电阻，从而从运放的输出端 输出需要的模拟量。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.1.3 R-2R 倒T型网络D/A转换器原理

如图10.4所示为R-2R倒T型网络D/A转换器原理图，与R2R T型网络D/A转换器原理类似，通过D0～D3的数字开关 的输入，形成不同大小的输入电阻，从而从运放的输出 端输出需要的模拟量。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.1.4 D/A转换器的转换精度


选择D/A转换器时，需要考虑D/A转换器的主要技术指标， 下面简要介绍一下D/A转换器的技术指标，常用的D/A转 换器指标包括转换精度、转换速度和温度特性。 D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。 分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程 度。其定义为D/A转换器模拟量输出电压可能被分离的 等级数。输入数字量位数愈多，输出电压可分离的等级 愈多，即分辨率愈高。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.3.1 DAC7614的内部结构

DAC7614的内部结构如图所示，由串行移位寄存器、4个 DAC寄存器和DAC和输出跟随器组成。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.3.2 DAC7614的单端工作模式

如图所示为DAC7614的单端工作方式，DAC7614的参考电压范围由VDD和VSS决 定，VDD供电电压在0.3V～5.5V之间，VSS只能直接接地或者在供电范围4.75V～-5.5V之间。


技术凝聚实力 专业创新出版
10.1 D/A转换器的基本原理

D/A转换器把数字量转化为与其大小成正比的模拟量信 号。根据不同的转换原理，D/A转换器的种类很多，最 常见的两种转换器是权电阻式和T型电阻式D/A转换器等。 下面分别介绍目前常用的D/A转换器的基本原理。
技术凝聚实力 专业创新出版
技术凝聚实力 专业创新出版
10.4.1 PWM简介

PWM（Pulse Width Modulator）是脉宽调制的简称，通 常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，是一种周期一定 而高低电平的占空比可以调制的方波。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.4.2 基于单运放的阻容滤波Βιβλιοθήκη Baidu/A转换器


因为所有周期性的信号都可以分解成为不同频率成分正弦波的组合，按给 定占空度生成的PWM波形被输入到一个低通滤波器该滤波器，将消除PWM波 形的大部分高频成分。 从时域角度看RC电路被充电到一个与PWM波形高电平占整个周期百分比的 占空比成正比的电压电平，简言之低通滤波器将PWM波形的高电平时间转 换成系统输出端的电压，由于系统输入的是一个数值而输出是一个所要求 的电压，因此PWM与低通滤波器可以被认为是一种数/模转换器DAC。
10.1.1 权电阻式D/A转换器原理

权电阻D/A转换器实际上就是运放电路中十分经典的反向求和电路， 如图所示，为一4位二进制的权电阻D/A转换器的典型电路。电路由 权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放大器组成。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.1.2 R-2R T型网络D/A转换器原理

如图所示为R-2R T型网络D/A转换器原理图，电路由4路 R-2R电阻网络，一个运算放大器和一个反馈电阻R组成， 这种转换电路与权电阻D/A转换电路的区别主要在于电 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。
10.3.4 DAC7614的数字接口

DAC7614的操作与数据传输均为串行控制，每次16位的 串行数据通过移位寄存器的操作对DAC内部进行控制， DAC7614的串行控制时序如图所示。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.4 基于PWM的低成本数模转换器电路设计

对于精度要求不是太高，转换时间要求不是太严格的场 合，可以利用阻容滤波网络和一个运算放大器（例如 LM358、LM2902等）实现低成本的D/A转换器，利用PWM 调制波形实现D/A转换功能。
电压输入4V～36V。 ESD保护：1000V。 功耗：50mW。 工作温度：-40～+85°C。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.5.2 精密电压参考源AD780

AD780的是一款精度高，外围电路简单的电压参考源，其各引脚功 能如下： NC：不用连接。 +VIN：电源输入正极，范围为+4～+36V。 VOUT：参考电压输出，2.5V/3.0V。 TRIM：可选的精密调节引脚。 OP SELECT：选择输出电压参考，接地为3.0V，悬空为2.5V输出。 GND：电源供给地。 TEMP：温度输出引脚，可以用于温度补偿。 AD780的功能示意图
技术凝聚实力 专业创新出版
10.1.5 D/A转换器的转换速度


当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量 并不能立即达到所对应的量值，它需要一段时间。通常 用建立时间和转换速率两个参数来描述D/A转换器的转 换速度。 建立时间（tset）指输入数字量变化时，输出电压变化 到相应稳定电压值所需要时间。 一般用D/A转换器输入的数字量NB从全0变为全1时，输 出电压达到规定的误差范围（LSB/2）时所需时间表示。 D/A转换器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时 间最短可达0.1μ s以内。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.2.1 DAC0832的内部结构

DAC0832主要由两个8位寄存器和一个8位D/A转换器组成， 其内部结构原理图如图所示，使用两个寄存器的结构大 大简化了硬件接口电路设计的难度。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.2.2 电流电压转换接口


DAC0832 D/A转换器输出的模拟量是电流，有许多D/A转 换器的输出量都是电流，但是实际应用中常常需要用的 是模拟电压输出，因此在D/A转换器的后端还需要将电 流转换为电压输出。 如图10.9所示为常用的D/A转换器反相输出电流电压转 换接口，输出电压为Vout=-iR，当VREF为+5V时，输出电 压范围是0～-5V，当VREF为+10V时，输出电压范围是0～ -10V。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.2.3 DAC0832的直接工作方式

如图所示为DAC0832的直接工作方式，该工作方式采用一个外界输入，可 以是地址线或者地址译码器输出，直接将DAC0832的相应控制引脚置为有 效，数据线上的数据字直通D/A转换器转换并输出，称为直接工作方式。
技术凝聚实力 专业创新出版
技术凝聚实力 专业创新出版
10.1.6 D/A转换器的温度系数

是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产 生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1ºC， 输出电压变化的百分数作为温度系数。
技术凝聚实力 专业创新出版
10.2 DAC0832数模转换器电路设计


技术凝聚实力 专业创新出版
10.5 DAC0832程序设计


下面以基于AT89S51单片机的D/A转换器扩展为基础，具 体讲解D/A转换在实际中的各种应用。通过各种案例的 学习，能够掌握各种D/A转换的应用及其软件设计方法。 DAC0832是低成本的8位精度D/A转换器，在很多精度要 求不高的工业场合有广泛的应用，在本节中先介绍 AT89S51扩展DAC0832的软件设计。

根据不同的应用，不同的精度要求，可以选用不同的D/A转换器在 AT89S51上进行扩展， DAC0832是一款由美国国家半导体公司生产 的CMOS工艺制造8位电流输出型D/A转换器，其主要的技术指标如下： 分辨率：8位； 供电电源：+5V～15V； 典型稳定时间：1us； 线性度：8～10bit； 低功耗：20mW； 温度漂移：0.0002% FS/°C； 适合多种单片机接口； 双缓冲、单缓冲与直通模式。
10.6.1 三角波发生器电路

三角波发生器采用了AT89S51和DAC0832的单缓冲电路， 如图所示。
技术凝聚实力 专业创新出版
第10章 D/A转换实战—模拟量输出电路与软件设计 本章主要通过实际的例子讲解AT89S51单片机的模拟量 输出电路和软件设计。在第9章中已经提到过，真实世 界中所有物理量都是模拟量，一个基于单片机嵌入式系 统要能够控制一个实际的设备，除了要感知到真实世界 的模拟量变化，对于部分执行设备来说，还要能够输出 一个真实的物理变化量，才能够控制其工作，这是单片 机进行控制的重要手段之一。 由于基础的51系列单片机没有D/A转换器（其实大部分 单片机都不含D/A转换器），因此要在51单片机上实现 D/A转换功能，就必须外扩D/A转换电路。