数据采集和控制

000 001 010 011 100 101 110 111 D
2. 转换精度
D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想 值之差，即最大静态转换误差。
3. 转换速度
从输入的数字量发生突变开始， 到输出电压进入与稳定值相差 ±0.5LSB范围内所需要的时间，称为
建立时间tset。目前单片集成D/A转换
uo DnU REF dn1 2n1 U REF dn2 2n2 U REF d1 21 U REF d0 20 U REF
n-1
di 2iUREF i0
即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应
的各分模拟电压之和。
DAC的分类
•电压输出型（如TLC5620）
电压输出型DA转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用 内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载， 由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速DA转换器使用。
DI7~DI0
ILE
8位 输入 寄存器
LE
&
8位 DAC 寄存器
LE
8位 D/A 转换器
RFB
CS
&
WR1
XFER
&
WR2
UREF IOUT2 IOUT1
Rfb
AGND
VCC
DGND
DAC0832内部原理
2.DAC0832引脚功能
DI7～DI0：8位输入数据信号。
ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。 CS：片选信号，低电平有效。
取样过程
输
采
入
样
模
输
拟
出
信
信
号
号
采样脉冲
fs 2 fmax
模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度
τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持
所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之 后须加保持电路。
取样保持电路及输出波形 ①在采样脉冲S(t)到来的时间τ内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假
WR1：输入数据选通信号，低电平有效。（
上升沿锁存）
XFER：数据传送选通信号，低电平有效。 WR2：数据传送选通信号，低电平有效。（
上升沿锁存）
IOUT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大（满 量程输出）；为全0时，IOUT1为0。
IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分输入 信号（一般接地）。满足 IOUT1+IOUT2 ＝
时序图
多个DAC的控制
DAC0832与单片机的接口
模数转换器
➢A/D转换器的基本工作原理
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通 过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。
模拟量输入
数字量输出
VI 采样 保持 量化 编码 DO
➢取样和保持
取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时 间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列 等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。
i0
U REF 2n R
n1
di 2i
i0
虚断，运算放大器的输出电压为：
uO
RF I
RF
U REF 2n R
n1
di 2i
i0
令 RF=R ，则
uO
U REF 2n
n1
di 2i
i0
U REF 2n
Dn
即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从
数字量到模拟量的转换。
倒T型电阻网络D/A转换器的特点：
第七章 数/模和模/数转换
概述
ADC和DAC的应用：
传感器
(温度、压力、流 量等模拟量）
能够将模拟量转换为
数字量的器件称为模
数转换器，简称A/D转
A/D
换器或ADC。
显示器
计算机
（数字量）
打印机
执行部件
（模拟量控制）
D/A
ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电 路的桥梁，也可称之为两者之间的接口.
能够将数字量转换为 模拟量的器件称为数 模转换器，简称D/A转
2. 倒T型电阻网络D/A转换器
求和点
(MSB)
dn-1
dn-2
数字量输入
d2
(LSB)
d1
d0
Sn-1
Sn-2
S2
S1
S0
RF (R) －A +
模 u0 拟
量 输 出
2R
2R
2R
2R 2R
2R
UREF
R
R
……
R
R
倒T型电阻网络D/A转换器原理图
电阻解码网络中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网
换器或DAC。
数据采集系统的输入通道
数模转换器
➢D/A转换器的设计原理
D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量， 以电压或电流的形式输出。
D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常
用的线性D/A转换器，其输出模拟电压uO和输入数字量Dn 之间成正比关系。UREF为参考电压。
uO＝DnUREF
为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。
DAC0832 的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型三
种工作方式。
DAC0832的三种工作方式
（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数 据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的 同步转换输出。 （b）单缓冲方式：适合在不要求多片D/A同时输出时。此时只需一次写 操作，就开始转换，提高了D/A的数据吞吐量。 （c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。
d0
I
S2
S1
S0
RF (R)
Байду номын сангаас－A
u0
+
I
I
21
22
I
I
I
2n-2
2n-1
2n
2R
2R
2R
2R 2R
2R
UREF
R
R ……
R
R
I
I
I
21
22
I
I
I
2n-2
2n-1
2n
参考电压UREF供出的总电流为：
I
U REF R
分流：流入求和点的各支路电流为：
di
1时，Ii
I 2ni
U REF 2n R
2
i
➢权电阻网络DAC的原理分析
当Dn=Dn-1…D0=0时，uO=0
2n 1 当Dn=Dn-1…D0=11…1时， uO 2n U REF 。
因而uO的变化范围是
2n 1 0 ~ 2n U REF
权电阻网络D/A转换器的特点 ①优点：结构简单，电阻元件数较少； ②缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。
①优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而 且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。
②应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用 较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电 阻网络。
➢D/A转换器的主要技术指标
1. 分辨率
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。
U REF 2n-1-i R
U REF 2n-1 R
n-1
di 2i
i0
虚断 运算放大器输出电压为
uO
RF I
RF
U REF 2n1 R
n1 i0
di
2i
令 RF=R/2 ，则
uO
U REF 2n
n1
di 2i
i0
U REF 2n
Dn
即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现
了从数字量到模拟量的转换。
•电流输出型(如THS5661A)
电流输出型DA转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流—电 压转换电路得到电压输出，后者有两种方法：一是只在输出引脚上接负 载电阻而进行电流—电压转换，二是外接运算放大器。
•乘算型（如AD7533）
DA转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输 入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输 入相乘的结果而输出，因而称为乘算型DA转换器。一位DA 转换器
双向模拟开关
RF (R/2) －
A +
模 拟 u0 量 输 出
运算放大器
➢权电阻网络DAC的原理分析
UREF
(MSB)
dn-1
dn-2
(LSB)
d2
d1
d0
Sn-1
Sn-2
In-1
In-2
…
20R 21R
S2
S1
S0
I2
I1
I0
RF (R/2)
2n-3R 2n-2R 2n-1R
－
u0
I
A +
开集关成Si的运位算置放受大数器据，锁作存为器求输和出的权数电码阻d网i控络制的：缓当冲di=，1时并，将S电i将流对 应转的换权为电电阻压接到输参出考。电压UREF上；当di=0时，Si将对应的权电阻接地。
di 0时，Ii 0
Ii
di
I 2ni
di
U REF 2n R
2i
流入求和点的电流为：
I In-1 In-2 I1 I0
I
I
I
I
dn1 21 dn2 22 d1 2n1 d0 2n
I 2n
(dn1 2n1
dn2 2n2
d1 21
d0 20 )
I 2n
n1
di 2i
①D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数－－可用输
入数字量的位数n表示D/A转换器的分辨率；
②可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表
示分辨率。
vo/V
分辨率
U
Um
1 2n 1
5
分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。
5/7
而分辨率与输入数字量的位数有关0 ，n越大，分辨率越高。
➢数模转换器的构成
D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、 参考电压、解码网络和求和电路等组成。
参考电压
n位数字 量输入
数码缓冲 寄存器
n位数控 模拟开关
解码网络
模拟量 输出 求和电路
n 位D/A转换器方框图
数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄 存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开 关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路； 求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。
3.DAC0832特性参数
分辨率：
8位
建立时间： 1µs 增益温度系数： 20ppm/℃（ppm----百万分之一，10-6）
输入电平： TTL
功耗：
20mW
4.DAC0832工作方式
当ILE、CS和WR1同时有效时，输入数据DI7～DI0进入输入
寄存器；并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR2和XFER同时有 效时，输入寄存器的数据进入DAC寄存器；并在WR2的上升沿实 现数据锁存。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换
Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832中无运 放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了Rfb， 只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须
外加反馈电阻。
UREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压 基准源。UREF可在-10V至+10V范围内选择。 UCC：电源输入端（一般取+5V～+15V）。
输入 Dn
d0 (LSB) d1
…
dn－1
(MSB)
uo 或 io
D/A
输出
将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应 的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模 拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量 的转换。
n-1
Dn dn1 2n1 dn2 2n2 d1 21 d0 20 di 2i i0
器（不包括运算放大器）的建立时间 最短达到0.1微秒以内。
4. 温度系数
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1℃，输出电压变 化的百分数作为温度系数。
➢数模转换器举例_8位集成DAC0832
1.DAC0832结构框图
LE＝1，跟随 ＝0，锁存
它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器三大 部分组成，D/A转换器采用了倒T型R-2R电阻网络。
DGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。 AGND：模拟地，是放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。
任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的 “地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路， 由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地”的形式的，但对 于模拟电路而言，这个不同地方的“地”对测量的精度是构成 影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分 开布线，只在板中的一点把它们连接起来。
➢D/A转换器的主要电路形式
1. 权电阻网络D/A转换器
UREF
(MSB)
dn-1
dn-2
数字量输入
d2
(LSB)
d1
d0
Sn-1 Sn-2
S2
S1
S0
In-1
In-2
…
I2
I1
I0
权电阻
20R 21R
2n-3R 2n-2R 2n-1R
I
权电阻网络DAC原理图
权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。
络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开 关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转 向，电阻2R总是与地相连。这样，倒T型网络的各节点向上看和
向右看的等效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R。
(MSB)
dn-1
dn-2
Sn-1
Sn-2
d2
(LSB)
d1
虚短
di
1时 ，I i
U REF 2n1i R
U REF 2n1 R
2
i
di 0时，Ii 0
Ii
di
U REF 2n1i R
di
U REF 2n1 R
2i
➢权电阻网络DAC的原理分析
运算放大器总的输入电流为
I In1 In2 I2 I1 I0
n-1 i0
Ii
n-1
di
i0