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1、微型计算机原理与接口技术第5版第10章模数转换和数模转换,10.2 D/A转换器,10.2.1 数/模转换器原理10.2.2 数/模转换器的主要性能指标10.2.3 数/模转换器AD7524、DAC0832和DAC1210,10.2.1 数/模转换器原理,D/A转换器(DAC)是把输入数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。多数D/A转换器把数字量（如二进制编码）变成模拟电流，如要转换成模拟电压,还要使用电流/电压转换器（I/V）。少数DAC内部有I/V变换电路，可直接输出模拟电压值。I/V转换电路由运算放大器构成。D/A转换器原理较简单，大部分ADC内部含有D/A转换电路，因此先学习D/
2、A。,权电阻网络D/A转换器,是4路输入加法器电路，d1d4：4位输入数字量，R/2R/4R/8R：加权电阻，S1S4：电子模拟开关。当di=1时，Si闭合，接通相应权电阻；di=0，Si断开。运放同相输入端+接地，输入阻抗非常高，流入反相端的电流及+、间电流0，V=V+=0，为虚地点。,参考电压VR为权电阻支路提供权电流，各支路中电流的大小与权电阻成反比。流入相加点的总电流为：IO=d1I1+d2I2+d3I3+d4I4=+=2（d12-1+d22-2+d32-3+d42-4）由于流入运放电流为0，故If=IO。又因点虚地，所以VO=-IfRf=-IoRf。固定VR，则VO与输入数字量成正比
3、。如果Rf=R/2，输入数字量d1d2d3d4=1000，VR=+5V，则输出电压:VO=-IORf=-2（1+0+0+0）=-VR=-2.5V,这样，用二进制数字控制开关通断，电路就能形成与开关状态相应的输出电压。由于开关和权电阻数目有限，D/A只能输出某些固定的电压值。上例中，输入数字量范围00001111B，对应16种电压值，大小0V VR(1-2-4)V。结果，D/A形成的电压信号，会出现许多台阶。输出时间间隔t越小，台阶就越窄。D/A 中包含的开关和权电阻数越多，即D/A的位数越多，相邻两电压台阶间的高度差就越小，输出波形与真实的模拟信号越接近。实现D/A转换的方案还有好几种，如R-
4、2R梯形电阻网络DAC，2nR电阻分压式DAC等，它们都做在集成电路芯片内部，不一一介绍了。,10.2.1 数/模转换器原理10.2.2 数/模转换器的主要性能指标10.2.3 数/模转换器AD7524、DAC0832和DAC1210,10.2.2 数/模转换器的主要性能指标,1.输入数字量多数D/A只接受自然二进制码，少数采用双极性二进制码或BCD码等。一般都是并行输入数据，TTL电平，少数产品还可能接受CMOS或PMOS电平的数字量。2.输出模拟量多数D/A转换器是电流输出型，给出参考电压VR下，输入为满码时的输出电流。如8位DAC0832的输出电流：,式中，15k是内部R-2R电阻网络中
5、的电阻值。,为将输出电流转换成电压，可在DAC输出端加一个由运放A和反馈电阻Rf构成的I/V转换电路。通常，Rf做在D/A内部，在芯片上有引脚，大小与权电阻相同。这样，只需外接一个运放。从电路可得输出电压表达式，它仅与VR和数字量有关。即,3.分辨率（Resolution）分辨率是输入数据发生1LSB的变化时，所对应的输出模拟量的变化。分辨率与输入数字量位数n的关系：式中，FSR是D/A转换器的满量程，近似等于输入为满码时的输入电压值。通常也用百分数来表示分辨率。例如：8位D/A，2n=256，分辨率(1/256)FSR=0.39%FSR12位D/A，2n=4096，分辨率(1/4096)FS
6、R=0.0244%FSR由于分辨率与转换器的位数间具有固定的对应关系，常用位数n来表示分辨率，如D/A转换器的分辨率可以是8，10，12，16位。,4.精度（Accuracy）DAC的实际输出值与理想输出值间存在误差，用精度表示，即此差值与满量程输出电压或电流的百分比。例如，某DAC的电压满量程为10V，其精度为0.02%，则输出电压的最大误差为10.00V0.02%=20mV。一般D/A转换器的误差应不大于 LSB。5.建立时间（Setting Time）建立时间也称为稳定时间，用tS表示，是从数字量输入到建立稳定的输出电流的时间。超高速DAC，tS100s。例如，12位D/A转换器DAC1
7、210的tS=1s。,10.2.1 数/模转换器原理10.2.2 数/模转换器的主要性能指标10.2.3 数/模转换器AD 7524、DAC 0832和DAC 1210,1.数/模转换器AD7524,AD7524是美国AD公司（Analog Device）的8位电流输出型D/A，CMOS工艺，功耗10mW，精度为 LSB。单电源供电，电源电压范围从+5V到+15V。图10.7是AD7524的一个实用电路。,图10.7,CPU把AD7524当成由8位数据锁存器构成的输出口，地址总线译码后形成的I/O片选信号连到，赋予它1个端口地址。系统总线的 接到它的写使能端，当用输出 指令OUT将待转换的8位
8、数据送到DAC时，和 有效，转换立即开始，经 tS时间（相当于执行1条OUT指令）后，转换便结束。随后在互补的电流输出端 IO1和 IO2产生输出电流，经I/V转换电路后，在VO端形成模拟电压。VO的大小由输入数字量和参考电压Vref 决定，Vref允许的范围为10V，本例中Vref=+5V，其输出电压为：,通常再在输出端加一级反相电压跟随器，使VO=VO。所以当输入数字量为0时，VO0V；当数字量为FFH时，VO=4.98V。如果把输出信号VO与示波器的Y轴相连，再把两者的地连在一起，就可在示波器上观察D/A转换后的输出波形。通过编程来改变送给DAC的数据和控制向DAC发送数据的时间，就能用
9、它来产生各种波形,例10.1 设图10.7中DAC的口地址为80H，要求输出从0V向4.98V 线性增长的周期性锯齿波。程序如下：START：MOV AL，0FFH；初值为FFHAGAIN：INC AL；AL增1 OUT 80H，AL；D/A转换 CALL DELAY；延时 JMP AGAIN输出波形由255个阶梯波组成，阶梯宽度由DELAY子程序的延时时间决定。,例10.2 要求用图10.7的电路，形成下图所示的三角波，波形下限电压为0.5V，上限电压为2.5 V。由于 1LSB=5V/256=0.019V所以下限电压对应的数据为：0.5V/0.019V=26=1AH上限电压对应的数据为：2
10、.5V/0.019V=128=80H,BEGIN：MOV AL，1AH；下限值UP：OUT 80H，AL；D/A转换 INC AL；数值增1 CMP AL，81H；超过上限了吗?JNZ UP；没有，继续转换 DEC AL；超过了，数值减1DOWN:OUT 80H，AL；D/A转换 DEC AL；数值减1 CMP AL，19H；低于下限了吗?JNZ DOWN；没有 JMP BEGIN；低于，转下个周期类似地，还可用D/A生成方波、梯形波和正弦波等。还可在内存中存储波形的1个周期，依次取出送给D/A，并重复以形成复杂的周期波形。此外，可用A/D采集实际波形后存入内存，获得所需的周期数据。,2.模数
11、转换器DAC0832,1）性能指标NSC公司（National Semiconductor Corporation）生产的DAC0832，是带有数据输入寄存器的8位DAC，低功耗CMOS工艺，采用R-2R梯形电阻网络实现模数转换，转换结果以差动电流IOUT1和IOUT2输出。它可直接与8088、8086等微处理器总线相连。主要参数：分辨率8位转换时间1s满量程误差1LSB参考电压10V单电源+5V+15V,2）内部结构和引脚功能20引脚DIP封装。内含1个8位输入寄存器和1个8位DAC寄存器，可分别选通。CPU送来的数据，可先打入输入寄存器，在需要D/A转换时，再选通DAC寄存器，实现转换，即
12、双缓冲工作方式。,各引脚的功能：VREF 参考电压输入端。它是转换的基准，要求数值正确，稳定性好。VCC 电源电压。AGND模拟地，DGND数字地。应将电路板上的所有模拟地和数字地各自连在一起，然后连到一个公共接地点，提高系统抗干扰能力。DI7DI0 8位数据输入。IOUT1和IOUT2 互补的电流输出端。RFB 片内反馈电阻引脚。ILE 输入锁存使能信号输入端，高电平有效。片选信号输入端。,和 两个写命令输入。传输控制信号输入端，低电平有效。当ILE=1，和 均为0时，8位数字量可到达输入寄存器；当 或 由0变1时，数据被锁存在其输出端。,当 和 均为0,输入寄存器 锁存的8位数据进入DAC
13、寄存器；当 或 由0变1时，该数据被锁存在DAC寄存器输出端，即加到了D/A转换器，进行转换。,3）三种工作方式（1）直通方式ILE接高电平，、和 都接数字地,两个内部寄存器均选通，8位数字量一到达输入端，就立即加到 8位DAC，被转换成模拟量。例如，构成波形发生器时，存在ROM中的基本波形被连续取出送到DAC去转换，不需外部控制，可用直通方式。（2）单缓冲方式把两个寄存器中的任一个接成直通方式，而用另一个锁存数据，就是单缓冲方式。一般将 和 都接地，使DAC寄存器直通。将ILE接高电平，接I/O译码，接，当执行 OUT指令后使 和 有效，将数据锁存到输入寄存器中，实现D/A转换。,（3）双缓
14、冲方式以下两种情况需要用双缓冲式的D/A转换：一、先把要转换数据打入输入寄存器，再在某个时刻启动D/A转换。这样可对某数据转换的同时，输入下个数据，提高运行速度。可将ILE接高，和 接，和 分别接两个不同的I/O地址译码信号。执行OUT指令时 和 均为0。这样，可先用OUT指令，把数据写入输入寄存器；再执行第二条OUT指令，把输入寄存器中数据写入DAC寄存器，实现D/A转换。例10.3 要求DAC0832工作于双缓冲方式，与8位CPU相连，试画出硬件连线路，并编写相关的程序。,设计的硬件电路如图。的口地址 320H，的口地址321H。把1个数据两次锁存，通过DAC0832输出的程序段：MOVD
15、X，320H；指向输入寄存器MOVAL，DATA；DATA为被转换的数据OUTDX，AL；数据打入输入寄存器INCDX；指向DAC寄存器OUTDX，AL；选通DAC寄存器启动D/A转换,二、在需要同步进行D/A转换的多路DAC系统中，采用双缓冲方式，可在不同时刻把要转换的数据打入各DAC的输入寄存器，然后用一个转换命令同时启动多个DAC的转换。,图10.12中，和 接CPU的写信号，3个 DAC的 引脚各由一个片选信号控制，3个 信号连在一起，接到第4个选片信号上。ILE可接高电平，保持选通状态。也可由CPU形成的禁止信号来控制，该信号为0时禁止将数据写入DAC寄存器。这样，可在ILE为高时，
16、用3条OUT指令分别将数据写入各DAC的输入寄存器；然后再执行一次OUT指令，使 变低，同时选通3个D/A的DAC寄存器，实现同步转换。,3.模数转换器DAC1210,DAC1210是NSC公司的12位高分辨率电流输出型DAC,24引脚DIP封装。主要指标：电流建立时间tS=1s，工作电压+5V+15V，参考电压范围25V。工作原理与8位DAC0832雷同。图10.13是DAC1210的逻辑图。DAC1210包含8位和4位两个输入寄存器，在 和=0 才允许输入数据，进一步由=1/0来区分8/4位输入寄存器。它有DI11DI4和DI3DI0共12根数据输入脚，可与16或8位总线的CPU相连。,D
17、AC1210的内部结构逻辑图,例10.4 将DAC1210接到8位CPU，画出硬件连线图，并编写D/A转换程序。将DI11DI4与数据总线D7D0相连，而DI3 DI0并接到高4位D7D4上，和 与系统总线的 相连，12位数据分两次写入：对 口执行OUT指令，使 和，,写入高8位数据DI11DI4。这时，因 和 的低电平，使12位数据中的高4位也写进了4 位输入寄存器。再对 口执行OUT指令,使、,又因A0=1使，写入低4位数据，高8位输入寄存器被禁止，低4位写进了4位输入寄存器。再对 口执行OUT指令，使 和,将存于2个输入寄存器的12位数据一起写入12位DAC寄存器并启动D/A转换。1s后
18、在输出端便得到转换结果。,12位DAC与8位CPU的连接方案,控制DAC1210转换要用到3个I/O端口，并用地址总线A0来区分奇偶地址，分别寻址4/8位输入寄存器。A0反相后连到 端，A9A1译码形成端口地址，其中接 的口地址为220H221H，偶地址（220H）选通8位输入寄存器，奇地址（221H）选通4位输入寄存器。的口地址为222H223H，两个地址都可启动D/A转换。,若待转换的数字量存在BX寄存器的低12位，则完成一次D/A转换的程序如下：,START：MOVDX，220H；指向220H端口MOVCL，4；移位次数SHLBX，CL；BX中数左移4次后向左对齐MOVAL，BH；取高8位OUTDX，AL；写入8位输入寄存器INC DX；口地址=221HMOVAL，BL；取低4位OUTDX，AL；写入4位输入寄存器INCDX；口地址=222HOUTDX，AL；启动D/A转换，AL中为任意值,
