第四章2DA轉(zhuǎn)換器原理與應(yīng)用

第四章2D/A轉(zhuǎn)換器原理與應(yīng)用圖10-1單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器是測(cè)控系統(tǒng)單片機(jī)的常用接口。4.3D/A轉(zhuǎn)換器和接口技術(shù)4.3.1D/A轉(zhuǎn)換器原理3位T電阻式D/A轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)設(shè)：數(shù)字量輸入為B2B1B0根據(jù)電路的電流定律，圖虛地處各電流關(guān)系如下：（10-1）公式推導(dǎo)

從圖10-2可以看出，當(dāng)B0=0時(shí)，開(kāi)關(guān)往左打，接地；當(dāng)B0=1時(shí)，開(kāi)關(guān)往右打，也接地（虛地）。所以流出節(jié)點(diǎn)c的電流I0和I0’是相等的。故：（10-2）公式推導(dǎo)續(xù)一為了分析I'1與I1之間的關(guān)系，需要將圖10-2中的電阻網(wǎng)絡(luò)電路作一等效變換。圖10-3等效電路a公式推導(dǎo)

續(xù)二將圖10-3中節(jié)點(diǎn)b右邊的電阻串聯(lián)相加，得到等效電路b，如圖10-4所示。公式推導(dǎo)

續(xù)三根據(jù)式（10-2）和（10-3）得：（10-4）（10-6）同理，當(dāng)B1=0時(shí)，開(kāi)關(guān)往左打，接地；當(dāng)B1=1時(shí)，開(kāi)關(guān)往右打，也接地（虛地）。所以流出節(jié)點(diǎn)b的電流I1和I1’是相等的。故：（10-3）以此類(lèi)推，可得：將式（10-4）、（10-6）代入式（10-1），得：（10-7）(10-8)根據(jù)歐姆定律，得公式推導(dǎo)續(xù)四故：(10-9)同理，當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)等于8時(shí)，∑I與數(shù)字量B關(guān)系為：(10-10)公式推導(dǎo)續(xù)五４、電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓輸出根據(jù)運(yùn)算放大器的輸入特性，以及歐姆定律，得：(10-14)１）分辨率：輸出模擬量的最小變化量設(shè)：D/A轉(zhuǎn)換器為8位，參考電壓=5v,根據(jù)式（10-14）當(dāng)R=Rfb時(shí)，Voutmin=5/256v２）滿(mǎn)刻度誤差：輸入為全1時(shí)，輸出電壓與理想電壓之間的誤差。根據(jù)以上條件，當(dāng)輸入為全1時(shí)，Vout=-5×255/256v，理想電壓=-5v。３）輸出范圍：最小輸出電流～最大輸出電流4.3.2、D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)４）D/A轉(zhuǎn)換時(shí)間D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)續(xù)指從輸入數(shù)字量起，至模擬量輸出所需時(shí)間。D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電流建立時(shí)間很短，一般為50~500ns。若其輸出接運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓輸出，電壓建立的時(shí)間一般為1μs。4.3.3DAC0832的結(jié)構(gòu)原理

和接口技術(shù)一、DAC0832的性能指標(biāo)輸出電流穩(wěn)定時(shí)間：1μs工作方式：雙緩沖器、單緩沖器和直通方式。邏輯輸入：TTL電平功耗：20mW電源：+5v~-15v二、DAC0832的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鎖存器：第一級(jí)緩沖器，接收來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寄存器：第二級(jí)緩沖器，給D/A轉(zhuǎn)換電路提供數(shù)字信息.D/A轉(zhuǎn)換器：將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成電流量模擬信號(hào)。DAC0832中D/A轉(zhuǎn)換電路IOUT1和IOUT2之和是一個(gè)常數(shù)，DAC0832在應(yīng)用中可以輸出一個(gè)單端信號(hào)IOUT1，也可以輸出一個(gè)雙端信號(hào)IOUT1和IOUT2。三、DAC0832的外部引腳D7~D0：8位數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)，常與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連，用于輸入單片機(jī)送來(lái)的數(shù)字量。ILE：輸入數(shù)據(jù)允許鎖存控制信號(hào)，高電平有效。：數(shù)據(jù)鎖存器選片信號(hào)，低電平有效。：數(shù)據(jù)鎖存器寫(xiě)控制信號(hào)，低電平有效。：傳送控制信號(hào)，低電平有效，用于將數(shù)據(jù)鎖存器輸出的信息傳送至數(shù)據(jù)寄存器。：數(shù)據(jù)寄存器寫(xiě)入控制信號(hào)，低電平有效。VREF：參考電壓輸入端，一般在-10v~+10v，由穩(wěn)壓電源提供。Rfb：運(yùn)算放大器反饋信號(hào)輸入端，通常接運(yùn)算放大器輸出端。AGND：模擬電路接地端。DGND：數(shù)字電路接地端。Iout1：電流量模擬信號(hào)1。Iout2：電流量模擬信號(hào)2。三、

DAC0832的工作方式1、雙緩沖器方式雙緩沖器方式是將數(shù)據(jù)鎖存器作為第一級(jí)緩沖器接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寄存器作為第二級(jí)緩沖器存放D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。2、單緩沖器方式單緩沖器方式是為了提高數(shù)據(jù)的傳遞速度，節(jié)省控制信號(hào)。其含義是輸入的數(shù)據(jù)不再在數(shù)據(jù)鎖存器中停留，直接傳送至數(shù)據(jù)寄存器。3、直通方式數(shù)據(jù)從D7~D0數(shù)據(jù)端直接進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器。例10-1：若有一單片機(jī)與D/A的應(yīng)用系統(tǒng)，如圖10-9所示，分析該系統(tǒng)的接口電路，并進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。4.3.4DAC0832的應(yīng)用和編程（一）接口電路分析DAC0832工作在單緩沖器方式DAC0832的接口地址為7FFFHDAC0832的參考電壓為5V，為了保證轉(zhuǎn)換精度，VREF一般單獨(dú)接一個(gè)穩(wěn)壓電源。例10-1中公式推導(dǎo)根據(jù)電路中的電流定律，流出每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流等于流入的電流。即：Iout+I1+I2=0，Iout=-I1-I2而根據(jù)運(yùn)算放大器虛地的概念，得：

Iout=-Vout/15k，I1=V1/7.5k，I2=Vcc/15kVout/15kΩ=-V1/7.5kΩ-VREF/15kΩ根據(jù)公式（10-14），得：例10-1中公式推導(dǎo)續(xù)整理上式得：當(dāng)VREF為5v時(shí)，得：（10-17）（10-18）當(dāng)數(shù)字量B從0變化到255時(shí)，電壓模擬量Vout就從-5v變化到4.96v（約等于5v）。（二）程序設(shè)計(jì)試編一程序段，使Vout輸出一方波，如圖10-10。設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12Mhz。根據(jù)式（10-18），當(dāng)Vout=2v時(shí)，B≈179。當(dāng)Vout=-2v時(shí)，B≈77。方波半周期為1ms，采用軟件延時(shí)來(lái)控制。程序編制START: MOV DPTR, #7FFFH;設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換接口地址指針。LOOP: MOV A, #179; 設(shè)置對(duì)應(yīng)2v的數(shù)字量179. MOVX@DPTR,A; 輸出數(shù)字例179,使Vout輸出2v. LCALL DL1MS; 延時(shí)1ms. MOV A，

#77; 設(shè)置對(duì)應(yīng)-2v的數(shù)字量77. MOVX@DPTR,A; 輸出數(shù)字例77,使Vout輸出-2v. LCALL DL1MS; 延時(shí)1ms. SJMP LOOP; 程序循環(huán).DL1MS: MOV R6, #2; 延時(shí)1ms子程序.DL1: MOV R7, #250 DJNZ R7, $ DJNZ R6, DL1 RET例10-2若有一單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用系統(tǒng)，如圖10-9所示，試設(shè)計(jì)一程序段，使Vout輸出一個(gè)鋸齒波，如圖10-11所示。設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12Mhz。圖10-11（一）分析題意根據(jù)例10-1得到的（10-18）式可知，要使Vout輸出從-5v線(xiàn)性變化至5v，只要使數(shù)字量B從0、1、2逐一變化至255即可。當(dāng)Vout從5v回到-5v，對(duì)應(yīng)的數(shù)字量B從255回到0。因此，在程序中只要使數(shù)字量從0逐一變化至255，再回到0，就可使Vout產(chǎn)生如圖10-11所示的鋸齒波。（二）程序編制 MOV DPTR, #7FFFH;設(shè)置DAC0832接口地址指針 CLR A; 將數(shù)字量初始化清零LOOP: MOVX @DPTR,A; 將數(shù)字量送入DAC0832轉(zhuǎn)換① INC A; 數(shù)字量加1② SJMP LOOP; 循環(huán)送數(shù)字量③若系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12MHZ，則1個(gè)機(jī)器周期為1μs。由于程序中進(jìn)行循環(huán)的指令循環(huán)一次所需時(shí)間為(2+1+2)μs，故鋸齒波的周期為（5×256）=1280μs=1.28ms（三）計(jì)算鋸齒波的周期從微觀(guān)上來(lái)看，Vout從-5v變化至5v并非是線(xiàn)性的，而是呈階梯性質(zhì)，如圖10-12。每一個(gè)階梯所持續(xù)的時(shí)間正是指令①、②、③執(zhí)行所需時(shí)間之和。周期為5ms鋸齒波的程序設(shè)計(jì)首先將周期長(zhǎng)度5ms除以256，得到鋸齒波中每一階梯所需時(shí)間約20μs，然后修改以上鋸齒波程序，插入一些指令，使得循環(huán)體中指令的執(zhí)行持續(xù)20μs。 MOV DPTR, #7FFFH;設(shè)置DAC0832接口地址指針

CLR A; 將數(shù)字量初始化清零LOOP: MOVX @DPTR,A; 將數(shù)字量送入DAC0832,2μs. INC A; 數(shù)字量加1,1μs. MOV R6, #7; 設(shè)置循環(huán)次數(shù),1μs DJNZ R6, $; 循環(huán)7次,2μs乘7等于14μs SJMP LOOP; 繼續(xù)循環(huán),2μs例10-3若有一單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用系統(tǒng)，如圖10-9所示，試設(shè)計(jì)一程序段，使Vout輸出一個(gè)三角波，周期為10ms，波峰為5v，波谷為0v。如圖10-13所示。設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12Mhz。圖10-13三角波（一）分析題意根據(jù)三角波的特性，當(dāng)其周期為10ms時(shí)，則上升段和下降的時(shí)間各為5ms。根據(jù)式（10-18）可知，當(dāng)B=128時(shí)，Vout=0v。故B從128逐步加1增加至255，波形為上升段；B從255逐步減1至128，則波形為下降段。上升段和下降段各需要128個(gè)階梯，每一個(gè)階梯持續(xù)的時(shí)間為：5ms/128≈40s=40T。（二）程序編制START: MOV DPTR, #7FFFH;設(shè)置DAC0832接口地址指針 MOV A, #128; 將數(shù)字量初始化為128UP: MOVX@DPTR,A; 將數(shù)字量送入DAC0832,2μs. INC A; 數(shù)字量加1,1μs. MOV R7, #17; 設(shè)置循環(huán)次數(shù),1μs DJNZ R7, $; 循環(huán)17次,2μs乘17等于34μs. CJNE A, #0,UP; 若數(shù)字量未至255,則繼續(xù)上升.2μsDOWN: DEC A; 若數(shù)字量已至255,則減1.1μs MOVX@DPTR,A; 將數(shù)字量送入DAC0832,2μs. MOV R7, #17; 設(shè)置循環(huán)次數(shù),1μs DJNZ R7, $; 循環(huán)17次,2μs乘17等于34μs. CJNE A,#128,DOWN; 若數(shù)字量未至128,則繼續(xù)下降.2μs SJMP UP; 若數(shù)字量已至128,則返回上升段.實(shí)驗(yàn)十五、D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)在單片機(jī)系統(tǒng)中擴(kuò)展DAC0832接口和編程的基本方法。二、實(shí)驗(yàn)工具一臺(tái)DVCC-51NET單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。采用軟件工具KeilμVision2。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容若有一單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用系統(tǒng)，試設(shè)計(jì)一程序段，使Vout輸出一個(gè)鋸齒波，周期為5ms、波峰為5v、波谷為-5v。設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為11.0592Mhz。四、實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路DAC0832的選片信號(hào)端接系統(tǒng)的Y0，則DAC0832的接口地址為8000H。五、程序設(shè)計(jì) ORG 0000H LJMP START ORG 0040HSTART: MOV