多路同步输出DA转换器

1、多路同步输出 D/A 转换器目录1. 摘要：22. 功能定义.23技术指标.3-4. 基本原理.55方案论证.76. 硬件电路设计 .97. 程序流程设计及关键部分程序设计 10-8. 结论.：019. 参考文献12-10. 附录121.摘要本文论述了数模转换接口电路设计的要求，影响D/ A转换器及系统精度的因素 , 重点阐述了系统设计时选择 D/ A 转换器必 须考虑的问题。2.功能定义随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在 现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标， 对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际 对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像

2、等） ， 要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将 这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输 出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行 机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之 间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称 A/D 转换器或 ADC,Analog to Digital Converter ）；将数字 信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A 转换器或 DAC,Digital to Analog Converter）；A/D 转换器和 D/A转换器已成为计算机系统中不可缺少的接

3、口电路 。本报告中采用的设计是 8051 与 3 个 0831 组成一个三路 同步 D/A 转换输出电路，可以将三组不同的数字信号进行同 步转换输出，再将小信号通过放大器进行放大输出，得到所需要的可以观察的模拟信号3. 技术指标使用者最关心的几个指标如下（1）分辨率输入给 D/A 转换器的单位数字量变化引起的模拟量输出的 变化，通常定义为输出满刻度值与 2n-1 之比。显然，二进制位数 越多，分辨率越高。（2）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

4、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0.1 ps以内。转换速率（SR）用大信号工作状态下（输入信号由全1到全 0 或由全 0 到全 1），模拟电压的变化率表示。一般集成 D/A 转换器在不包含外接参考电压源和运算放大器时， 转换速率比较 高。实际应用中，要实现快速 D/A 转换不仅要求 D/A 转换器有 较高的转换速率，而且还应选用转换速率较高的集成运算放大 器。(3

5、 )转换精度D/A转换器实际精度与理论上可达到的精度之间存在误差， 则误差的最大值 即为转换精度。转换误差包括比例系数误差、 失调误差和非线性误差。比例系数误差是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲 线斜率的偏差。如在n位倒T形电阻网络D/A转换器中，当Vref 偏离标准值 Vref时，就会在输出端产生误差电压 。.。二 AVref Rf ： Di 2ioJQ厶2 R i z0由厶Vref引起的误差属于比例系数误差。失调误差，由运算放大器的零点漂移引起，其大小与输入数字量无关，该误差使输出电压的转移特性曲线发生平移。非线性误差是一种没有一定变化规律的误差，一般用在满刻度范围内，偏离理想的转移特

6、性的最大值来表示。引起非线性误差的原因较多，如电路中的各模拟开关不仅存在不同的导通电压 和导通电阻，而且每个开关处于不同位置(接地或接Vref)时，其开关压降和电阻也不一定相等。又如，在电阻网络中，每个支 路上电阻误差不相同，不同位置上的电阻的误差对输出电压的影 响也不相同等，这些都会导致非线性误差。此外，还需考虑是否带有锁存器、码制、逻辑电平、数据格 式、输出为电流还是电压。经测试，报告中单路 D/A转换可以达到以下技术指标：(1)分辨率为8位。(2) 最大不可调误差小于 Ulsbp(3) 可锁存三态输出。输出与TTL兼容。(5) 不必进行零点和满度调整。(6) 转换速率取决于芯片的时钟频率

7、，时钟频率范围是：101280kHz当时钟频率选为 500KHZ时，对应的转换时间为128us。(8 )电流稳定时间为1us。4基本原理D/A (数/模)转换器输入的是数字量，经转换后输出的是模拟量。转换过程是先将 MCS-51送到D/A转换器的各位二进制数 按其权的大小转换为相应的模拟分量， 然后再以叠加方法把各模 拟分量相加，其和就是 D/A转换的结果。Uo=KuD 或 i=K D其中：Kj (或氏)表示转换比例，D表示输入的二进制数码 设D为n位二进制数码，按权展开，上式表示为Uo=Ku (Dn-1 X 2n-1+Dn-2x 2n-2+D X 21+DoX 20)或 io=K (Dn-1

8、 X 2n-1+Dn-2 X 2n-2+D X 21+DoX 20)下图是一个两路同步输出的 D/A转换接口电路。8031单片机的P2.5和P2.6分别接之两片D/A转换器的片选端，并控制输入锁存；P2.7连接到两路D/A转换器的/XFER端，并控制同步转换输出；/WR端与所有的/WR1 , /WR2端相连，在执行 MOVX输出指令时，8031单片机自动输出/WR控制信号。DACXFERPZ. 7PC4031IXJNDVce ile ILE4mWKiDh6DGND本报告的设计采用三路 D/A转换接口，必须采用双缓冲方式 实现同步D/A转换输出。具体用 DAC0832双缓冲同步方式接口 时，分两

9、步完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。首先，0832单片机的CPU数据总线分时地向各路 D/A转换器输送要转换的 数字量，并锁存在各自的输入寄存器中；然后，CPU对所有的D/A 转换器发出控制信号， 使各个 D/A 转换器输入寄存器中的数 据送入DAC寄存器中，实现同步转换输出。5. 方案论证由于应用场合不同，对D/A转换器各项技术特性的要求也有所 侧重。逻辑电平及数码形式 ;数据输入是串行还是并行 ; 输出需要 电流形式还是电压形式 ; 参考电压类型 , 固定的 , 变的 , 内部的还 是外部的 ; 输出电压是双极性 , 单极性 ; 数字量接口的特性 , 对速 度有何要求 , 期望的数据变

10、化间的最短时间 , 系统要求数据刷新 后到输出达到所期望的值的时间等。在本文设计的控制系统 中,D/A转换器的分辨率和单调性就比其它特性更为重要。因为高分辨率的D/A转换器可以为伺服电机提供更平滑的驱动信号，使其能进行精细的调整 ; 而单调性是防止闭环系统发生振荡的基本 需要。由于工作温度会对运算放大器和加权电阻网络等产生影响 , 所以只有在一定的温度范围内 , 才能保证精度指标。较好的转换 器工作温度范围在-4085 C之间，较差的转换器工作温度范围 在070 C之间。应该指出，转换器的线性误差是温度的函数,8位的0832D/A转换器，在+ 25 C时具有0.01%左右的线性误差，即 可保证

11、相应的分辨率 , 而在别的环境温度下 , 如其线性误差降到 了 0. 1%左右时，那么它只能达到与6位D/A转换器相应的分辨率。D/A 转换器的输出端一般都接有运算放大器 , 其作用有两个 : 一个是对网络中各支路电流进行求和；另一个是为D/A转换器提供一个阻抗低、负载能力强的输出。对于一个运算放大器而言 , 最重要的特征是电流和电压偏移及其随温度的变化, 还要考虑运算放大器的动态响应及输出电压的摆率。经检测， 0832D/A转换 器精确到满量程的 0.05% , 其放大器本身的电压输出稳定在满 量程的 0.01%以内。要选择合适的 D/A 转换器，就必须先了解有什么样功能形式 的器件， D/

12、A 按解码网络结构不同，可以有下面几种器件。T 型电阻网络 D/A 转换器倒 T 型电阻网络 D/A 转换器权电流 D/A 转换器权电阻网络 D/A 转换器按模拟电子开关电路的不同CMOS 开关型 D/A 转换器（速度要求不高 ）CMOS 开关型 D/A 转换器（速度要求不高） 双极型开关 D/A 转换器 电流开关型（速度要求较高） ECL 电流开关型（转换速度更高）DAC0832 其主要特性为：（1 ） 8 位分辨率（ 2 ）电流稳定时间位 1us（3）可双缓冲，单缓冲或直接数据输入（4）只需在满量程下调整线性度（5）单一电源供电（ +5V+15V ）（6 ）低功率， 20mW综上所述，可选

13、择 DAC0832 作为设计的 D/A 转换器。6. 硬件电路设计多路 D/A 转换器主要由 51 单片机，译码器， DA 转换器，放 大器等部分组成。（1）单片机系统单片机采用8051。它是ROM型单片机，片内有4KB的ROM, 256字节的RAM/SFR以及有32个I/O 口，面向控制的 8位CPU 和指令系统，一个全双工串行口，两个 1 6位定时/计数器， 5个 中断源， 两个终端优先级的中断结构， 一个片内时钟振荡器和时 钟电路，可寻址64K字节的程序存储器和64K字节的外部数据存 储器。DA转换系统与51单片机的P0 口相连接，传输需要转换 的8位二进制数字信号，得到即时的模拟信号；

14、单片机P2 口与译码器相连，用于控制各路信号的锁存或转换。（2）数模转换系统数模转换系统用P0 口进行数据通信，以DAC0832转换数字 信号得到模拟信号。这类 D/A转换器位20脚，双列直插式封装 结构。DAC0832由8位输入锁存器，8位DAC寄存器，8位D/A 转换器及转换控制电路构成。 其控制引脚可以与微处理器的控制 线相连，接受微处理器的控制。由于DAC90832是电流输出型D/A 转换器，要获得拟电压输出必须外加转换电路。DAC0832芯片共有20条引脚，双列直插式封装。DAC0832通过转换得到的模拟信号微小，也必须通过放大器来得到可观察或者测量的数据。（3）译码器常用的集成二进

15、制译码器有 CMOS（女口 74HC138）和TTL（如 74LS138的定型产品，两者在逻辑功能上没有区别，只是电性 能参数不同。由于只有三路转换电路，所以只需要2线-4线的74LS139译码器就可以了，它的两个独立的的译码器封装在一个 集成芯片中。通过单片机的低两位控制译码器，再通过译码电路控制三个DAC0832的选择。7程序流程图及关键部分程序设计（1）程序流程图（2）关键部分程序设计MOV DPTR ,#0FCFFH ;指向 DAC0832(1)MOVA ,#DATA1;DATA1送入DAC0832(1中锁存MOVXDPTR ,A; 把数据送到外部指针所指地址MOVDPTR ,#0FD

16、FFH ;指向 DAC0832(2)MOVA ,#DATA2;DATA2送入DAC0832(2中锁存MOVXDPTR ,A; 把数据送到外部指针所指地址MOVDPTR ,#0FEFFH ;指向 DAC0832(3)MOVA ,#DATA3;DATA3送入DAC0832(3中锁存MOVXDPTR ,A; 把数据送到外部指针所指地址MOVDPTR ,#7FFFHMOVXDPTR ,A;三个DAC0832全部同时启动 D/A转换8. 结论 本系统可以按照需要再进行多路扩充，也可在运放后接上系 统进行数据测量或控制。该系统性能稳定，体积小，技术指标达 到要求，可靠性高，程序设计简单，是一个易用，方便生产的市 场产品。通过本次电子系统设计，我加强了 Protel 的使用，强化了操 作，例如，熟悉了原理图与 pcb 板的绘制，对制备元件库更为熟 练等。在设计过程中，我通过图书馆与互联网，搜索与