第3章智能仪器输出通道及接口技术

1、第三章第三章 智能仪器输出通道及智能仪器输出通道及 接口技术接口技术首首 页页本章内容本章内容模拟量输出通道模拟量输出通道3.1D/A转换器与微处理器接口转换器与微处理器接口3.2DAC的应用的应用3.3开关量输出通道开关量输出通道3.41. 1. 模拟量输出通道模拟量输出通道l 重点重点：2. 2. 输出通道的结构、组成、工作输出通道的结构、组成、工作原理及应用原理及应用重点：重点：3.1 3.1 模拟量输出通道模拟量输出通道 模拟量输出通道是计算机对采样数据实模拟量输出通道是计算机对采样数据实现某种运算处理后，将处理结果回送给被测现某种运算处理后，将处理结果回送给被测对象的数据通路。对象的

2、数据通路。 输出数字信号的形式主要有开关量、输出数字信号的形式主要有开关量、数字量和频率量。数字量和频率量。 模拟量输出通道是将微机输出的数字模拟量输出通道是将微机输出的数字量转换成适合于执行机构所要求的模拟量量转换成适合于执行机构所要求的模拟量的环节。的环节。 模拟量输出通道一般有单路模拟量输出通模拟量输出通道一般有单路模拟量输出通道和多路模拟量输出通道。道和多路模拟量输出通道。 对于模拟量控制系统，应通过数对于模拟量控制系统，应通过数/ /模模（D/AD/A）转换将其变换成模拟信号输出。）转换将其变换成模拟信号输出。 模拟量输出通道：模拟量输出通道：l 单路模拟量输出通道的一般结构 微型计

3、算机 寄存器 D/A转换器 放大变换电路 执行机构 寄存器用于保存计算机输出的数字量；寄存器用于保存计算机输出的数字量；D/AD/A转换器用于将计算机输出的数字量转换为转换器用于将计算机输出的数字量转换为模拟量；而模拟量；而D/AD/A转换器输出的模拟量信号往往转换器输出的模拟量信号往往无法直接驱动执行机构，需要放大无法直接驱动执行机构，需要放大/ /变换电路变换电路进行适当地放大或进行适当地放大或变换变换。 l 多路模拟量输出通道的一般结构多路模拟量输出通道的一般结构 微型计算机 寄存器 D/A转换器 保持器 执行机构 多路开关 保持器 执行机构 保持器 执行机构 l D/A D/A转换器（

4、转换器（Digital to Analog ConverterDigital to Analog Converter） 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器、转换器、倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器、转换器、权电流型权电流型D/AD/A转换器等。转换器等。 模拟量输出通道中的关键部件模拟量输出通道中的关键部件 按其工作原理可分为按其工作原理可分为: :3.1.1 D/A3.1.1 D/A转换原理转换原理1 1、倒、倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器 倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器由求和运算放大转换器由求和运算放大器、模拟开关和电阻网络等组成

5、，电阻网络中器、模拟开关和电阻网络等组成，电阻网络中的电阻接成倒的电阻接成倒T T型型 电路原理如图电路原理如图3.33.3所示。所示。 图图3.3 3.3 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器原理图转换器原理图 由于由于V V- -=V=V+ +=0=0，所以，无论开关，所以，无论开关S S3 3、S S2 2、S S1 1、S S0 0与哪一边接通，各与哪一边接通，各2R2R电阻的上端都相当于接电阻的上端都相当于接通通“地电位地电位”端，电阻网络的等效电路如下图端，电阻网络的等效电路如下图3.43.4所示。所示。图图3.4 3.4 电阻网络的等效电路电阻网络的等效电路 1 1、

6、倒、倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器 设总电流为设总电流为，图中看出从，图中看出从1111、2222、3333、4444每个端口向左看的等效电阻都是每个端口向左看的等效电阻都是R R，所以从参考电源流入电阻网络的总电流所以从参考电源流入电阻网络的总电流(式3-1) 流过流过4444 电阻支路的电流为电阻支路的电流为/2/2，流过，流过3333、2222、1111各电阻支路的电流分别为各电阻支路的电流分别为/4/4、/8/8、/16/16。1 1、倒、倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器 当某位数字量为当某位数字量为“0”“0”时，控制相应的开关时，控制相应的

7、开关与与“地电位地电位”端接通，相应电阻支路的电流不流端接通，相应电阻支路的电流不流过放大器的反馈电阻。过放大器的反馈电阻。 当某位数字量为当某位数字量为“1”“1”时（如时（如d d0 0=1=1），控制相），控制相应的开关（如应的开关（如S S0 0）与放大器的反相输入端接通，）与放大器的反相输入端接通，相应电阻支路的电流（相应电阻支路的电流（/16/16）流过放大器的反）流过放大器的反馈电阻馈电阻R RF F（因（因i i=0=0）。）。 在图在图3.33.3中，设需要转换的二进制数字量中，设需要转换的二进制数字量d d3 3d d2 2d d1 1d d0 0, ,开关开关S S3 3

8、S S0 0受数字量受数字量d d3 3d d0 0的控制。的控制。1 1、倒、倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器故流过放大器反馈电阻的总电流故流过放大器反馈电阻的总电流 ：（3-2）又又 故取反馈电阻故取反馈电阻R RF F=R=R，并将（式，并将（式3-13-1），（），（3-23-2）代入上式，有输出电压：代入上式，有输出电压：（3-3）（式（式3-33-3）表明输出模拟电压正比于输入的数字量，）表明输出模拟电压正比于输入的数字量，1 1、倒、倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器 实现了数字量转换为模拟量的功能。对于实现了数字量转换为模拟量的功能。对于n

9、 n位位倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器，输入为转换器，输入为n n位二进制位二进制数字量数字量d dn-1n-1d dn-2n-2d d1 1d d0 0，输出的，输出的模拟电压：模拟电压：)2222(2001122110ddddVvnnnnnREF 可见倒可见倒T T型电阻网络的电阻取值只有型电阻网络的电阻取值只有R R和和2R2R两种，精度容易保证，而且，流过各两种，精度容易保证，而且，流过各2R2R电阻电阻的电流直接流入运算放大器的输入端，提高的电流直接流入运算放大器的输入端，提高了转换速度。了转换速度。 利用倒利用倒T T型电阻网络制作的集成芯片种类很型电阻网络制作的

10、集成芯片种类很多，例如多，例如DAC0832DAC0832（8 8位）、位）、5G75205G7520（1010位）、位）、AD7524AD7524（8 8位）、位）、AD7546AD7546（1616位）等。位）等。 1 1、倒、倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器2 2、权电流型、权电流型D/AD/A转换器转换器 倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器在转换过程中利转换器在转换过程中利用模拟开关将基准电压接到电阻网络中，分析用模拟开关将基准电压接到电阻网络中，分析时，把模拟开关当做理想开关对待，实际中，时，把模拟开关当做理想开关对待，实际中，模拟开关都存在一定的导

11、通电阻和导通压降，模拟开关都存在一定的导通电阻和导通压降，而且，每个开关的导通电阻和导通压降各不相而且，每个开关的导通电阻和导通压降各不相同，不可避免地会使流过各支路的电流有所变同，不可避免地会使流过各支路的电流有所变化，引起转换误差。化，引起转换误差。 为此，用一组恒流源取代倒为此，用一组恒流源取代倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器中的电阻网络，可构成转换器中的电阻网络，可构成权电流型权电流型D/AD/A转换器。转换器。 权电流型权电流型D/AD/A转换器包含运算放大器、模拟转换器包含运算放大器、模拟开关和恒流源，原理电路如图开关和恒流源，原理电路如图3.53.5所示。恒流源所示

12、。恒流源从高位到低位电流大小依次取为从高位到低位电流大小依次取为I/2I/2、I/4I/4、I/8I/8、I/16I/16。图图3.5 3.5 权电流型权电流型D/AD/A转换器原理图转换器原理图 2 2、权电流型、权电流型D/AD/A转换器转换器 设要转换的二进制数字量仍为设要转换的二进制数字量仍为d d3 3d d2 2d d1 1d d0 0，与倒与倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器类似。转换器类似。 当某位为当某位为“1”“1”时控制开关时控制开关S S与运算放大器与运算放大器的反向输入端接通，恒流源提供的电流流过的反向输入端接通，恒流源提供的电流流过放大器的反馈电阻；放大

13、器的反馈电阻； 当某位数字量为当某位数字量为“0”“0”时控制开关时控制开关S S与与“地地电位电位”接通，恒流源提供的电流不流过放大接通，恒流源提供的电流不流过放大器的反馈电阻。器的反馈电阻。2 2、权电流型、权电流型D/AD/A转换器转换器 03210234321032104()2222(2222)2FFFviRIIIIRddddRIdddd 可见输出电压正比于输入的数字量。可见输出电压正比于输入的数字量。 采用恒流源后，由于恒流源内阻极大，采用恒流源后，由于恒流源内阻极大，相当于开路，所以各支路权电流的大小不受相当于开路，所以各支路权电流的大小不受开关导通电阻和电压的影响，降低了对开关开

14、关导通电阻和电压的影响，降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。电路的要求，提高了转换精度。 在单片集成在单片集成DACDAC中，中，DAC0806DAC0806、DAC0807DAC0807、DAC0808DAC0808等采用权电流型等采用权电流型D/AD/A转换电路。转换电路。 则运算放大器的输出电压则运算放大器的输出电压:1 1、转换精度转换精度l D/AD/A转换器的转换精度转换器的转换精度 指在整个工作区间实际的输出电压与理想指在整个工作区间实际的输出电压与理想输出电压之间的偏差输出电压之间的偏差 通常用分辨率和转换误差描述。通常用分辨率和转换误差描述。 3.1.2 D/A3.1.2

15、 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 （1）分辨率）分辨率 指当输入数字发生单位数码变化时所对指当输入数字发生单位数码变化时所对应的输出模拟量的变化量。应的输出模拟量的变化量。 DACDAC的位数（输入二进制数码的位数）的位数（输入二进制数码的位数）越多，输出电压的取值个数越多，越能反映越多，输出电压的取值个数越多，越能反映输出电压的细微变化，分辨率越高，一般可输出电压的细微变化，分辨率越高，一般可用用DACDAC的位数衡量分辨率的高低。的位数衡量分辨率的高低。 另外，另外，DACDAC的分辨率也可用的分辨率也可用DACDAC能够分辨出能够分辨出的最小电压（对应输入二进制代码中只有

16、最的最小电压（对应输入二进制代码中只有最低有效位为低有效位为1 1，其余为零）与最大输出电压，其余为零）与最大输出电压（对应输入二进制代码中各位全为（对应输入二进制代码中各位全为1 1）的比值）的比值表征。表征。 例如例如8位的位的D/A转换器，分辨率为转换器，分辨率为:8110.00390.39%21255 对于对于n n位位D/AD/A转换器，分辨率为转换器，分辨率为1/(21/(2n n-1)-1)分辨分辨率是率是D/AD/A转换器在理论上能达到的精度。不考虑转换器在理论上能达到的精度。不考虑转换误差时，转换精度即为分辨率的大小。转换误差时，转换精度即为分辨率的大小。（1）分辨率）分辨率

17、（2）转换误差）转换误差 实际实际D/AD/A转换器由于各元件参数值存在转换器由于各元件参数值存在误差、基准电压不够稳定以及运算放大器的误差、基准电压不够稳定以及运算放大器的漂移等，使漂移等，使D/AD/A转换器实际转换精度受转换转换器实际转换精度受转换误差的影响，低于理论转换精度。误差的影响，低于理论转换精度。 转换误差转换误差指实际输出的模拟电压与理想指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差，常用这个最大偏差与输值之间的最大偏差，常用这个最大偏差与输出电压满刻度（出电压满刻度（Full Scale RangeFull Scale Range简称简称FSRFSR）的百分比或最低有效位（的百

18、分比或最低有效位（LSBLSB）的倍数）的倍数表示。表示。 一般是增益误差、漂移误差和非线形误差一般是增益误差、漂移误差和非线形误差的综合指标。的综合指标。l 增益误差（比例系数误差）增益误差（比例系数误差） D/AD/A转换器的输出与输入特性曲线的斜转换器的输出与输入特性曲线的斜率称为率称为D/AD/A转换增益或标度系数。实际转换转换增益或标度系数。实际转换的增益与理想增益之间的偏差为增益误差。的增益与理想增益之间的偏差为增益误差。主要由基准电压和运算放大器增益的不稳定主要由基准电压和运算放大器增益的不稳定引起。引起。l 漂移误差（平移误差）漂移误差（平移误差） 当输入数字为全零时实际输出值

19、与理想当输入数字为全零时实际输出值与理想输出值的差值，即输入数字为全零时输出不输出值的差值，即输入数字为全零时输出不为为0 0的值。由运算放大器的零点漂移引起，的值。由运算放大器的零点漂移引起，与输入的数字量无关，将理想曲线向上或向与输入的数字量无关，将理想曲线向上或向下平移，不改变其线性，也称平移误差。下平移，不改变其线性，也称平移误差。l 非线性误差（非线性度）非线性误差（非线性度） 实际转换特性曲线与理想特性曲线之间实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，一般用该偏差相对于满刻度之的最大偏差，一般用该偏差相对于满刻度之比的百分数表示。主要由模拟开关的导通电比的百分数表示。主要由模拟

20、开关的导通电阻、导通压降和电阻网络的阻值偏差引起，阻、导通压降和电阻网络的阻值偏差引起，是一种没有一定变化规律的误差。是一种没有一定变化规律的误差。 例如某例如某8 8位位DACDAC的非线性误差为的非线性误差为0.05%0.05%，最大正、负误差为最大正、负误差为: :810.05%0.05% (21)0.12758FSRLSBLSBLSB 因此，非线性误差也常用若干个因此，非线性误差也常用若干个LSBLSB表示（如表示（如上例的上例的1/8LSB1/8LSB），一般要求），一般要求DACDAC的非线形误差小的非线形误差小于于 。12LSBl 非线性误差（非线性度）非线性误差（非线性度）2

21、2、转换速度、转换速度 一般由建立时间决定。建立时间是指当输一般由建立时间决定。建立时间是指当输入的数字量变化时，输出电压进入与稳态值相入的数字量变化时，输出电压进入与稳态值相差差 范围以内的时间。范围以内的时间。 输入数字量的变化越大，建立时间越长，输入数字量的变化越大，建立时间越长，所以输入从全所以输入从全0 0跳变为全跳变为全1 1（或从全（或从全1 1变为全变为全0 0）时建立时间最长，该时间称为满量程建立时间，时建立时间最长，该时间称为满量程建立时间，一般手册上给出的建立时间指满量程建立时间。一般手册上给出的建立时间指满量程建立时间。12LSB3.2 D/A3.2 D/A转换器与微处

22、理器的转换器与微处理器的接口接口 DACDAC芯片种类繁多，目前常用的芯片种类繁多，目前常用的DACDAC可分为可分为: : 从数码位数上看，有从数码位数上看，有8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位。位。 在输出形式上，有：电压输出型和电流输出型。在输出形式上，有：电压输出型和电流输出型。 按输入是否含有锁存器分为：内部无锁存器和按输入是否含有锁存器分为：内部无锁存器和内部有锁存器形式。内部有锁存器形式。 按数字量的输入形式分为：并行总线按数字量的输入形式分为：并行总线D/AD/A转换转换器和串行总线器和串行总线D/AD/A转换器。转换器。 按转换时间分为：超高速按转换时间

23、分为：超高速DACDAC（转换时间（转换时间100ns100ns）、高速）、高速DACDAC（介于（介于100ns100ns10s10s之间）、之间）、中速中速DACDAC（介于（介于10s10s100s100s之间）、低速之间）、低速DACDAC（100s100s）等。）等。 不同形式的不同形式的DACDAC与微处理器接口有所不同。有与微处理器接口有所不同。有些些DACDAC将电阻网络、模拟开关、数据锁存器、基准将电阻网络、模拟开关、数据锁存器、基准电源及运算放大器等集成在一片芯片上，方便使电源及运算放大器等集成在一片芯片上，方便使用。用。 下面分别以并行和串行下面分别以并行和串行DACDA

24、C为例介绍。为例介绍。1 1、带锁存器的并行、带锁存器的并行D/AD/A与微处理器的接口与微处理器的接口 常用常用DACDAC芯片有：芯片有：8 8位分辨率的位分辨率的DAC0800DAC0800系列、系列、DAC0830DAC0830系列；系列；1010位分辨率的位分辨率的DAC1020DAC1020系列、系列、AD7520AD7520系列；系列；1212位分辨率的位分辨率的DAC1208DAC1208系列、系列、AD1230AD1230系列、系列、DAC1220DAC1220系列、系列、AD7521AD7521系列等。系列等。 其中其中DAC0832DAC0832是美国国家半导体公司生产的

25、是美国国家半导体公司生产的8 8位分辨率的位分辨率的D/AD/A转换芯片，主要性能如下：转换芯片，主要性能如下： 分辨率分辨率8 8位；位； 转换时间转换时间1s1s； 参考电压参考电压10V10V； 单电源单电源5V5V15V15V； 功耗功耗20mW20mW。 DAC0832DAC0832的内部结构如图的内部结构如图3.63.6所示，内部有两所示，内部有两级数据缓冲器（级数据缓冲器（8 8位输入寄存器和位输入寄存器和8 8位位DACDAC寄存器）寄存器）和一个和一个D/AD/A转换器以及门控电路。内部无参考电源，转换器以及门控电路。内部无参考电源，需外接；输出电流型，要获得电压输出需外加转

26、需外接；输出电流型，要获得电压输出需外加转换电路。各引脚含义如下：换电路。各引脚含义如下： DI DI7 7DIDI0 0 ：8 8位数字量输入信号，其中位数字量输入信号，其中DIDI0 0为最为最 低位，低位， DI DI7 7为最高位。为最高位。 ILE ILE ：输入寄存器的允许信号，高电平有效。：输入寄存器的允许信号，高电平有效。 : : 片选信号，低电平有效。片选信号，低电平有效。 ：数据写入输入寄存器的控制信号，低电：数据写入输入寄存器的控制信号，低电 平有效。平有效。1WRCSCSWR1ILEDI7DI0LE1LE2IOUT2VREFIOUT1Rfb模拟地DGNDAGNDVCC数

27、字地8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器WR2XFER图图3.6 DAC0832 内部结构图内部结构图 ：8 8位数字量输入信号，其中位数字量输入信号，其中DIDI0 0为最低为最低 位，位，DIDI7 7为最高位为最高位 DI0DI7DI7DI0ILECS : : 片选信号，低电平有效片选信号，低电平有效 ：数据写入：数据写入DACDAC寄存器的控制信号寄存器的控制信号, ,低电平有效。低电平有效。1WR ：输入寄存器的允许信号，高电平有效输入寄存器的允许信号，高电平有效 ：数据写入数据写入DACDAC寄存器的控制信号寄存器的控制信号, ,低电平有效。低电平有效。2WR ：传送控制

28、信号，低电平有效。传送控制信号，低电平有效。 XFER ：参考电压输入端，可接正负电压，范围为参考电压输入端，可接正负电压，范围为-10-10+10V+10V。 REFV ：内部反馈电阻引脚，可外接输出增益调整电位器。内部反馈电阻引脚，可外接输出增益调整电位器。fbR : : 模拟电流输出，模拟电流输出， 其中其中D D为为 输输入的数字量。当输入数字入的数字量。当输入数字D D为全为为全为“1”“1”时，输出电流最大时，输出电流最大( );( );当输入数字为全为当输入数字为全为“0”“0”时，输出电流为时，输出电流为0 0。1OUTI256fb1DRVIREFOUT255/256REFfb

29、VR07DIDI ：芯片电源，芯片电源，+5+5+15V+15V，典型值为，典型值为 +15V +15V。 AGND AGND ：模拟地，芯片模拟信号接地点。：模拟地，芯片模拟信号接地点。 DGND DGND ：数字地，芯片数字信号接地点。：数字地，芯片数字信号接地点。CCV 由图可见，两个数据缓冲器的工作状态分别受由图可见，两个数据缓冲器的工作状态分别受 和和 的控制，当的控制，当 = 0 = 0时，输入数据寄存器的输时，输入数据寄存器的输出跟随输入的变化而变化，当出跟随输入的变化而变化，当 =1 =1时，输入数据被时，输入数据被锁存，寄存器的输出不跟随输入的变化而变化。锁存，寄存器的输出不

30、跟随输入的变化而变化。 信号由信号由ILEILE信号和信号和 、 共同控制，当共同控制，当 、 均均为低电平而为低电平而ILEILE为高电平时，为高电平时， =0 =0；而当；而当ILEILE信号信号和和 、 中任一个电平发生变化时，中任一个电平发生变化时， =1 =1。1LE1LE1LECS1WRCS1WR1LECS1WR1LE1LE2LE ：模拟电流输出，模拟量为差动电流输出模拟电流输出，模拟量为差动电流输出, ,与与 的关系是：的关系是： 常数常数2OUTI1OUTI12OUTOUTII 受受 和和 的控制，当的控制，当 和和 同时有效时同时有效时( (均为均为0)0)，输入寄存器的数据

31、被装入，输入寄存器的数据被装入DACDAC寄存器，同时启动一次寄存器，同时启动一次D/AD/A转换，转换的结果转换，转换的结果以差动电流的形式从以差动电流的形式从 和和 端输出。端输出。DAC0832DAC0832有三种工作方式：有三种工作方式：2LE2WRXFER2WRXFER1OUTI2OUTI（1）直通方式）直通方式 当当 、 、 和和 都接数字地，都接数字地，ILEILE接高电平时，芯片工作于直通方式。此时，只要接高电平时，芯片工作于直通方式。此时，只要数字量从数字量从DIDI7 7DIDI0 0输入，就立即进行输入，就立即进行D/AD/A转换，转换，并输出转换结果。此种工作方式下，并

32、输出转换结果。此种工作方式下，DAC0832DAC0832不不能直接与能直接与CPUCPU的数据线相连，很少使用。的数据线相连，很少使用。CS2WR1WRXFER（2）单缓冲方式）单缓冲方式 此种工作方式下，两个寄存器中任一个处于此种工作方式下，两个寄存器中任一个处于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态或两个直通状态，另一个工作于受控锁存器状态或两个寄存器同步受控。应用于只有一路模拟输出或有寄存器同步受控。应用于只有一路模拟输出或有多路输出但不要求多路同时输出的场合。多路输出但不要求多路同时输出的场合。 图图3.7 3.7 所示为单缓冲工作方式下所示为单缓冲工作方式下DAC0832DAC083

33、2与与80318031单片机的一种连接方法。单片机的一种连接方法。图图3.7 3.7 单缓冲工作方式单缓冲工作方式 将将ILEILE接接+5V+5V电源，电源， 和和 同时由同时由CPUCPU的的 控制，控制， 和和 接地址选择线接地址选择线P2.7P2.7，使两级寄，使两级寄存器的控制信号同时选通存器的控制信号同时选通, ,使使CPUCPU对对DAC0832DAC0832进行进行一次写操作，输入数据便在控制信号的控制下，一次写操作，输入数据便在控制信号的控制下，直接进入内部直接进入内部DACDAC寄存器中，并进入寄存器中，并进入DACDAC转换器进转换器进行行D/AD/A转换。相应程序片断如

34、下：转换。相应程序片断如下：CS2WR1WRXFERMOVMOVDPTR,#7FFFHDPTR,#7FFFH；给出；给出08320832的地址的地址MOVMOVA,#DATAA,#DATA；待转换的数据送入；待转换的数据送入A AMOVXMOVXDPTR,ADPTR,A；数据送入；数据送入08320832并启动并启动D/AD/A转换转换（3 3）双缓冲方式）双缓冲方式 此种工作方式下，此种工作方式下，CPUCPU对对DAC0832DAC0832进行两次写进行两次写操作，操作，CPUCPU经数据总线分时向各路经数据总线分时向各路DACDAC输入要转换输入要转换的数字量，并锁存在各路的数字量，并锁

35、存在各路DACDAC的输入寄存器中，的输入寄存器中，然后然后CPUCPU对所有的对所有的DACDAC发出控制信号，使各个发出控制信号，使各个DACDAC输入寄存器中的数据输入输入寄存器中的数据输入DACDAC寄存器，实现多路寄存器，实现多路同步转换输出。同步转换输出。 此时，将此时，将ILEILE接接+5V+5V； 、 均接均接CPUCPU的的 , , 和和 分别接两个端口的地址译码信号，其中，分别接两个端口的地址译码信号，其中， . .作为输入寄存器的选通信号，作为输入寄存器的选通信号， 作为作为DACDAC转换转换寄存器的选通信号，如图寄存器的选通信号，如图3.83.8所示为双缓冲工作方所

36、示为双缓冲工作方式下式下DAC0832DAC0832与与80318031单片机的连接方法，由图可见，单片机的连接方法，由图可见，两片输入寄存器的地址分别为两片输入寄存器的地址分别为BFFFHBFFFH和和7FFFH7FFFH，两，两片片DACDAC寄存器的地址均为寄存器的地址均为DFFFHDFFFH。CS2WR1WRXFERWRCSXFER 若设要输出的数据存于若设要输出的数据存于R1R1、R2R2寄存器中。相应寄存器中。相应的转换程序如下：的转换程序如下：图图3.8 3.8 双缓冲工作方式双缓冲工作方式MOVMOVDPTR,#0BFFFHDPTR,#0BFFFHMOVMOVA,R1A,R1M

37、OVXMOVXDPTR,ADPTR,A；待转换的数据送入；待转换的数据送入1#08321#0832寄存器寄存器MOVMOVDPTR,#7FFFHDPTR,#7FFFHMOVMOVA,R2A,R2MOVXMOVXDPTR,ADPTR,A；待转换的数据送入；待转换的数据送入2#08322#0832寄存器寄存器MOVMOVDPTR,#0DFFFHDPTR,#0DFFFHMOVXMOVXDPTR,ADPTR,A； 1# 1#、2#2#转换结果同时输出转换结果同时输出 该工作方式下，数据接收和启动转换可以异该工作方式下，数据接收和启动转换可以异步进行，即在对某数据转换的同时，能进行下一步进行，即在对某数

38、据转换的同时，能进行下一数据的接收，以提高转换速率。数据的接收，以提高转换速率。 由于由于DAC0832DAC0832的转换结果以差动电流形式输出，的转换结果以差动电流形式输出，所以在上述两种工作方式中，在电流输出端外接所以在上述两种工作方式中，在电流输出端外接了运算放大器，转换成电压输出。了运算放大器，转换成电压输出。 在图在图3.83.8中，参考电压中，参考电压 接接 + 5V + 5V，输出为，输出为0 0-5V-5V的单极性电压（若参考电压的单极性电压（若参考电压 接接+5V+5V，输出输出0 05V5V的单极电压），输出电压与输入数字量的单极电压），输出电压与输入数字量D D的关系为

39、的关系为02REFnVUD REFVREFV(3-4) 有时希望输出双极性的电压信号，这时，可有时希望输出双极性的电压信号，这时，可按图按图3.93.9（a a）所示连接。此时，可将单极性的输）所示连接。此时，可将单极性的输出电压出电压 转换为双极性的输出电压转换为双极性的输出电压0V1VREFVVV012(3-5) 将式（将式（3-43-4）代入式（）代入式（3-53-5）得到）得到 与待转与待转换的数字量换的数字量D D的关系为的关系为1V1281281DVVREF(3-6) 由式（由式（3-63-6）得到输出模拟量和待转换的数字）得到输出模拟量和待转换的数字量的关系如图量的关系如图3.9

40、3.9（b b）所示。）所示。图图3.9 3.9 双极性转换电路图双极性转换电路图 为保证输出的线性（为保证输出的线性（ 和和 ）的电位应）的电位应尽可能接近零尽可能接近零 电位，否则，运算放大器输入端的微小电位，否则，运算放大器输入端的微小电位差会导致很大的输出线性误差。电位差会导致很大的输出线性误差。 1OUTI2OUTI DACDAC输出电压形式的模拟量时，其内阻很小，外接负载电输出电压形式的模拟量时，其内阻很小，外接负载电阻应较大；输出电流形式的模拟量时，其内阻较大，外接负阻应较大；输出电流形式的模拟量时，其内阻较大，外接负载电阻应很小。载电阻应很小。2 2、串行数模转换器及其与微处理

41、器接口、串行数模转换器及其与微处理器接口 串行数模转换器占用串行数模转换器占用CPUCPU引脚数少、功耗低，引脚数少、功耗低，在便携式智能仪器中应用广泛，有多家公司生产。在便携式智能仪器中应用广泛，有多家公司生产。 其中其中TLC5615TLC5615是美国德州仪器公司生产的具有是美国德州仪器公司生产的具有串行接口的串行接口的1010位位DACDAC芯片，性能价格比高，通过芯片，性能价格比高，通过3 3根串行总线可完成根串行总线可完成1010位数据的串行输入，主要性位数据的串行输入，主要性能特点如下：能特点如下： l0 l0位位CMOSCMOS电压输出；电压输出； 5V 5V单电源供电；单电源

42、供电； 与与CPUCPU三线串行接口；三线串行接口； 最大输出电压可达基准电压的二倍；最大输出电压可达基准电压的二倍； 输出电压和基准电压极性相同；输出电压和基准电压极性相同； 建立时间建立时间12.5 s12.5 s； 内部上电复位；内部上电复位； 低功耗。最大仅低功耗。最大仅1.75mW1.75mW；（1）引脚功能及内部结构框图）引脚功能及内部结构框图 8 8脚直插式脚直插式TLC5615TLC5615的引脚分布如图的引脚分布如图3.103.10所示，所示，引脚功能如下：引脚功能如下：D DININ ：串行二进制数输入端；：串行二进制数输入端；SCLK SCLK ：串行时钟输入端；：串行时

43、钟输入端； ：芯片选择端，低电平有效；：芯片选择端，低电平有效；D DOUTOUT ：用于级联时的串行数据输出端；：用于级联时的串行数据输出端；AGND AGND ：模拟地；：模拟地；V VREFIN REFIN ：基准电压输入端；：基准电压输入端；2V2V(V(VDDDD-2)-2)，通常取，通常取2.048V2.048VV VOUTOUT ：DACDAC模拟电压输出端；模拟电压输出端；V VDDDD ：正电源端，：正电源端，4.54.55.5V5.5V，通常取，通常取5V5V。CS图图3.10 TLC56153.10 TLC5615引脚图引脚图 TLC5615TLC5615的内部功能框图如

44、图的内部功能框图如图3.113.11所示，主所示，主要由电压跟随器、要由电压跟随器、1616位移位寄存器、并行输入输位移位寄存器、并行输入输出的出的1010位位DACDAC寄存器、寄存器、1010位位DACDAC转换电路、放大器转换电路、放大器以及上电复位电路和控制电路等组成。以及上电复位电路和控制电路等组成。 电压跟随器为参考电压端电压跟随器为参考电压端 提供高输入提供高输入阻抗（约阻抗（约10M10M）；）； 1616位移位寄存器分为高位移位寄存器分为高4 4位虚拟位、位虚拟位、1010位数位数据位以及低据位以及低2 2位填充位，用于接受串行移入的二位填充位，用于接受串行移入的二进制数，并

45、将其送入并行输入输出的进制数，并将其送入并行输入输出的1010位位DACDAC寄寄存器存器 REFINV图图3.11 TLC56153.11 TLC5615的内部功能框图的内部功能框图 寄存器输出的内容可送入寄存器输出的内容可送入1010位位DACDAC转换电路，转换电路，由由DACDAC转换电路将转换电路将1010位数字量转换为模拟量，进位数字量转换为模拟量，进入放大器，放大器将模拟量放大为最大值为入放大器，放大器将模拟量放大为最大值为2 2倍倍于参考电压（于参考电压（ ）的输出电压，并从模拟电）的输出电压，并从模拟电压输出端压输出端 端输出。端输出。REFINVOUTV（2 2）TLC56

46、15TLC5615的工作方式的工作方式 TLC5615 TLC5615有级联和非级联两种工作方式。有级联和非级联两种工作方式。 非级联方式（单片工作）时，只需从非级联方式（单片工作）时，只需从D DININ端向端向1616位移位寄存器输入位移位寄存器输入l2l2位数据。其中，前位数据。其中，前1010位位 为待转换有效数据位，且输入时高位在前，低位为待转换有效数据位，且输入时高位在前，低位在后；后两位为填充位，填充位数据任意（一般在后；后两位为填充位，填充位数据任意（一般填入填入0 0）。在级联（多片同时）工作方式下，可）。在级联（多片同时）工作方式下，可将本片的将本片的DOUTDOUT端接到

47、下一片的端接到下一片的DINDIN端，此时，需端，此时，需要向要向1616位移位寄存器先输入高位移位寄存器先输入高4 4位虚拟位、再输位虚拟位、再输入入1010位有效数据位，最后输入低位有效数据位，最后输入低2 2位填充位。由位填充位。由于增加了高于增加了高4 4位虚拟位，所以需要位虚拟位，所以需要1616个时钟脉冲。个时钟脉冲。无论工作于哪一种方式，输出电压无论工作于哪一种方式，输出电压: : 式中，式中，D D为待转换的数字量为待转换的数字量 10242DVVREFINOUT（3 3）TLC5615TLC5615的时序图的时序图 TLC5615TLC5615的工作时序如图的工作时序如图3.

48、123.12所示，由时序图可看所示，由时序图可看出，串行数据的输入和输出必须满足片选信号出，串行数据的输入和输出必须满足片选信号 为低电为低电平和时钟信号平和时钟信号SCLKSCLK有效跳变两个条件。有效跳变两个条件。 当片选当片选 为低电平时，输入数据为低电平时，输入数据D DININ由时钟由时钟SCLKSCLK同步同步输入或输出，最高有效位在前，低有效位在后输入或输出，最高有效位在前，低有效位在后。 CS图图3.12 TLC5615的工作时序图的工作时序图CS 输入时输入时SCLKSCLK的上升沿把串行输入数据的上升沿把串行输入数据D DININ移移人内部的人内部的1616位移位寄存器，位

49、移位寄存器，SCLKSCLK的下降沿的下降沿D DOUTOUT输输出串行数据，片选出串行数据，片选 的上升沿把数据传送至的上升沿把数据传送至DACDAC寄存器。寄存器。CS 当片选当片选 为高电平时，串行输入数据为高电平时，串行输入数据D DININ不不能由时钟同步送入移位寄存器；输出数据能由时钟同步送入移位寄存器；输出数据D DOUTOUT保保持最近的数值不变而不进入高阻状态。持最近的数值不变而不进入高阻状态。 CS 即即SCLKSCLK的上升和下降都必须发生在的上升和下降都必须发生在 为低为低电平期间。为了使时钟内部馈通最小，当片选电平期间。为了使时钟内部馈通最小，当片选 为高电平时，输入

50、时钟为高电平时，输入时钟SCLKSCLK为低电平。为低电平。CSCS（3 3）TLC5615TLC5615的时序图的时序图 图图3.12 TLC56153.12 TLC5615的时序图的时序图（4 4）TLC5615TLC5615与微处理器接口电路与微处理器接口电路 TLC5615 TLC5615和和AT89C51AT89C51单片机的一种接口电路如单片机的一种接口电路如图图3.133.13所示所示: : 图图3.13 TLC56153.13 TLC5615和和AT89C51AT89C51接口电路接口电路 TLC5615TLC5615工作于非级联方式，工作于非级联方式，AT89C51AT89C

51、51单片机单片机的的P P3.03.0P P3.23.2分别控制分别控制TLC5615TLC5615的片选端的片选端 串行时串行时钟输入端钟输入端SCLKSCLK和串行数据输入端和串行数据输入端D DININ。 CS 设设TLC5615TLC5615的基准电压为的基准电压为2.048V2.048V，最大模拟，最大模拟输出电压为输出电压为4.096V4.096V，要输入的，要输入的1212位数据存于位数据存于R0R0、R1R1寄存器中，寄存器中，D DA A转换程序段如下：转换程序段如下： CLR P3.0 CLR P3.0 ；片选有效；片选有效MOV R2MOV R2，#4#4；将要送入的前四

52、位数据位数；将要送入的前四位数据位数MOV AMOV A，R0R0；前四位数据送累加器低四位；前四位数据送累加器低四位SWAP ASWAP A；A A中高四位与低四位互换中高四位与低四位互换LCALL sub-writeLCALL sub-write ；DINDIN输入前四位数据输入前四位数据MOV R2MOV R2，#8#8；将要送入的后八位数据位数；将要送入的后八位数据位数MOV AMOV A，R1R1；八位数据送入累加器；八位数据送入累加器A ALCALL sub-writeLCALL sub-write ；DINDIN输入后八位数据输入后八位数据CLR P3.1CLR P3.1；时钟低

53、电平；时钟低电平SETB P3.0SETB P3.0；片选高电平，输入的；片选高电平，输入的l2l2位数据位数据有效有效ENDEND ； 结束结束送数子程序如下：送数子程序如下：sub-writesub-write： NOP NOP ；空操作；空操作LOOPLOOP： CLR P3.1 CLR P3.1；时钟低电平；时钟低电平 RLC A RLC A ；数据送人位标志位；数据送人位标志位CYCY MOV P3.2 MOV P3.2，C C ；数据输入有效；数据输入有效 SETB P3.1 SETB P3.1 ；时钟高电平；时钟高电平 DJNZ R2 DJNZ R2，LOOPLOOP ；循环送数

54、；循环送数 RET RET ；返回；返回3.3 DAC3.3 DAC的应用的应用 DACDAC输出的模拟电压或电流取决于输入的数输出的模拟电压或电流取决于输入的数字量，在硬件电路相同的情况下，利用计算机程字量，在硬件电路相同的情况下，利用计算机程序给序给DACDAC输入不同的数字量可在输入不同的数字量可在DACDAC的输出端得到的输出端得到不同的波形，构成波形发生器。不同的波形，构成波形发生器。 如某如某8 8位位DACDAC与与80318031系列系列CPUCPU相连的电路如图相连的电路如图3.143.14所示，当输入不同的程序时可在输出端得到所示，当输入不同的程序时可在输出端得到不同的波形

55、。不同的波形。图图3.14 83.14 8位位DACDAC与与80518051系列系列CPUCPU相连构成的波形发生器电路相连构成的波形发生器电路1 1、阶梯波发生器阶梯波发生器 如果送入如果送入DACDAC的数字由的数字由0 0不断增加，不断增加，V V0 0端将输端将输出阶梯波。如下面的程序，出阶梯波。如下面的程序，DELAYDELAY为延时时间，为延时时间，每隔一个每隔一个DELAYDELAY时间将输出一个阶梯，如图时间将输出一个阶梯，如图3.153.15所示。所示。图图3.15 3.15 用用D/AD/A实现的阶梯波实现的阶梯波 MOV DPTR , #7FFFH MOV DPTR ,

56、 #7FFFH MOV A , #00H MOV A , #00H ；从；从0 0开始开始LOOP:LOOP: MOVX DPTR , A MOVX DPTR , A ADD A , #N ADD A , #N ACALL DELAY ACALL DELAY SJMP LOOP SJMP LOOP ；停止；停止 调节延时时间调节延时时间DELAYDELAY可产生不同斜率的阶梯可产生不同斜率的阶梯波；将参考电压变为正值可产生负阶梯波，改波；将参考电压变为正值可产生负阶梯波，改 变变N N的值可得到不同阶梯高度的阶梯波。的值可得到不同阶梯高度的阶梯波。2 2、锯齿波发生器锯齿波发生器 当阶梯波发生

57、器的阶梯长度和高度很小时，当阶梯波发生器的阶梯长度和高度很小时，即延时时间即延时时间DELAYDELAY很小且很小且D/AD/A位数较多时，可将阶位数较多时，可将阶梯波近似看为一条直线，直线循环发生，可输出梯波近似看为一条直线，直线循环发生，可输出锯齿波。锯齿波。 如图如图3.163.16所示，图（所示，图（a a）为正锯齿波波形，）为正锯齿波波形，图（图（b b）为负锯齿波波形。正锯齿波的程序为：）为负锯齿波波形。正锯齿波的程序为：（a a）正锯齿波）正锯齿波（b b）负锯齿波）负锯齿波图图3.16 3.16 用用D/AD/A实现的锯齿波实现的锯齿波 MOV DPTR,#7FFFH MOV

58、DPTR,#7FFFH MOV A,#00H MOV A,#00HLOOP: MOVX DPTR,ALOOP: MOVX DPTR,A INC INC A A MOV R0,#DAT MOV R0,#DAT ；改变；改变DATADATA的值，可改变延时时间的值，可改变延时时间 DJNZ R0,$ DJNZ R0,$ SJMP LOOP SJMP LOOP 程序中累加器程序中累加器A A初值取大数，初值取大数，“INC AINC A”改改为为“DEC ADEC A”就可产生负向锯齿波。就可产生负向锯齿波。3 3、三角波发生器三角波发生器 将上述正向锯齿波和负向锯齿波组合起来将上述正向锯齿波和负向

59、锯齿波组合起来可输出三角波可输出三角波。4 4、正弦波发生器正弦波发生器 正弦波是最基本的波形之一。基于微处理器正弦波是最基本的波形之一。基于微处理器和和DACDAC利用软件控制的方法产生正弦波，具有灵利用软件控制的方法产生正弦波，具有灵活、方便、准确率高，稳定性好等优点。而且可活、方便、准确率高，稳定性好等优点。而且可产生多个具有准确相移的正弦波。产生多个具有准确相移的正弦波。 如利用如利用8 8位位DACDAC输出幅值为输出幅值为-5V-5V+5V+5V的正弦波的正弦波, ,由于输出的正弦波为双极性，所以将由于输出的正弦波为双极性，所以将DAC0832DAC0832输输出接成双极性输出形式

60、，如图出接成双极性输出形式，如图3.173.17所示。所示。 将一个周期（将一个周期（360360）的正弦波的幅值（）的正弦波的幅值（-5V-5V+5V+5V）分为）分为256256个点个点, ,每每2 2点间隔约为（点间隔约为（360360/256/256）=1.4=1.4。 图图3.17 3.17 输出双极性正弦波接口电路输出双极性正弦波接口电路 计算每个点对应的电压幅值所对应的数字量，计算每个点对应的电压幅值所对应的数字量，放入表格中。计算时可取波形的放入表格中。计算时可取波形的1/41/4计算好各个计算好各个点对应的值，如图点对应的值，如图2.762.76所示。根据对称关系，复所示。根