第二章 输入输出接口和输入输出通道 2-4

1、第五节第五节 D/A转换器转换器 2.5.1 D/A转换器的原理转换器的原理 2.5.2 D/A转换器的性能指标转换器的性能指标 2.5.3 典型的典型的D/A转换器芯片转换器芯片DAC08322.5.4 返回本章首页2R2R2R2R2R2RRRLRR-+AU0S1S2S3Sn2-n Dn2-3 D32-2 D22-1 D1URILIf2R2R2R2R2R2RRRLRR-+AU0S1S2S3Sn2-n Dn2-3 D32-2 D22-1 D1URILIf2R2R2R2R2R2RRRLRR-+AU0S1S2S3Sn2-n Dn2-3 D32-2 D22-1 D1URILIf结论：根据叠加原理，流

2、经负载电阻的电流结论：根据叠加原理，流经负载电阻的电流 IL 的表达式为：的表达式为： IL= （ 2-1 D1+ 2-2 D2 + + 2-n Dn) I = (2-1 D1+ 2-2 D2 + + 2-n Dn) 取取 Rf=3R，则，则 U0= IL Rf = UR（ 2-1 D1+ 2-2 D2 + + 2-n Dn)输出电压输出电压U0和和 1. 输入的数字量输入的数字量 2. 反馈电阻反馈电阻Rf 3. 标准电压标准电压UR 有关有关UR3R2.5.1 D/A转换器的原理转换器的原理 作用：把数字量转换成模拟量的器件。作用：把数字量转换成模拟量的器件。种类：并行（种类：并行（电流相

3、加型电流相加型和和电压相加型电压相加型）；）；串行（步进电机的控制）串行（步进电机的控制）在工业控制中，主要使用并行在工业控制中，主要使用并行D/A转换器。转换器。D/A转换器的原理可以归纳为转换器的原理可以归纳为“按权展开，然按权展开，然后相加后相加”。因此，。因此，D/A转换器内部必须要有一转换器内部必须要有一个个解码网络解码网络，以实现按权值分别进行，以实现按权值分别进行D/A转换。转换。解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和和T型电阻网络。型电阻网络。 权：数字量的每个数位所代表的值。如：权：数字量的每个数位所代表的值。如：8位二进制数的位二进制

4、数的最低位的权为最低位的权为20=1，最高位的权为，最高位的权为27=128数字量转换成模拟量（数字量转换成模拟量（D/A转换）：把每一位上的代码按转换）：把每一位上的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，再把代表各位的模拟量其权的大小转换成相应的模拟量，再把代表各位的模拟量相加。相加。D/A转换器的组成：转换器的组成： 1. 电阻网络：实现数字量往模拟电流的转换电阻网络：实现数字量往模拟电流的转换 2. 运算放大器：完成模拟电流相加并变为模拟电压输出运算放大器：完成模拟电流相加并变为模拟电压输出 3. 位切换开关位切换开关 4. 基准电压基准电压类型：类型： 1. 权电阻网络：所用的电阻阻值范

5、围很大权电阻网络：所用的电阻阻值范围很大 (20R、21R、2nR)，各电阻阻值都不相同，工艺上难于制，各电阻阻值都不相同，工艺上难于制造。造。 2. T型电阻网络：型电阻网络：只有只有R和和2R两种电阻构成网络。两种电阻构成网络。特点：任何一个节点的三个分支的等效电阻是相等的特点：任何一个节点的三个分支的等效电阻是相等的分析方法：线性网络，应用叠加原理分析方法：线性网络，应用叠加原理2.5.22R2R2R2R2R2RRRLRR-+AU0S1S2S3Sn2-n Dn2-3 D32-2 D22-1 D1URILIfa)当当S1接到电源电压接到电源电压UR ，而，而S2， S3， Sn 接地，即接

6、地，即输入信号输入信号D1为为1， D2 Dn为零时，其等效电路为：为零时，其等效电路为：2R2R2R2R2R2RRRLRRS1S2S3SnURIL2R2R2R2R2R2RRRLRRS1S2S3SnURIL2Ra)当当S1接到电源电压接到电源电压UR ，而，而S2， S3， Sn 接地，即接地，即输入信号输入信号D1为为1， D2 Dn为零时，其等效电路为：为零时，其等效电路为：a)当当S1接到电源电压接到电源电压UR ，而，而S2， S3， Sn 接地，即接地，即输入信号输入信号D1为为1， D2 Dn为零时，其等效电路为：为零时，其等效电路为：2R2R2RRLIUR3RILIL= = 2-

7、1I I2I =（D1=1，D2 , 。 , Dn=0）a)当当S1接到电源电压接到电源电压UR ，而，而S2， S3， Sn 接地，即接地，即输入信号输入信号D1为为1， D2 Dn为零时，其等效电路为：为零时，其等效电路为：2R2R2R2R2R2RRRLRRS1S2S3SnURILa)当当S1接到电源电压接到电源电压UR ，而，而S2， S3， Sn 接地，即接地，即输入信号输入信号D1为为1， D2 Dn为零时，其等效电路为：为零时，其等效电路为：2R2R2R2R2R2RRRLRRURIL2R2RIa)当当S1接到电源电压接到电源电压UR ，而，而S2， S3， Sn 接地，即接地，即输

8、入信号输入信号D1为为1， D2 Dn为零时，其等效电路为：为零时，其等效电路为：2R2R2RRLRURIL2R2RIUR3RI =IL= = 2-2 I I4（D2=1， D1 , D3, 。 , Dn=0）工作原理：工作原理：先把数字量转换成一系列的脉冲，一个先把数字量转换成一系列的脉冲，一个脉冲相当于数字量的一个单位，再把每一个脉冲变成脉冲相当于数字量的一个单位，再把每一个脉冲变成单位模拟量，然后将所有单位模拟量相加，从而得到单位模拟量，然后将所有单位模拟量相加，从而得到和数字量成正比的总的模拟量输出。和数字量成正比的总的模拟量输出。常用的串行常用的串行D/A转换器：转换器：步进电动机步

9、进电动机 一个脉冲一个脉冲 转动一个固定角度转动一个固定角度 一个个脉冲一个个脉冲 角位移或线位移量角位移或线位移量 若让步进电动机转轴带动多圈电位器，调节电压或电若让步进电动机转轴带动多圈电位器，调节电压或电流，则完成了数字量流，则完成了数字量 转角转角 电信号的转换电信号的转换环环形形分分配配器器YB013+ -CPABC方向1111光光电电隔隔离离电电路路驱驱动动电电路路X轴轴步步进进电电动动机机+5V1k3 来自8253的OUT0脉冲发生器环形分配器功率放大步进电动机计数器控制电路2n2120DU输出2.5.2 D/A转换器的性能指标转换器的性能指标 返回本节选择选择D/A转换器时，主

10、要应考虑下列几个问题：转换器时，主要应考虑下列几个问题：1、分辨率：当输入数字量变化、分辨率：当输入数字量变化1时，输出模拟量变化大时，输出模拟量变化大小。它反映了计算机数字量输出对执行部件控制的灵小。它反映了计算机数字量输出对执行部件控制的灵敏程度。对一个敏程度。对一个N位的位的D/A转换器转换器 分辨率分辨率= （V/步）步）例：满刻度值值为例：满刻度值值为5.12V单极性输出，单极性输出， 8位位D/A转换器转换器 分辨率分辨率= = = 20mV/步步 10位位D/A转换器转换器 分辨率分辨率= = = 20mV/步步 满刻度值2N5.12V285.12V10245.12V2105.1

11、2V40962. 稳定时间：稳定时间：D/A转换器转换速率的量度，是指转换器转换速率的量度，是指D/A转转换器代码有满刻度值变化时，其输出达到并保持在所换器代码有满刻度值变化时，其输出达到并保持在所给定的百分数误差（通常为给定的百分数误差（通常为 LSB）范围内所需要）范围内所需要的时间。一般为几十纳秒到几微秒的时间。一般为几十纳秒到几微秒3. 输入编码：二进制编码、输入编码：二进制编码、BCD码、符号码、符号-数值码等。数值码等。4. 线性误差：任何两个相邻数码之间的差应是线性误差：任何两个相邻数码之间的差应是1LSB（对于（对于N位转换器，为满刻度值的位转换器，为满刻度值的2-N），一个理

12、想的），一个理想的转换器输出应该是一条直线，但元件的非线性，使之转换器输出应该是一条直线，但元件的非线性，使之存在非线性误差，一般为存在非线性误差，一般为0.01%0.8%125. 输出方式和极性输出方式和极性 电流输出：电流输出：010mA、 420mA 电压输出：电压输出： 单极性电压输出：一个方向的控制信号单极性电压输出：一个方向的控制信号 双极性电压输出：两个方向的控制信号，输双极性电压输出：两个方向的控制信号，输 出同样的幅值，分辨率降低了出同样的幅值，分辨率降低了6. 温度范围：好的：温度范围：好的：-40 85 差的：差的：0 707. 使用调整：使用调整：D/A转换器使用前一般

13、要进行零位调转换器使用前一般要进行零位调整、满刻度值校准和线性度测量，设计时要考虑。整、满刻度值校准和线性度测量，设计时要考虑。1. DAC0832内部结构内部结构 DAC0832内部由三部分电路组成，如图所示。内部由三部分电路组成，如图所示。 2.5.3 典型的典型的D/A转换器芯片转换器芯片DAC0832 2. 引脚功能引脚功能 DAC0832芯片为芯片为20引引脚，双列直插式封装。脚，双列直插式封装。其引脚排列如图其引脚排列如图2-4所所示。示。（1）数字量输入线）数字量输入线D7D0（8条）条） （2）控制线（）控制线（5条）条） （3）输出线（）输出线（3条）条） （4）电源线（）电

14、源线（4条）条） 图图2-4 DAC0832引脚图引脚图CSWR1AGNDD7D6D0D1D2D3D4D5VREFRfDGNDVccILEWR2XFERIout2Iout1DAC08321109876543220141516171819131211CS 片选信号片选信号ILE 允许输入锁存信号允许输入锁存信号WR1 写信号写信号1WR2 写信号写信号2XFER 传送控制信号。用于控制传送控制信号。用于控制WR2DI0 DI7 8位数据输入端位数据输入端IOUT1 模拟电流输出模拟电流输出1，当，当DAC寄存器中全为寄存器中全为1时，输出电流最时，输出电流最大；当大；当DAC寄存器中全为寄存器中

15、全为0时，输出电流为时，输出电流为0IOUT2 模拟电流输出模拟电流输出2，为，为IOUT1电流互补输出。即电流互补输出。即IOUT1 + IOUT2 =常数常数Rfb 反馈电阻引出端，反馈电阻引出端，15 kVREF 基准电压深入端，可选择在基准电压深入端，可选择在+1010V范围范围VCC 电源电压输入端，可从电源电压输入端，可从+5+15V，最佳工作状态是，最佳工作状态是+15VAGND 模拟地。即模拟电路接地端，与数字电路接地端相连。模拟地。即模拟电路接地端，与数字电路接地端相连。DGND 数字地。数字地。3. DAC0832的技术指标的技术指标 DAC0832的主要技术指标：的主要技

16、术指标：（1）分辨率）分辨率8位位（2）电流建立时间）电流建立时间1S（3）线性度（在整个温度范围内）线性度（在整个温度范围内）8、9或或10位位（4）增益温度系数）增益温度系数00002 FS/（5）低功耗）低功耗20mW（6）单一电源）单一电源+5 +15V因因DAC0832是电流输出型是电流输出型D/A转换芯片，为了转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，器，Rf为运算放大器的反馈电阻端。运算放为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图大器的接法如图2-5所示。所示。图图2-5 电压输出电路电压输出电路返回本节-+OA.VoutR

17、fIout1Iout2电流输出电流输出IOUT1和和IOUT2通常要求通常要求D/A转换的输出是电压而不是电转换的输出是电压而不是电流流两类输出方式：单极性电压输出方式、双两类输出方式：单极性电压输出方式、双极性电压输出方式极性电压输出方式图图2-7中，运算放大器中，运算放大器OA2的作用是将运算放的作用是将运算放大器大器OA的单向输出转变为双向输出。的单向输出转变为双向输出。VVout+VREF-VREF00HFFH80HB图图2-8 双极性输出线性关系图双极性输出线性关系图5 CPU和和DAC0832的连接的连接1. DAC1210的主要性能及特点的主要性能及特点2. DAC1210引脚说

18、明引脚说明3. DAC1210输出方式输出方式4. DAC1210与与CPU的连接的连接双列直插式双列直插式24引脚集成电路芯片引脚集成电路芯片输入数字为输入数字为12位位内部有输入寄存器和内部有输入寄存器和DAC寄存器两个缓寄存器两个缓冲输入寄存器冲输入寄存器电流相加型电流相加型D/A转换器转换器电流建立时间电流建立时间1 s供电电源供电电源+5+15V（单电源供电）（单电源供电）基准电压基准电压VREF 工作范围工作范围+1010V与与TTL逻辑电平兼容逻辑电平兼容8位位输入输入寄存器寄存器12位位DAC寄存器寄存器12位位D/A转换器转换器4位位输入输入寄存器寄存器&DI11:D

19、I4DI3:DI0VREFIOUT2IOUT1RfbAGNDDGNDVCCCSWR1XFERWR2LELECS片选信号片选信号WR1写信号写信号1Byte1/Byte2字节顺序控制。字节顺序控制。 当此控制端为当此控制端为1时，输入锁存器中的时，输入锁存器中的12个单元都被使能。个单元都被使能。 当此控制端为当此控制端为0时，只使能输入锁存器中的低时，只使能输入锁存器中的低4位。位。 WR2写信号写信号2XFER传送控制信号传送控制信号DI0 DI7数据写入数据写入IOUT1 数模转换器电流输出数模转换器电流输出1，当，当DAC寄存器中所有数寄存器中所有数字码为全字码为全1时，最大时，最大IOUT1，为全，为全0时，时， IOUT1为零为零IOUT2 数模转换器电流输出数模转换器电流输出2， IOUT1+ IOUT2=常量常量 VREF （1 ）/ 基准输入阻抗基准输入阻抗40961Rfb 反馈电阻反馈电阻VREF 基准输入电压基准输入电压VCC 数字电源电压，数字电源电压，+5V+15VAGND 模拟地模拟地DGND 数字地数字地电流输出电流输出