7.1 d/a 转换器的分类和组成

1

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数据采集与处理数据采集与处理

7.1 7.1 D/AD/A 转换器的分类和组成转换器的分类和组成7.2 D/A转换器的主要技术指标7.3 并行D/A转换器

第第 77 章章数／模转换器数／模转换器

7.4 7.4 单片集成单片集成 D/AD/A 转换器转换器7.5 7.5 D/AD/A 转换器接口的隔离转换器接口的隔离7.6 7.6 D/AD/A 转换器与微机的接口转换器与微机的接口

2

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7.1.1 7.1.1 D/AD/A 转换器的分类转换器的分类7.1 D/A7.1 D/A 转换器的分类和组成转换器的分类和组成

分类按数字量的输入方式分：

按转换形式分：并行 D/A转换器和串行 D/A转换器

直接 D/A转换器和间接 D/A转换器

3

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1.并行 D/A转换器转换器的位数与输入数码的位数相同，对应数码的每一位都有输入端 ,用以控制响应的模拟切换开关把基准电压 UREF接到电阻网络。电阻网络是把基准电压转变成相应的电压或电流，在运算放大器输入端进行总加。

n

iiiREF

nnREF

REFO

aU

aaaU

DUU

1

22

11

2

)2...22(

7.1 D/A7.1 D/A 转换器的分类和组成转换器的分类和组成

4

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2.串行 D/A转换器串行 D/A转换器的工作节拍 tc是和串行二进制码定时同步的，输入端不需要缓冲器，串行二进制数码在时钟同步下控制 D/A转换器一位接一位的工作。因此，转换一个 n位输入数码需要 n个工作节拍周期，即需要 n个时钟周期，转换速度比并行 D/A转换器低。

nCOCnO UUU21

7.1 D/A7.1 D/A 转换器的分类和组成转换器的分类和组成

5

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7.1.2 D/A7.1.2 D/A 转换器的基本组成转换器的基本组成7.1 D/A7.1 D/A 转换器的分类和组成转换器的分类和组成1.电阻网络精密电阻或精密电阻网络，转换器的精度直接与电阻有关。2. 基准电源提供标准的、稳定的正、负基准电源。3. 模拟切换开关要求很高的电阻断通比值，防止饱合压降、漏电流等对输出的影响。4. 运算放大器起到的两个作用。

6

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7.2 D/A7.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

7.2 7.2 D/AD/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

7

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最小输出电压 ULSB 和满量程输出电压 UFSR

最小输出电压 ULSB 是指输入数字量只有最低位为 1 时， DAC

所输出的模拟电压的幅度。或者说，就是当输入数字量的最低位的状态发生变化时（由 0 变成 1 或由 1 变成 0 ），所引起的输出模拟电压的变化量。对于 n 位 DAC 电路，最小输出电压 ULSB 为

nREF

LSBUU

2||

8

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满量程输出电压 UFSR 定义为：输入数字量的所有位均为 1

时， DAC 输出模拟电压的幅度。有时也把 UFSR 称为最大输出电压 Umax 。对于 n 位 DAC 电路，满量程输出电压 UFSR 为

||2

12REFn

n

FSR UU

对于电流输出的 DAC ，则有 ILSB 和 IFSR 两个概念，其含义与 ULSB 和 UFSR 相对应。有时也将 ULSB 和 ILSB 简称为 LSB ，将UFSR 和 IFSR 简称为 FSR （ Full Scale Range ）。

9

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7.2 D/A7.2 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

分辨率是指 DAC 能够分辨最小电压的能力，它是 D/A 转换器在理论上所能达到的精度，我们将其定义为 DAC 的最小输出电压和最大输出电压之比，即

121

nFSR

LSB

UU分辨率

显然， DAC 的位数 n 越大，分辨率越高。正因为如此，在实际的集成 DAC 产品的参数表中，有时直接将 2n 或 n 作为 DAC 的分辨率。例如： 8 位 DAC 的分辨率为 28 或 8 位。

(7-1)

10

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7.2 D/A7.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标位数分辨率8 1/25510 1/102312 1/409514 1/1638316 1/65535

D/A 转换器位数与分辨率的关系

11

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7.2 D/A7.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2. 精度：绝对精度和相对精度之分绝对精度 : 输入满量程数字量时， D/A 转换器实际输出值与理论输出值之差，该偏差一般小于 ±1/2LSB 。相对精度 : 绝对精度与额定满量程输出值的比值。（可以用偏差多少 LSB 来表示或用该偏差相对满量程的百分数表示。）

12

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7.2 D/A7.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标3. 线性误差： D/A 转换器芯片的转换特性曲线与理想特性之间的最大偏差。

13

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转换误差由于 DAC 的各个环节在参数和性能上与理论值之间不可避免地存在着差异，所以它在实际工作中并不能达到理论上的精度。转换误差就是用来描述 DAC 输出模拟信号的理论值和实际值之间差别的一个综合性指标。 DAC 的转换误差一般有两种表示方式：绝对误差和相对误差。所谓绝对误差，就是实际值与理论值之间的最大差值，通常用最小输出值 LSB 的倍数来表示。例如：转换误差为 0.5 LSB ，表明输出信号的实际值与理论值之间的最大差值不超过最小输出值的一半。相对误差是指绝对误差与 DAC 满量程输出值 FSR 的比值，以 FSR 的百分比来表示。例如：转换误差为 0.02%FSR ，表示输出信号的实际值与理论值之间的最大差值是满量程输出值的 0.02% 。由于转换误差的存在，转换精度只讲位数就是片面的，因为转换误差大于 1LSB 时，理论精度就没有意义了。

14

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造成 DAC 转换误差的原因有多种，如参考电压 UREF 的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻解码网络中电阻阻值的偏差等等。 ① 比例系数误差：是指由于 DAC 实际的比例系数与理想的比例系数之间存在偏差，而引起的输出模拟信号的误差，也称为增益误差或斜率误差，如图 6- 9 所示。这种误差使得 DAC 的每一个模拟输出值都与相应的理论值相差同一百分比，即输入的数字量越大，输出模拟信号的误差也就越大。根据以上几种 D

AC 电路的分析可知，参考电压 UREF 的波动和运算放大器的闭环增益偏离理论值是引起这种误差的主要原因。

15

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数据采集与处理数据采集与处理图 6-9 3 位 DAC 的比例系数误差

000 001 010 011 100 101 110 111

U O

理想特性

实际特性

D

16

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② 失调误差：也称为零点误差或平移误差，它是指当输入数字量的所有位都为 0 时， DAC 的输出电压与理想情况下的输出电压（应为0 ）之差。造成这种误差的原因是运算放大器的零点漂移，它与输入的数字量无关。这种误差使得 DAC 实际的转换特性曲线相对于理想的转换特性曲线发生了平移（向上或向下），如图6- 10 所示。

17

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数据采集与处理数据采集与处理图 6-10 3 位 DAC 的失调误差

000 001 010 011 100 101 110 111

U O

理想特性

实际特性

D

18

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③ 非线性误差：是指一种没有一定变化规律的误差，它既不是常数也不与输入数字量成比例，通常用偏离理想转换特性的最大值来表示。这种误差使得 DAC 理想的线性转换特性变为非线性，如图 6- 11 所示。造成这种误差的原因有很多，如模拟开关的导通电阻和导通压降不可能绝对为零，而且各个模拟开关的导通电阻也未必相同；再如电阻网络中的电阻阻值存在偏差，各个电阻支路的电阻偏差以及对输出电压的影响也不一定相同等等，这些都会导致输出模拟电压的非线性误差。

19

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数据采集与处理数据采集与处理图 6-11 3 位 DAC 的非线性误差000 001 010 011 100 101 110 111

U O

理想特性

实际特性

D

20

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4. 建立时间7.2 D/A7.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

D/A 转换器的输入数码满量程变化（即从全“ 0” 变成全“ 1” ）时，其输出模拟量达到±1/2LSB 范围所需要的时间。这个参数反映 D/A 转换从一个稳态值到另一个稳态值过渡的时间长短。建立时间的长短取决于所采用的电路和使用的元件。

21

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转换速度通常用建立时间（ Setting Time ）和转换速率来描述 DAC 的转换速度。当 DAC 输入的数字量发生变化后，输出的模拟量并不能立即达到所对应的数值，它需要一段时间，我们将这段时间称为建立时间。由于数字量的变化量越大， DAC 所需要的建立时间越长，所以在集成 DAC 产品的性能表中，建立时间通常是指输入数字量从全 0突变到全 1 或从全 1突变到全 0 开始，输出模拟量进入到规定的误差范围内的时间。误差范围一般取 ±LSB/2 。建立时间的倒数即为转换速率，也就是每秒钟 DAC至少可进行的转换次数。

22

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5. 单调性7.2 D/A7.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

当输入数码增加时， D/A 转换器的输出模拟量也增加或至少保持不便，则称为 D/A 转换器输出具有单调性。6. 温度系数在满量程输出条件下，温度每升高 10

C ，输出变化的百分数定义为温度系数。

23

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7. 电源抑制比7.2 D/A7.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

通常把满量程电压变化的百分数与电源电压的百分数之比称为电源抑制比。8. 输出电平不同信号的 D/A 转换器的输出电平相差较大，一般为 5~10V ，有的高压输出型的 D/A 转换器的输出电平高达 24~30V 。

24

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9. 输入代码7.2 D/A7.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

二进制码、 BCD 码、双极性时的偏移二进制码、二进制补码等。10. 输入数字电平指输入数字电平分别为“ 1” 和“ 0”时，所对应的输入高低电平的起始数值。例如： AD7541 的输入数字电平： UIH>2.4V UIL<0.8V

25

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11. 工作温度7.2 D/A7.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

D/A 转换器正常的工作温度要求。较好的 D/A 转换器可工作在 -400C~850C 之间，而一般的转换器工作在 00C~700C 之间。

26

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技术指标间的关系7.2 D/A7.2 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

分辨率与线性误差的关系：根据分辨率的定义，位数越多，分辨率越高。但只靠增加转换器的位数，并不能使 D/A 转换器的分辨率无限增加。其次，如果 D/A 转换器线性度不理解，有可能使相邻的离散电平重叠或交错，此时再增加位数已无意义。线性度不良而产生的误差电压（ ΔULE ）和线性误差（ LE ）应分别满足下列关系：%1002

21 )1( n

LSBLE LEUU 或

27

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7.3 7.3 并行并行 D/AD/A 转换器转换器7.3 7.3 并行并行 D/AD/A 转换器转换器并行 D/A 转换器的转换速度比较快，原因是各位代码都同时进行转换，转换时间只取决于转换器中电压或电流的稳定时间及求和时间，这些时间都是很短的。

28

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7.3.1 数模转换的基本概念数模转换器 DAC 的原理框图如图 7-3-1 所示。其中 D （ Dn-1D

n-2 ... D1D0 ）为输入的 n 位二进制数， SA 为输出的模拟信号（模拟电压 UA 或模拟电流 IA ）， UREF 为实现数 / 模转换所必需的参考电压（也称基准电压） UREF ，它们三者之间满足如下比例关系：

SA = KDUREF

式中， K 为比例系数，不同的 DAC 有各自不同的 K 值； D 为输入的 n 位二进制数所对应的十进制数值。

(7-3-1)

7.3 7.3 并行并行 D/AD/A 转换器转换器

29

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数据采集与处理数据采集与处理图 7-3-1 DAC 的原理框图

D/A转换器D

nS A

U REF


30

GXUT


如果假设

in

ii

nn

nn

D

DDDDD

2

2222

1

0

00

11

21

11

(7-3-2)

则式 6-1 可变为

1

0

2n

i

iiREFA DKUS (7-3-3)

另外必须指出， n 位二进制代码有 2n 种不同的组合，从而对应有 2n 个模拟电压（或电流）值，所以严格地讲 DAC 的输出并非真正的模拟信号，而是时间连续、幅度离散的信号。


31

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一个 n 位 D/A 转换电路的结构框图如图 7-3-2 所示，它主要由输入数码寄存器、数控模拟开关、电阻解码网络、求和电路、参考电压及逻辑控制电路组成。输入的数字信号可以串行或并行方式输入；数字信号输入后首先存储在输入寄存器内，寄存器并行输出的每一位驱动一个数控模拟开关，使电阻解码网络将每一位数码翻译成相应大小的模拟量，并送给求和电路；求和电路将各位数码所代表的模拟量相加便得到与数字量相对应的模拟量。 DAC 的核心电路是电阻解码网络，下面将主要介绍电阻解码网络这部分电路的工作原理。


32

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数据采集与处理数据采集与处理图 7-3-2 D/A 转换器的结构框图

输入数码寄存器

数控模拟开关

电阻解码网络

求和电路

逻辑控制电路

参考电压

模拟输出

n 位数字量输入


33

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1. 权电阻网络 DAC 电路图 7-3-3 所示是 4 位权电阻网络 DAC 电路的原理图，该电路由四部分构成：

图 7-3-3 权电阻网络 DAC 电路原理图


34

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① 权电阻网络。该电阻网络由四个电阻构成，它们的阻值分别与输入的四位二进制数一一对应，满足以下关系：

Ri=2n-1-iR （ 6- 4 ）式中， n 为输入二进制数的位数， Ri 为与二进制数 Di 位相对应的电阻值，而 2i 则为 Di 位的权值，所以可以看出二进制数的某一位所对应的电阻的大小与该位的权值成反比，这就是权电阻网络名称的由来。例如在图 6- 3 中，最高位 D3 所对应的电阻 R3=R 。


35

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② 模拟开关。每一个电阻都有一个单刀双掷的模拟开关与其串联， 4 个模拟开关的状态分别由 4 位二进制数码控制。当 Di=0

时，开关 Si打到右边，使电阻 Ri 接地；当 Di=1 时，开关 Si打到左边，使电阻 Ri 接 UREF 。 ③ 基准电压源 UREF 。作为 A/D 转换的参考值，要求其准确度高、稳定性好。 ④ 求和放大器。通常由运算放大器构成，并接成反相放大器的形式。


36

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为了简化分析，在本章中将运算放大器近似看成是理想的放大器，即它的开环放大倍数为无穷大，输入电流为零（输入电阻无穷大），输出电阻为零。由于 N 点为虚地，当 Di = 0 时，相应的电阻 Ri 上没有电流；当 Di = 1 时，电阻 Ri 上有电流流过，大小为 Ii=UREF/Ri 。根据叠加原理，对于任意输入的一个二进制 (D3D2D

1D0)2 ，应有

3

03

030132232333

00

11

22

33

00112233

22

2222

i

ii

REF

REFREFREFREF

REFREFREFREF

DR

U

RUD

RUD

RUD

RUD

RUD

RUD

RUD

RUD

IDIDIDIDI

(6-5)


37

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求和放大器的反馈电阻 RF = R/2 ，则输出电压 UO 为i

ii

REFFO DURIU 2

2

3

04

推广到 n 位权电阻网络 DAC 电路，可得i

iin

REFO DUU 2

2

3

0

(6-6)

(6-7)

由式 6- 6 和式 6- 7 可以看出，权电阻网络 DAC 电路的输出电压和输入数字量之间的关系与式 6- 3 的描述完全一致。这里的比例系数 K=-1/2n ，即输出电压与基准电压的极性相反。


38

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权电阻网络 DAC 电路的优点是结构简单，所用的电阻个数比较少。它的缺点是电阻的取值范围太大，这个问题在输入数字量的位数较多时尤其突出。例如当输入数字量的位数为 12 位时，最大电阻与最小电阻之间的比例达到 2048 1∶ ，要在如此大的范围内保证电阻的精度，对于集成 DAC 的制造是十分困难的。


REFn

n

U2

12~0

输出电压范围

39

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2. T 型电阻网络 DAC 电路图 7-3-4 所示为 4 位 T型电阻网络 DAC 电路的原理图，它克服了权电阻网络 DAC 电路的缺点，无论 DAC 有多少位，电阻网络中只有 R 和 2R 两种电阻，但电阻的个数却比相同位数的权电阻网络 DAC 增加了一倍。 T型电阻网络 DAC 电路也由四部分构成，它们是： R- 2R

电阻网络、单刀双掷模拟开关（ S0 、 S1 、 S2 和 S3 ）、基准电压Ｕ REF 和求和放大器。


40

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数据采集与处理数据采集与处理图 6-4 T型电阻网络 DAC 电路原理图

I ¦²

R F £½3R

N

U O

I3I 2I 1I 02 R

S 0 S 1 S 2 S 3

U REF

D 0 (LSB) D 1 D 2 D 3 (MSB)

2 R 2 R 2 R2 R

P 0 R P 1 R P 2 R P 3

2 R£

£«A


41

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4 个模拟开关由 4 位二进制数码分别控制，当 Di = 0 时，开关 Si打到右边，使与之相串联的 2R 电阻接地；当 Di = 1 时，开关 Si打到左边，使 2R 电阻接基准电压 UREF 。该电路在结构上有以下特点： ① 如果不考虑基准电压源 UREF 的内阻，那么无论模拟开关的状态如何，从 T型电阻网络的节点（ P0 、 P1 、 P2 、 P3 ）向左、向右或向下看的等效电阻都等于 2R ，则从运算放大器的虚地点N 向左看去， T型电阻网络的等效电阻等于 3R 。 ② 当任意一位 Di = 1 ，其余位 Dj = 0 时，我们可以根据图 6-

5 所示的等效电路，计算出流过该 2R 电阻支路的电流 Ii=UREF/3R ，并且这部分电流每流进一个节点时，都会向另外两个方向分流，分流系数为 1/2 。


42

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数据采集与处理数据采集与处理图 6-5 Pi 节点等效电路

I i

S i

2 R

2R P i 2R

U REF


43

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例如，当只有 D0 = 1 时（即只有开关 S0 接 UREF ，其余的开关都接地），其等效电路如图 6- 6 所示。可以看出，经 S0 流出的电流 I0=Ｕ REF/3R ，它要经过四个节点的分流才能到达求和放大器。在每一节点处，由于向右和向下看的等效电阻都是 2R ，所以在每一节点分流时的分流系数都是 1/2 。因而，流向求和放大器的电流 I0′ 应为 I0/24 。


44

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数据采集与处理数据采集与处理图 6-6 模拟开关 S0单独作用时各个支路的电路

R F £½3R

N

U O

I 0 /16I 0 /8I 0 /4I 02 R

S 0

2 R 2 R 2 R2 R

P 0 R P 1 R P 2 R P 3

2 R

I 0 /16I0 /8I0 /4I 0 /2I 0 /2

£

£«A

U REF


45

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同理，当 D1 、 D2 、 D3 各自单独为 1 时，流向求和放大器的电流分别为： I1′= I1/23 ， I2′ = I2/22 ， I3′=21

根据叠加原理，对于任意输入的一个二进制数（ D3D2D1D0)2 ，流向求和放大器的电流 I∑ 应为：

3

04

33

22

11

004

'3

'1

'0

232

1

)2222(32

1

i

ii

REF

REF

DR

U

DDDDR

U

IIII

(6-8)


46

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求和放大器的反馈电阻 RF = 3R ，则输出电压 UO 为 :

3

04 2

2 i

ii

REFFO DURIU

推广到 n 位 T型电阻网络 DAC 电路，可得

1

0

22

n

i

iin

REFO DUU

(6-9)

(6-10)


47

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T 型电阻 D/A 转换器的特点：（ 1 ）当数字量相应位为“ 1” 时，对应该位的支路电流进入求和放大器的输入端；当数字量相应位为“ 0” 时，对应该位的支路电阻接地，从根本上消除了尖峰脉冲脉冲的产生。（ 2 ）为了进异步提高转换速度，可以使每个支路流过电阻 2R 的电流保持恒定，即无论输入数字量的各位是“ 0” 还是“ 1” ，对应支路电流的大小不变。

48

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3. 倒 T 型电阻网络 DAC 电路图 6- 7 所示为 4 位倒 T型电阻网络 DAC 电路的原理图，它同样由 R- 2R 电阻网络、单刀双掷模拟开关（ S0 、 S1 、 S2 和 S3 ）、基准电压 UREF 和求和放大器四部分构成。它与 T型电阻网络 DAC

电路的区别在于： ① 电阻网络呈倒 T型分布。 ② 模拟开关的位置发生了变化。在 T型电阻网络 DAC 电路中，模拟开关位于基准电压源和电阻网络之间，并在基准电压和地之间切换；而在倒 T型电阻网络 DAC 电路中，模拟开关位于电阻网络和求和放大器之间，并在求和放大器的虚地 N 和地之间切换。当 Di = 1 时， Si 接虚地；当 Di = 0 时， Si 接地。


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数据采集与处理数据采集与处理图 6-7 倒 T型电阻网络 DAC 电路原理图

I

I 3I 2I1I 02 R

S 0S 1 S 2 S 3

(LSB)D 0

D 1 D 2

(MSB)D 3

2 R 2 R 2 R2 R

P 0 R P 1 R P 2 R P 3

R F £½R

N

U O

I ¦²

U REF

£

£«A


50

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分析倒 T型电阻网络，不难看出：无论模拟开关的状态如何，从任何一个节点（ P0 、 P1 、 P2 、 P3 ）向上或向左看去的等效电阻均为 R 。因此我们可以计算出基准电压源 UREF 的输出电流 I=UREF/R ，并且每流经一个节点时就产生 1/2 分流，则各支路的电流分别为： I0= I/24 ， I1= I/23 ， I2= I/22 ， I3= I/21 。


51

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根据叠加原理，对于任意输入的一个二进制数 (D3D2D1D0)2 ，流向求和放大器的电流 IΣ 应为：

3

04

33

22

11

004

3210

221

)2222(21

i

ii

REF

REF

DRU

DDDDRU

IIIII

求和放大器的反馈电阻 RF = R ，则输出电压 UO 为 :

3

04 2

2 i

ii

REFFO DURIU

(6-11)

(6-12)


52

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与 T型电阻网络 DAC 电路相比，倒 T型电阻网络 DAC 电路的突出优点在于：无论输入信号如何变化，流过基准电压源、模拟开关以及各电阻支路的电流均保持恒定，电路中各节点的电压也保持不变，这有利于提高 DAC 的转换速度。再加上倒 T型电阻网络 DAC 电路只有两种电阻值和它便于集成的优点，使其成为目前集成 DAC 中应用最多的转换电路。

推广到 n 位 T型电阻网络 DAC 电路，可得

1

0

22

n

i

iin

REFO DUU (6-13)


53

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4. 权电流型 DAC 电路

)2222(2

)2222

(

00

11

22

334

0413223

ddddIR

dIdIdIdIRRiv

F

FFo

54

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5. 双极性 DAC 电路偏移二进制码是在带符号二进制码的基础上加上一个偏移量得到的。 n 位二进制数 D 的偏移二进制码为

DB = DC＋ 2n (6- 14)

式中 2n 就是偏移量， DC 是 n 位二进制数 D 的补码。例如一个正的 3 位二进制数 D = (+110)2 ，其补码为 (0110)2 ，则对应的偏移二进制码为：

DB = (0110)2 + (1000)2 = (1110)2

若 D = (-110)2 ，其补码为 (1010)2 ，则对应的偏移二进制码为： DB = (1010)2 + (1000)2 = (0010)2


55

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表 6-1 无符号二进制数、偏移二进制码和补码对应的输出7.3 7.3 并行并行 D/AD/A 转换器转换器

56

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数据采集与处理数据采集与处理图 6-8 偏移二进制输入的倒 T型电阻网络双极性 DAC 电路原理图

I2I 1I02 R

S 0S 1 S 2

(LSB)D 1 D 2

2 R 2 R2 R

P 0 R P 1 R P 2

R F

NU o

I ¦²

£ U REF

D 0

I

I B

U B

£

£«A

(MSB) R B


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从表 6- 1 中可以看出，为了得到应该输出的电压，只要保证输入 D2D1D0=100 时输出电压 UO = 0 即可。为此，在求和放大器的输入端增加了偏移电压 UB 和偏移电阻 RB 。根据图 6- 8 所示电路，为了使输入 D2D1D0=100 时输出电 UO = 0 ，电流 IΣ 和偏移电流 IB 之和必须为零，则有：

RU

RU REF

B

B

2

偏移电压源和基准电压源的极性相反。当 UREF 为正电源时，输出电压和输入偏移二进制码的极性一致；当 UREF 为负电源时，输出电压和输入偏移二进制码的极性相反。

(6- 15)

58

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集成 DAC 芯片的选择与使用

1 ． DAC 芯片的选择原则目前，集成 DAC技术发展很快，国内外市场上的集成 DAC

产品有几百种之多，性能各不相同，可以满足不同要求的应用场合。在选择 DAC芯片时，主要从以下几个方面考虑：

① DAC 的转换精度。这是 DAC 最重要的技术指标，如前所述，应该从 DAC 的位数（理论精度）和转换误差两个方面综合考虑。

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② DAC 的转换速度。按照建立时间的大小， DAC 可以分成若干类。建立时间大于 300 μs 的属于低速型，目前已较少见；建立时间为 10～ 300 μs 的属于中速型；建立时间在 0.01～ 10

μs 的为高速型；建立时间小于 0.01 μs 的为超高速型。 ③ 输入数字量的特征。输入数字量的特征是指数字量的编码方式（自然二进制码、补码、偏移二进制码、 BCD 码等）、数字量的输入方式（串行输入或并行输入）以及逻辑电平的类型（ TTL 电平、 CMOS 电平或 ECL 电平等）。

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④ 输出模拟量的特征。输出模拟量的特征是指 DAC 是电压输出还是电流输出，以及输出模拟量的范围。 ⑤ 工作环境要求。这里主要是指 DAC 的工作电压、参考电源、工作温度、功耗、封装以及可靠性等性能要与应用系统相适应。

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2 ． DAC0832 简介 DAC0832 是由美国国家半导体公司（ NSC ）生产的 8 位 D

/A 转换器，芯片内采用 CMOS 工艺。该器件可以直接与 Z80 、8051 、 8085 等微处理器接口相连，是目前微机控制系统中常用的 D/A 转换芯片。 1 ） DAC0832 的性能

DAC0832 的主要性能参数如下： ① 并行 8 位 DAC ；

② TTL 标准逻辑电平；

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③ 可单缓冲、双缓冲或直通数据输入；

④ 单一电源供电 5～ 15 V ；

⑤ 参考电压源 -10～ +10 V ；

⑥ 转换时间≤ 1 μs;

⑦ 线性误差≤ 0.2%FSR;

⑧ 功耗 20 mW;

⑨ 工作温度 0～ 70℃。

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2 ） DAC0832 的内部结构和引脚说明

图 6- 12 是 DAC0832 的内部结构框图，虚框外标注的是外部引脚的标号及名称。图上可以看出，电路由 8 位输入锁存器、 8 位 D/A锁存器、 8 位 D/A 转换器、逻辑控制电路以及输出电路的辅助元件 Rfb （ 15 kΩ ）构成。

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数据采集与处理数据采集与处理图 6-12 DAC0832 的内部组成框图

ILE

U REF

IOUT2

IOUT1

R fb

AGND

8

12

11

9

20

10U CC

DGND

3

8位输入锁存器

D Q

&

R fb

DI 7131415164567

DI 6DI 5DI 4DI 3DI 2DI 1DI 0

8位

D/A锁存器

D Q8位

D/A转换器

D Q

12

1817

19

CS

1WR

2WRXFER

&

& LE LE

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① 控制信号： CS 、 ILE 、 WR1 这三个信号在一起配合使用，

用于控制对输入锁存器的操作。 CS 为片选信号，低电平有效； I

LE 为输入锁存允许信号，高电平有效； WR1 为输入锁存器的写信号，低电平有效。只有当 CS 、 ILE 、 WR1 同时有效时，输入的数字量才能写入输入锁存器，并在 WR1 的上升沿实现数据锁存。 XFER 、 WR2 这两个信号在一起配合使用，用于控制对 D/A

锁存器的操作。 XFER 为传送控制信号，低电平有效； WR2 为D/A锁存器的写信号，低电平有效。只有当 XFER 、 WR2 同时有效时，输入锁存器的数字量才能写入到 D/A锁存器，并在 WR2 的上升沿实现数据锁存。

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② 输入数字量 :

DI0～ DI7 是 8 位数字量输入（自然二进制码），其中， DI0

为最低位， DI7 为最高位。 ③ 输出模拟量 :

IOUT1 是 DAC 输出电流 1 。当 D/A锁存器中的数据全为 1 时，IOUT1 最大（满量程输出）；当 D/A锁存器中的数据全为 0 时， I

OUT1 = 0 。 IOUT2 是 DAC 输出电流 2 。 IOUT2 为一常数（满量程输出电流）与 IOUT1 之差，即 IOUT1+IOUT2= 满量程输出电流。

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④ 电源、地 :

UREF ：参考电压源。 DAC0832 需要外接基准电压，在 -10

V～ +10 V范围内取值。 UCC ：工作电压源。工作电压的范围为 +5 V～ +15 V ，最佳工作状态时用 +15 V 。 DGND 、 AGND 分别为数字电路地和模拟电路地。所有数字电路的地线均接到 DGND ，所有模拟电路的地线均接到 AGN

D ，并且就近将 DGND 和 AGND 在一点且只能在一点短接，以减少干扰。

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⑤ 其它 :

Rfb 为反馈电阻连线端。 DAC0832 为电流输出型 D/A 转换器，所以要获得模拟电压输出时，需要外接运算放大器，但运算放大器的反馈电阻不需要外接，在芯片内部已集成了一个 15 kΩ 的反馈电阻。

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3 ） DAC0832 的工作原理

图 6-13 DAC0832 中的 D/A 转换电路

I

I 7I 6I 5I02 R

S 0S 5 S 6 S 7

(LSB)D 5 D 6 D 7

2 R 2 R 2 R2 R

P 0 R P 5 R P 6 R P 7

U o

I OUT1

U REF

D 0

(MSB)

R fb

I OUT2

DAC0832

£

£«A

求和放大器( )外接

¡

70

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在图 6- 13 中，模拟开关 Si受输入数字量 Di 的控制。 Di=0 时， Si 接地； Di=1 时， Si 接虚地。无论 Si 接地或是接虚地，电阻网络中各支路的电流保持不变。由参考电压源 UREF 流出的总电流 I=UREF/R ，并且该电流每经过一个节点时都会进行 1/2 分流，则各 2R 电阻支路的电流 Ii = I/2n-i

（ n= 8 ）。但是，随着输入数字量的不同，输出电流 IOUT1 和 IOUT2

也不相同，不难求出

常数

RUIII

DII

DII

REFOUTOUT

i

iiOUT

iiOUT

21

7

082

7

081

)2(2

)2(2 (6-19)

(6-20)

(6-21)

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则外接求和放大器的输出电压为

fbOUTO RIU 1 (6-22)

在 DAC0832 中，通常 R= Rfb≈15 kΩ ，所以

7

08

7

08

)2(2

)2(21

i

ii

REF

i

iifb

REFO

DU

DRRUU

(6-23)

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可见，输出电压在数值上与基准电压 UREF 的绝对值成正比，与输入数字量成正比，极性与基准电压的极性相反。而基准电压 UREF 是可正可负的，所以可以在 UREF端加一个交流电压 ui ，从而，运算放大器输出电压为

7

08 )2(

2 i

ii

iO DuU (6-24)

简写为 uO = KuiD ，其中 D 为输入数字量所对应的十进制数。该式表明，输出电压在数值上正比于输入电压与数字量的乘积。我们把具有这种功能的 DAC 称为乘法 DAC ，记作 MDAC 。

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如果在图 6- 13 所示电路的基础上再增加一级运算放大器，如图 6- 14 所示，便构成了双极性的 DAC 电路。这种接法在效果上起到了把数字量的最高位当作符号位的作用。由于基准电压也可改变极性，这样便实现了完整的四象限乘积输出。关于双极性 DAC 电路的输出电压与输入数字量的关系，请读者自行分析。

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数据采集与处理数据采集与处理图 6-14 DAC0832 的双极性工作电路

DAC0832

R15 k

IOUT1

I OUT2

D 7 ¡«D 0

U REF

U O1

R fb15 k

2R30 k

£

£«A 1

£

£«A 2

2R30 k

U O2

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4 ） DAC0832 的工作方式

上面提到，通过外接不同的电路，可以使 DAC0832 实现单极性或双极性 D/A 转换。另外，根据芯片内部的两个锁存器（ 8

位输入锁存器、 8 位 D/A锁存器）工作状态的不同， DAC0832

还可以有三种工作方式：双缓冲工作方式、单缓冲工作方式和直通工作方式。

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① 双缓冲工作方式 :

是指两个 8 位锁存器均处于受控锁存工作状态。在双缓冲工作方式下，数字量的写入分成两步：第一步是当 CS= 0 、 ILE

= 1 时，外部输入的数字量在写信号 WR1 （负脉冲）的作用下写入 8 位输入锁存器，并在写脉冲的上升沿锁存；第二步是令 XF

ER= 0 ，在写信号 WR2 （负脉冲）的作用下将 8 位输入锁存器的数据写入 8 位 DAC锁存器，开始 A/D 转换，并在写脉冲的上升沿锁存。这样， DAC0832 在进行 A/D 转换的同时，就可以采集下一个数字量。图 6- 15给出了 DAC0832双缓冲工作方式下的连线图和时序图。

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数据采集与处理数据采集与处理图 6-15 DAC0832双缓冲工作方式连续图和时序图

(a) 连线图； (b) 时序图

ILE U O

DAC0832

IX

D

IOUT1

D 7 ¡«D 0 R fb

XFER

ÓÐÐ§Êý¾ÝD

IX

WR

CS

£

£«A

IOUT2

WR

CS CS

1WR 2WR

(b )(a )

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② 单缓冲工作方式：在 DAC0832 的两个锁存器中，使其中的一个始终处于直通状态，而另外一个锁存器处于受控锁存状态或者控制两个锁存器同时进行锁存，这就是单缓冲工作方式。 ③ 直通工作方式：就是指两个锁存器均处于直通工作状态，外部输入数字量发生变化， A/D 转换器输出亦随之变化。

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44 ．． DAC0832DAC0832 与与 CPUCPU 的接口的接口+5V

D7～ D0

IOW

地址总线地址译码

320H

321H

+5VILE

VREF

DI7～ DI0

DAC0832

VCC

Rfb

IOUT1

IOUT2

WR1u

WR2

CS

XFER

AGND

DGND

_

+

图 11-6 DAC 0832 与 8 位微处理器的连接

V0

7.1 d/a 转换器的分类和组成

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