8.4 模 / 数 (A/D) 与数 / 模 (D/A) 转换技术及其接口

1. 8.4 模/数(A/D)与数/模(D/A)转换技术及其接口 8.4.1 D/A转换接口 D/A转换器的作用是将二进制的数字量转换为相应的模拟量。D/A转换器的主要部件是电阻开关网络，其主要网络形式有权电阻网络和R–2R梯形电阻网络，其工作原理这里不作介绍。 集成D/A芯片类型很多，按生产工艺分有双极型、MOS型等；按字长分有8位、10位、12位等；按输出形式分有电压型和电流型。另外，不同生产厂家的产品，其型号各不相同。例如，美国国家半导体公司的D/A芯片为DAC系列，如DAC0832等；美国模拟器件公司的D/A芯片为AD系列，如AD558等。使用时可参阅各公司提供的使用手册。

2. 1 . DAC0832 DAC0832是美国国家半导体公司采用CMOS工艺生产的8位D/A转换集成电路芯片。它具有与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉等特点，因而得到了广泛的应用。 1) DAC0832的结构与引脚 DAC0832的逻辑结构框图如图8.45所示。片内有R–2RT型电阻网络，用于对参考电压提供的两条回路分别产生两个电流信号IOUT1和IOUT2。DAC0832采用8位输入寄存器和8位DAC寄存器二次缓冲方式，这样可以在D/A输出的同时，送入下一个数据，以便提高转换速度。每个输入数据为8位，可以直接与微机的数据总线相连，其逻辑电平与TTL电平兼容。

3. 图8.45 DAC0832的结构框图

4. 图8.46 DAC0832的引脚图

5. DI7DI0——D/A转换器的数字量输入引脚。其中DI0为最低位，DI7为最高位。 CS——片选信号输入端，低电平有效。 WR1——输入寄存器的写信号，低电平有效。 ILE——输入寄存器选通信号，高电平有效。ILE信号和CS、WR1共同控制选通输入寄存器。当CS、WR1均为低电平，而ILE为高电平时，LE1=0，输入数据被送至8位输入寄存器的输出端；当上述三个控制信号任一个无效时，LE1变高，输入寄存器将数据锁存，输出端呈保持状态。

6. XFER——从输入寄存器向DAC寄存器传送D/A转换数据的控制信号，低电平有效。 WR2——DAC寄存器的写信号，低电平有效。当XFER和WR2同时有效时，输入寄存器的数据装入DAC寄存器，并同时启动一次D/A转换。 VCC——芯片电源，其值可在+5+15 V之间选取，典型值取+15 V。 AGND——模拟信号地。 DGND——数字信号地。 RFB——内部反馈电阻引脚，用来外接D/A转换器输出增益调整电位器。

7. VREF——D/A转换器的基准电压，其范围可在−10+10 V内选定。该端连至片内的R–2RT型电阻网络，由外部提供一个准确的参考电压。该电压精度直接影响着D/A转换精度。 IOUT1——D/A转换器输出电流1，当输入全1时，输出电流最大，约为 ；当输入为全0时，输出电流最小，即为0。 IOUT2——D/A转换器输出电流2，它与IOUT1有如下关系： IOUT1+IOUT2=常数 D/A转换没有形式上的启动信号。实际上将数据写入第二级寄存器的控制信号就是D/A转换器的启动信号。另外，它也没有转换结束信号，D/A转换的过程很快，一般还不到一条指令的执行时间。

8. 2) DAC0832的工作方式 DAC0832内部有两个寄存器，能实现三种工作方式：双缓冲、单缓冲和直通方式。 双缓冲工作方式是指两个寄存器分别受到控制。当ILE、CS和WR1信号均有效时，8位数字量被写入输入寄存器，此时并不进行A/D转换。当WR2和XFER信号均有效时，原来存放在输入寄存器中的数据被写入DAC寄存器，并进入D/A转换器进行D/A转换。在一次转换完成后到下一次转换开始之前，由于寄存器的锁存作用，8位D/A转换器的输入数据保持恒定，因此D/A转换的输出也保持恒定。

9. 单缓冲工作方式是指只有一个寄存器受到控制。这时将另一个寄存器的有关控制信号预先设置成有效，使之开通，或者将两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使用。单缓冲工作方式是指只有一个寄存器受到控制。这时将另一个寄存器的有关控制信号预先设置成有效，使之开通，或者将两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使用。 直通工作方式是指两个寄存器的有关控制信号都预先置为有效，两个寄存器都开通。只要数字量送到数据输入端，就立即进入D/A转换器进行转换。这种方式应用较少。

10. 3) 电压输出电路的连接 DAC0832以电流形式输出转换结果，若要得到电压形式的输出，需要外加I/V转换电路，常采用运算放大器实现I/V转换。图8.47给出了DAC0832的电压输出电路。 对于单极性输出电路，输出电压为： 式中D为输入数字量的十进制数。因为转换结果IOUT1接运算放大器的反向端，所以式中有一个负号。若VREF=+5 V，当D=0255(00HFFH)时，VOUT=-(04.98) V。

11. 图8.47 DAC0832的电压输出电路 (a) 单极性输出；(b) 双极性输出

12. 通过调整运算放大器的调零电位器，可以对D/A芯片进行零点补偿。通过调节外接于反馈回路的电位器RP1，可以调整满量程。通过调整运算放大器的调零电位器，可以对D/A芯片进行零点补偿。通过调节外接于反馈回路的电位器RP1，可以调整满量程。 对于双极性输出电路，输出电压的表达式为： 若VREF=+5 V，当D=0时，VOUT1=0，VOUT=-5 V；当D=128(80H)时，VOUT1=-2.5 V，VOUT=0；当D=255(FFH)时，VOUT1=-5.98 V，VOUT = 4.96 V。

13. 4) DAC0832的主要技术指标 • 输入：8位数字量。内有锁存器，数字量输入端可直接与CPU的数据总线相连。 • 输入方式：双缓冲、单缓冲和直通输入三种方式。 • 输入逻辑：与TTL兼容。 • 输出：模拟量电流IOUT1和IOUT2。 • 电流建立时间：1 s。

14. 线性误差：0.2%FSR(Full Scale Range)，即该芯片的线性误差为满量程的0.2%。 非线性误差：0.4%FSR。 功耗：20 mW。 工作电压：单一+5+15 V电源。 参考电压：-10+10 V。

15. 2．DAC1210 DAC1210是美国国家半导体公司生产的12位D/A转换器芯片，是智能化仪表中常用的一种高性能的D/A转换器。 DAC1210是24引脚的双列直插式芯片，其内部逻辑结构如图8.48所示。 由图8.48可以看出，其逻辑结构与DAC0832类似，所不同的是DAC1210具有12位的数据输入端，且其12位数据输入寄存器由一个8位的输入寄存器和一个4位的输入寄存器组成。两个输入寄存器的输入允许控制都要求CS和WR1为低电平，但8位输入寄存器的数据输入还要求B1/B2端为高电平。

16. 图8.48 DAC1210的结构框图

17. 1) DAC1210的引脚 DI11DI0——D/A转换器的数字量输入引脚。其中DI0为最低位，DI11为最高位。 CS——片选信号输入端，低电平有效。 WR1——输入寄存器的写信号，低电平有效。当此信号有效时，与CS和B1/B2配合起控制作用。 B1/B2——字节控制。此端为高电平时，12位数字同时送入输入锁存器；此端为低电平时，将12位数字量的低4位送到4位输入寄存器。

18. XFER——D/A转换的控制信号，与WR2配合使用。 WR2——DAC寄存器的写信号，低电平有效。当XFER和WR2同时有效时，输入寄存器的数据装入DAC寄存器，并启动一次D/A转换。 IOUT1——D/A转换器输出电流1。 IOUT2——D/A转换器输出电流2。

19. VCC——电源，其值可在+5+15 V之间选取，典型值取+15 V。 AGND——模拟信号地。 DGND——数字信号地。 RFB——外部放大器的反馈电阻接线端。 VREF——D/A转换器的基准电压，其范围可在-10+10 V内选定。

20. 2) DAC1210的主要技术指标 输入：12位数字量。内有锁存器，数字量输入端可直接与CPU的数据总线相连。 输入方式：双缓冲、单缓冲和直接输入三种方式。 输入逻辑电平：与TTL兼容。 输出：模拟量电流IOUT1和IOUT2。 电流建立时间：1 s。 功耗：20 mW。 工作电压：单一+5+15 V电源。 参考电压：-10+10 V。

21. 3．D/A转换芯片与微处理器的接口 计算机是通过输出指令将要转换的数字送到D/A转换芯片来实现D/A转换的，但由于输出指令送出的数据在数据总线上持续的时间很短，因而需要数据锁存器来锁存CPU送来的数据，以便完成D/A转换。目前生产的DAC芯片有的片内带有锁存器(如本节介绍的DAC0832和DAC1210)，而有的则没有。在实际中若选用了内部不带锁存器的D/A转换芯片，就需要在CPU和D/A芯片之间增加锁存电路。

22. 1) 8位D/A转换器与CPU的接口 这里以8位的D/A转换芯片DAC0832来说明8位D/A转换芯片与ISA总线的连接问题。如图8.49所示，由于DAC0832内部有数据锁存器，其数据输入引脚可直接与CPU的数据总线相连。图中XFER和WR2接地，即DAC0832内部的第2级寄存器接成直通式，只由第1级寄存器控制数据的输入，当CS和WR1同时有效时(ILE始终为有效的高电平)，DI7DI0的数据被送入其内部的D/A转换电路进行转换。

23. 图8.49 DAC0832与ISA总线连线图

24. 如果要求图示系统的VOUT端输出方波，可编程如下：如果要求图示系统的VOUT端输出方波，可编程如下： MOV DX，200H ；端口地址200H送DX LOOP1： MOV AL，00H OUT DX，AL ；将数据0送DAC0832进行转换 CALL DELAY ；调用延时子程序 MOV AL，0FFH OUT DX，AL ；将数据FFH送DAC0832进行转换 CALL DELAY JMP LOOP1

25. 2) 12位D/A转换器与CPU的接口 当D/A转换器位数大于8位时，与8位微处理器接口时被转换的数据就需要分几次(D/A位数≤16时需2次)送出。对于片内带数据锁存器的D/A芯片，应通过合理地使用控制信号实现数据的锁存；对于没有锁存器的芯片，用户自己需要增加数据锁存电路。 这里以片内带有数据锁存器的12位D/A转换芯片DAC1210与外部数据总线为8位的IBM PC/XT总线的接口方法，说明主机数据总线位数小于DAC芯片位数时的接口技术。

26. 图8.50给出了DAC1210与IBM PC/XT总线的连接图。由于DAC1210片内的“8位输入寄存器”(存放待转换数据的高8位)和“4位输入寄存器”(存放待转换数据的低4位)的输入允许控制都需要CS和WR1同时为低电平(参阅图8.48)，且“8位输入寄存器”还需要在B1/B2为高时才能被选通，所以当DAC1210与8位数据总线相连，送12位的待转换数据时，必须首先使B1/B2为高(此时CS和WR1也都有效)，以便将数据的高8位送到“8位输入寄存器”锁存；然后使B1/B2为低，以使数据的低4位送到“4位输入寄存器”进行锁存。

27. 图8.50 DAC1210与IBM PC/XT总线的连接图

28. 设图中DAC占用的端口地址为220H222H，为了使两次数据输入端口的地址先偶(220H)后奇(221H)，以便与编程习惯一致，可以使地址线A0经一反向器接至B1/B2端。设图中DAC占用的端口地址为220H222H，为了使两次数据输入端口的地址先偶(220H)后奇(221H)，以便与编程习惯一致，可以使地址线A0经一反向器接至B1/B2端。 若BX寄存器中低12位为待转换的数字量，以下程序段可完成一次转换输出。 MOV DX，220H ；端口地址220H可保证第一次执行OUT指令时， ；A0=0，B1/B2=1，从而将高8位数据写入“8位 ；输入寄存器”中锁存

29. MOV CL，04H SHL BX，CL ；BX中的12位数左移4位 MOV AL，BH ；高8位送AL OUT DX，AL ；高8位送“8位输入寄存器”锁存 INC DX ；端口地址变为221H，可保证下一次执行OUT ；指令时，A0=1，B1/B2=0，从而将低4位数据写 ；入“4位输入寄存器”中锁存 MOV AL，BL ；低4位送AL OUT DX，AL ；低4位送“4位输入寄存器”锁存 INC DX ；端口地址变为222H，可保证下一次执行OUT ；指令时，将两个寄存器的内容同时送12位的DAC ；寄存器，且使XFER有效，以便启动D/A转换 OUT DX，AL ；启动D/A转换