基于DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路的仿真設計

印健健

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學院，江蘇南通，226000）

0 引言

計算機以及數(shù)字電路處理的信息都是數(shù)字量（Digital,簡稱D），而實際中的物理量大多數(shù)為模擬量（Analog，簡稱A)，如溫度、壓力、電流、電壓等。處理這些物理量時需要將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，處理完成后得到的結(jié)果又需要從數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。實現(xiàn)將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC，實現(xiàn)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC。A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換是一個數(shù)字控制系統(tǒng)不可缺少的部分(見圖1)。D/A轉(zhuǎn)換器件的種類非常多，本文介紹的是一種常見的DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。

圖1 數(shù)字控制系統(tǒng)

1 電路仿真原理

D/A轉(zhuǎn)換器就是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，如圖2所示，如果輸出模擬量為正電壓，則D/A轉(zhuǎn)換器的輸入二進制數(shù)與輸出電壓的對應關系為：u0=Uref xn/2N，式中：Uref為參考電壓，即轉(zhuǎn)換器輸出的最高電壓，N為輸入數(shù)字二進制的位數(shù)，n為實際輸入的二進制數(shù)轉(zhuǎn)化成的十進制數(shù)。例如某D/A轉(zhuǎn)換器將3位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為0～10V電壓，其轉(zhuǎn)換關系如表1所示。

圖2 D/A轉(zhuǎn)換器基本工作原理

表1 三位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為0～10V電壓

由表1可知，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量不可能是連續(xù)的，它只有2N個取值，N越大（輸入二進制數(shù)的位數(shù)就越多），取值就越多，每二個值之間的差別就越小，D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率就越強，分辨率是指最小輸出電壓與最大輸出電壓之比，計算公式為：分辨率=[Uref x 1/2N]/[Uref x（2N-1）/2N]=1/（2N-1），如3位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：1/（2N-1）=1/（23-1）=1/7=0.143；8位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：1/（2N-1）=1/（28-1）=1/255=0.004。對于實際使用的器件人們常常用輸入二進制數(shù)的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率，常用的有8位D/A轉(zhuǎn)換器、10位D/A轉(zhuǎn)換器、12位D/A轉(zhuǎn)換器。

DAC0832（見圖3、圖4）為電流輸出，但一般電路要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個外接的運算放大器轉(zhuǎn)換成電壓，圖中使用了最常見的運算放大器LM324。由于輸出電壓為負電壓，運算放大器LM324需要使用雙電源。DAC0832的使能端全部接為有效狀態(tài)，這樣輸入端的輸入數(shù)據(jù)直接送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。為了簡化電路，參考電壓直接使用電源電壓。因輸出的是負壓，所以輸出電壓的計算方法：u0=-Uref xn/2N，圖3、圖4中實際輸入的二進制數(shù)為10000000，轉(zhuǎn)化成十進制數(shù)則為128，代入公式則：u0=-Uref xn/2N=-10Vx128/28=-5V,實際仿真結(jié)果為-4.99V,與理論計算結(jié)果幾乎相等，誤差僅-0.01V（見圖4）。

圖3 DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理圖

圖4 DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換仿真原理圖

2 DAC0832引腳功能

DAC0832引腳功能見圖3、圖4，13、14、15、16、4、5、6、7腳〖D17~D10(D7~D0)〗：數(shù)字信號輸入端；19腳（ILE）：輸入寄存器允許，高電平有效；1腳CS：片選信號，低電平有效；2腳WR1：寫信號1，低電平有效；17腳XEFR：傳送控制信號，低電平有效；18腳WR2：寫信號2，低電平有效；11、12腳IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端；9腳RFB：集成在片內(nèi)的外接運放的反饋電阻；8腳Vref：基準電壓（-10~+10V)；20腳Vcc：電源電壓（+5~+15V）；10腳GND：數(shù)字地；3腳GND：模擬地。

3 應用舉例

使用計數(shù)器和D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生鋸齒波（見圖5、圖6、圖7），計數(shù)器從00000000加計數(shù)到11111111輸出電壓從0→-10V逐漸降低，計數(shù)器從11111111回到00000000，輸出電壓直接回0。如圖7所示，鋸齒波的斜邊實際上是由2N=28=256級小臺階組成，但由于每一臺級很小，所以近似于一條平滑的斜線。圖6為鋸齒波發(fā)生器的仿真原理圖，圖中時鐘脈沖U6(CLK)是軟件自帶的時鐘脈沖，特別強調(diào)的是時鐘脈沖的頻率要設置為200Hz左右才能正常顯示波形，如果是1Hz的時鐘脈沖是不能顯示正常波形的。兩片74LS191組成8位二進制加法計數(shù)器，產(chǎn)生00000000~11111111共256個數(shù)據(jù)序列。DAC0832與LM324組成D/A轉(zhuǎn)換器，LM324的1腳輸出鋸齒波。如果使用單片機對DAC輸入端數(shù)據(jù)進行控制，那么在LM324的1腳輸出任意形狀的鋸齒波形，這就是函數(shù)信號發(fā)生器的基本工作原理。

圖5 鋸齒波發(fā)生器方框圖

圖6 DAC0832+74LS191鋸齒波發(fā)生器仿真電路

4 結(jié)束語

本文D/A轉(zhuǎn)換器由于輸出的電壓為負電壓，所以運算放大器LM324需要使用雙電源，讀者如果想要輸出正電壓及使用單電源，請參考相關資料，不妨一試。輸出正電壓的計算公式和輸出負電壓的計算公式唯一的不同是前面去掉負號，即u0=Uref xn/2N。