基于DAC0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路的仿真設(shè)計

印健健

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇南通，226000）

0 引言

計算機(jī)以及數(shù)字電路處理的信息都是數(shù)字量（Digital,簡稱D），而實(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)制數(shù)與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)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(jìn)制的位數(shù)，n為實(shí)際輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成的十進(jìn)制數(shù)。例如某D/A轉(zhuǎn)換器將3位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為0～10V電壓，其轉(zhuǎn)換關(guān)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)，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(shí)際使用的器件人們常常用輸入二進(jìn)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(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓，圖中使用了最常見的運(yùn)算放大器LM324。由于輸出電壓為負(fù)電壓，運(yùn)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(fù)壓，所以輸出電壓的計算方法：u0=-Uref xn/2N，圖3、圖4中實(shí)際輸入的二進(jìn)制數(shù)為10000000，轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)則為128，代入公式則：u0=-Uref xn/2N=-10Vx128/28=-5V,實(shí)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(yùn)放的反饋電阻；8腳Vref：基準(zhǔn)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(yīng)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(shí)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(qiáng)調(diào)的是時鐘脈沖的頻率要設(shè)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(jìn)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(jī)對DAC輸入端數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)電壓，所以運(yùn)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(guān)資料，不妨一試。輸出正電壓的計算公式和輸出負(fù)電壓的計算公式唯一的不同是前面去掉負(fù)號，即u0=Uref xn/2N。