三防平板模擬量輸出通道是智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制模擬設(shè)備的關(guān)鍵，其任務(wù)是將處理結(jié)果送給被控對(duì)象。對(duì)于嵌入式控制系統(tǒng)，模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）及驅(qū)動(dòng)電路組成。在系統(tǒng)工作時(shí)，微處理器首先將控制信息通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，三防平板然后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路（功率放大器等）驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或裝置設(shè)備，達(dá)到控制的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，模擬量輸出通道通常分為單路模擬量和多路模擬量兩種輸出通道結(jié)構(gòu)。

單路模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)如圖1所示，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠。目前，三防平板在部分嵌入式微處理器中，內(nèi)部集成有寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量后輸出，但輸出信號(hào)通常無法直接驅(qū)動(dòng)外部的執(zhí)行裝置或設(shè)備，故需要增加放大變換電路。

圖1 單路模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)

多路模擬量輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種方式必須在微處理器控制下分時(shí)工作，依次把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，然后通過多路開關(guān)分別傳送給采樣保持器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了系統(tǒng)的成本，但由于是分時(shí)工作，一般適用于輸出通道數(shù)量多且速度要求不高的場合。

圖2 多路模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)

D/A轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用

1．概述

（1）組成與工作原理。D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將微處理器中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量，D/A轉(zhuǎn)換過程示意圖如圖3所示。

圖3 D/A轉(zhuǎn)換過程示意圖

D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般包括數(shù)字緩沖寄存器、N位模擬開關(guān)、譯碼網(wǎng)絡(luò)、放大求和電路及基準(zhǔn)電壓源，如圖4所示。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

不同廠家生產(chǎn)的D/A轉(zhuǎn)換器種類繁多，常見分類方式有：

● 按轉(zhuǎn)換位數(shù)可分為8位、10位、12位、16位等；

● 按數(shù)字量的輸入形式可分為并行總線D/A轉(zhuǎn)換器和串行總線D/A轉(zhuǎn)換器；

● 按轉(zhuǎn)換時(shí)間可分為超高速D/A轉(zhuǎn)換器（＜100 ns）、高速D/A轉(zhuǎn)換器（100 ns～10 μs）、中速D/A轉(zhuǎn)換器（10～100 μs）、低速D/A轉(zhuǎn)換器（＞100 μs）等；

● 按輸出信號(hào)形式可分為電壓輸出型和電流輸出型；

● 按輸入是否含有鎖存器可分為內(nèi)部無鎖存器和內(nèi)部有鎖存器兩種形式。

在目前應(yīng)用的D/A轉(zhuǎn)換器中，通常采用倒T形（或稱為R-2R形）的電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖5-5所示。

圖5 倒T形電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)集成反向放大器的“虛假短路”概念（即V-≈V+≈0），圖5中，無論開關(guān)S3、S2、S1、S0與哪一邊接通，各2R 電阻的上端都相當(dāng)于接通“地電位”端，其等效電路如圖5-6所示。

圖6 倒T形電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的等效電路

設(shè)圖6中電路中的總電流為I，從電路可以看出，分別從11＇、22＇、33＇、44＇每個(gè)端口向左看的等效電阻都是R，這樣可以推導(dǎo)出從參考電源流入電阻網(wǎng)絡(luò)的總電流為

其中，流過44＇端的電阻支路的電流為I/2，流過33＇端、22＇端、11＇端的電阻支路的電流分別為I/4、I/8、I/16。在圖5-5中，開關(guān)S3～S0受到數(shù)字量d3d2d1d0的控制，當(dāng)某位數(shù)字量di為“1”時(shí)（如d 0=1），控制相應(yīng)的開關(guān)（如S0=1）與放大器的反相輸入端接通，相應(yīng)電阻支路的電流（I/16）流過反向放大器的反饋電阻RF（因i≈0）后，其輸出電壓v O=-iRF；當(dāng)某位數(shù)字量為0時(shí)，控制相應(yīng)的開關(guān)與地電位端接通，相應(yīng)的電流不流過放大器的反饋電阻RF。這樣，三防平板電路中流過放大器反饋電阻的總電流為

根據(jù)集成運(yùn)放的“虛地”概念，可以認(rèn)為vO＝-RFi。如果取反饋電阻RF＝R，并將式（5-1）和式（5-2）代入，則輸出電壓為

式（5-3）表明，輸出模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的功能。

對(duì)于n位的倒T形電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器，輸入為n位的二進(jìn)制的數(shù)字量dn-1dn-2…d1d0，輸出的模擬電壓為

由于倒T形電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的電阻取值只有R和2R兩種，整體電路的精度容易保證，且轉(zhuǎn)換速度較快。目前，在并行高速D/A轉(zhuǎn)換器中大都采用倒T形電阻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)制作的集成芯片，如DAC0832（8位）、5G7520（10位）、AD7524（8位）、AD7546（16位）等。

（2）D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)。D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)參數(shù)很多，主要有轉(zhuǎn)換精度、分辨率、轉(zhuǎn)換誤差和轉(zhuǎn)換速度等。

① 轉(zhuǎn)換精度。D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指在整個(gè)工作區(qū)間內(nèi)，實(shí)際的輸出電壓與理想輸出電壓之間的偏差，通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。

② 分辨率。指當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出模擬量的變化量。D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)（輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)）越多，輸出電壓的取值個(gè)數(shù)越多，就越能反映輸出電壓的細(xì)微變化，分辨率就越高。例如，某8位D/A轉(zhuǎn)換器，參考基準(zhǔn)輸入電壓VREF（模擬輸出電壓與其有直接關(guān)系）為5 V，其分辨率為

VREF 28=5000 mV 256≈19.5 mV

在工程中有時(shí)也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來衡量分辨率的高低，例如，8位D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率的最低有效位（LSB）為

LSB=128=1 256=0.0039=0.39％

三防平板對(duì)于n位D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率為1/2n。分辨率是D/A轉(zhuǎn)換器在理論上能達(dá)到的精度，不考慮轉(zhuǎn)換誤差時(shí)，轉(zhuǎn)換精度即分辨率的大小。

③ 轉(zhuǎn)換誤差。由于各元器件參數(shù)值存在誤差、基準(zhǔn)電壓源不夠穩(wěn)定，以及運(yùn)算放大器的漂移等，使D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際轉(zhuǎn)換精度受轉(zhuǎn)換誤差的影響，低于理論轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差是指實(shí)際輸出的模擬電壓與理想值之間的最大偏差，常用這個(gè)最大偏差與輸出電壓滿刻度（Full Scale Range，F(xiàn)SR）的百分比或最低有效位（LSB）的倍數(shù)表示。轉(zhuǎn)換誤差一般是增益誤差、漂移誤差和非線性誤差的綜合指標(biāo)。

④ 轉(zhuǎn)換速度。一般由建立時(shí)間決定，三防平板建立時(shí)間是指當(dāng)輸入的數(shù)字量變化時(shí)，輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差范圍內(nèi)的時(shí)間。輸入數(shù)字量的變化越大，建立時(shí)間越長。所以輸入從全0跳變?yōu)槿?（或從全1變?yōu)槿?）時(shí)建立時(shí)間最長，該時(shí)間稱為滿量程建立時(shí)間，一般技術(shù)手冊(cè)上給出的建立時(shí)間是指滿量程建立時(shí)間。

此外，還有溫度系數(shù)等技術(shù)參數(shù)。

在進(jìn)行含有D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電路設(shè)計(jì)過程中，選用D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)應(yīng)主要考慮如下幾個(gè)方面。

● D/A轉(zhuǎn)換器用于什么系統(tǒng)、應(yīng)轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)位數(shù)、系統(tǒng)的精度及線性度；

● 輸出的模擬信號(hào)類型，包括輸出信號(hào)的范圍、極性（單/雙極性）、信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力、信號(hào)的變化速度；

● 系統(tǒng)工作帶寬要求，D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間、轉(zhuǎn)換速率，高速應(yīng)用還是低速應(yīng)用；

● 基準(zhǔn)電壓源的來源，基準(zhǔn)電壓源的幅度、極性及穩(wěn)定性，電壓是固定的還是可調(diào)的，是外部提供還是D/A轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部提供等。

另外，還有成本及芯片來源等因素。

目前應(yīng)用的D/A轉(zhuǎn)換器芯片種類繁多，不同形式的D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器接口有所不同，下面分別以并行D/A轉(zhuǎn)換器和串行D/A轉(zhuǎn)換器為例進(jìn)行介紹。