可編程雙路12位D/A轉(zhuǎn)換器在工業(yè)儀表中的應(yīng)用

引言
隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，在工業(yè)中使用的儀表日趨智能化、多功能化、小型化，其硬件電路設(shè)計大多采用單片機微處理器為核心，再配以外圍電路構(gòu)成。由于部分儀表需要把現(xiàn)場的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機能夠處理的數(shù)字信號輸入，再把單片機經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，因此，這些儀表的硬件電路設(shè)計需要同時具有模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換和數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換兩種功能。

在同時需要D/A和A/D轉(zhuǎn)換功能的儀表中，可以用一片A/D轉(zhuǎn)換器和一片D/A轉(zhuǎn)換器來分別實現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，但由于A/D和D/A轉(zhuǎn)換器芯片的價格都較高，儀表的成本也將較高。筆者在某工業(yè)儀表設(shè)計中采用可編程雙通道D/A轉(zhuǎn)換器TLC5618的一個通道實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的同時，用它的另一個通道通過軟件編程以逐次比較方式來實現(xiàn)A/D功能。實際應(yīng)用效果較好，該應(yīng)用方法具有以下特點：①節(jié)省一片A/D轉(zhuǎn)換器，降低了儀表成本。②TLC5618體積?。?引腳的小型D封裝），便于小型化設(shè)計，減少了印刷線路板面積。③TLC5618采用3線串行數(shù)據(jù)輸入方式，占用CPU的I/O口線少，硬件搭接簡單，外圍器件少，軟件編程方便。④對于標(biāo)準(zhǔn)信號1～5V信號TLC5618的分辨率至少可達到1.3mV，完全可滿足工業(yè)過程控制精度要求。⑤通過軟件編程以逐次比較方式來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換建立時間約為400μs。

TLC5618應(yīng)用實例

下面具體介紹采用一片可編程雙通道D/A轉(zhuǎn)換器TLC5618的一個通道實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的同時，用它的另一個通道通過軟件編程以逐次比較方式來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能的實際應(yīng)用方法。其硬件設(shè)計如圖1所示

TLC5618是帶有緩沖基準(zhǔn)輸入（高阻抗）的雙路12位電壓輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），8引腳的小型D封裝，需+5V 單電源工作，其輸出電壓范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍，因此，電路設(shè)計采用了1.2V基準(zhǔn)電壓（如LM385）。

通過CMOS兼容的3線串行總線單片機可以對TLC5618實現(xiàn)數(shù)字控制，器件接收用于編程的16位輸入字產(chǎn)生模擬輸出。16位輸入字的高4位為編程控制位，通過對編程控制位的設(shè)定，可以有三種不同的輸出方式，低12 位為被轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。數(shù)據(jù)從串行數(shù)據(jù)輸入端DIN按從高位到低位的順序依次輸入，單片機串行通訊可工作在操作模式0下，串行口作同步移位寄存器用或采用其它I/O口模擬串行口方式實現(xiàn)數(shù)字控制。這里值得注意的是單片機工作在操作模式0下時，串行口發(fā)送或接收的是8位數(shù)據(jù)，且低位在前，與TLC5618的數(shù)據(jù)接收時序相反。因此單片機應(yīng)先將數(shù)據(jù)進行高低位交換后再進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖1 采用一片TLC5618實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換的應(yīng)用電路

1．D/A功能的實現(xiàn)
該功能只占用TLC5618的OUTB輸出通道，若指定建立時間為3μs，則前4位編程控制位應(yīng)為00xx。前4位編程控制位和被轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量組成高8位+低8位=16位的輸入字，從串行數(shù)據(jù)輸入端DIN按從高位到低位的順序依次輸入，轉(zhuǎn)換結(jié)果電壓從TLC5618 的OUTB輸出。本電路通過V-I轉(zhuǎn)換電路（見圖1）實現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換。這里不再祥述。

2．A/D功能的實現(xiàn)
在本電路中沒有單獨使用A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換功能是通過雙路D/A轉(zhuǎn)換器TLC5618的另一個輸出通道OUTA，通過一級放大電路和比較電路，并通過軟件編程采用逐次比較法來實現(xiàn)的。即在雙通道D/A轉(zhuǎn)換器TLC5618的串行數(shù)據(jù)輸入端DIN逐次輸入按位依次指定的12位數(shù)字量（如x800h），并將每次輸入數(shù)字量的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果同實際輸入的模擬電壓進行比較，根據(jù)比較結(jié)果來決定每次指定的位應(yīng)為"0"或"1"，當(dāng)最后一位確定后，這個按位被指定的數(shù)字量就是最終A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。具體原理如下：

每次A/D轉(zhuǎn)換過程中，前4位編程位一直為10xx。前4位編程位和后面12位轉(zhuǎn)換數(shù)字量構(gòu)成高8位+低8位=16位的輸入字。

每次A/D轉(zhuǎn)換前先指定12位輸入數(shù)字量（不包括4位編程位）的最高位為 "1"輸入TLC5618進行D/A轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果從OUTA輸出后，經(jīng)過一級放大電路，通過比較電路與實際輸入的模擬電壓比較。若轉(zhuǎn)換結(jié)果電壓大于輸入的模擬電壓，則三極管T1基極為高電平，T1導(dǎo)通，P0.2被下拉為低電平；否則轉(zhuǎn)換結(jié)果電壓小于輸入的模擬電壓，則三極管T1基極為低電平，T1截止，P0.2被上拉為高電平。單片機通過檢測P0.2的狀態(tài)，如果P0.2為高電平，則保留本位的"1"；否則P0.2為低電平，則將本位的"1"變?yōu)?0"。這樣12位數(shù)字量中的一位就被確定下來，然后再指定下一位為"1"，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換、放大、比較，并檢測P0.2的狀態(tài)，該位又被確定下來。依次類推，直到12位數(shù)字量全被確定下來，這個12位的數(shù)字量的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果將最接近輸入的模擬電壓，它實際就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。注意單片機在檢測I/O比較結(jié)果狀態(tài)時，應(yīng)加入約為10μs的時間延時。

另外，本電路僅具有一個模擬量輸入信號，如需有多個模擬量輸入信號，可不必加模擬開關(guān)，只需增加比較電路即可，多個模擬量輸入信號均可與D/A轉(zhuǎn)換器經(jīng)一級放大電路的輸出信號比較，并通過相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換子程序?qū)崿F(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

結(jié)語
在工業(yè)儀表日益向多功能化、智能化、小型化發(fā)展的今天，雙通道D/A轉(zhuǎn)換器TLC5618以其優(yōu)勢的性能越來越受青睞。該電路應(yīng)用充分發(fā)揮了TLC5618性能特點，大大降低了硬件成本，提高了產(chǎn)品的性能價格比。筆者認(rèn)為可編程雙通道D/A轉(zhuǎn)換器TLC5618是一種值得廣泛推廣應(yīng)用的產(chǎn)品。