WX_微型计算机控制技术_第二章4-1.ppt

第2章输入 输出接口与过程通道 2 7模拟量输出通道 在微机控制系统中 经模拟量输入通道采集来的参数 按一定的控制规律或某种控制算法处理后 输出控制信号 实现对被控设备或生产过程的控制或调节 在模拟量输出通道中 需经过数字 模拟 D A 转换 将计算机输出的数字信号变换成模拟量信号传送给执行机构 由执行机构直接作用于生产过程进行控制或调节 2 7模拟量输出通道 2 7 1D A转换器原理2 7 2如何选择D A转换器2 7 38位D A转换器DAC0832及应用2 7 412位D A转换器DAC12102 7 5D A A D转换器的电源 接地与布线 了解D A转换器原理熟悉如何选择D A转换器掌握8位D A转换器DAC0832及应用 2 7 1D A转换器原理 大多数D A转换器是由精密电阻网络和开关阵列构成 按数字输入值切换开关 产生相应输出的电流和电压 图2 34D A转换器原理框图 D A转换器分类 按照译码网络的不同可分为 权电阻网络D A转换器T形电阻网络D A转换器权电流型D A转换器等 一 权电阻网络D A转换器 权电阻网络D A转换器主要由权电阻网络 模拟开关 运算放大器和基准电源VREF四部分组成 设输入一个四位二进制代码D D3D2D1D0 则流入运算放大器输入端的电流为 设反馈电阻Rf R 2 则电路输出电压为 电路的输出电压VO与输入的四位二进制代码成正比 依此类推 n位权电阻网络DAC的求和运算放大器输入端电流 输出电压表达式分别为 若输入一个四位二进制代码D D3D2D1D0 1010 根据上述转换方法 电路的输出电压为 由此可知 当Dn 0时 VO 0 当Dn 11 11时 输入n位二进制代码的输出电压的取值范围为 权电阻网络DAC电路的优点是电路结构简单 使用电阻数量少 各位数码同时进行转换 速度较快 缺点是电阻网络中电阻取值相差较大 随着输入信号位数的增多 电阻网络中电阻取值差距增大 在相当宽的范围内要保证电阻取值的精度较困难 对电路的集成不利 为克服权电阻网络DAC中电阻值相差太大的缺点 目前集成D A转换器中常用的T形电阻网络D A转换器 T型电阻网络DAC 其电阻网络中仅有阻值为R和2R的两种电阻 从而克服了电阻取值分散的缺点 2 7 2如何选择D A转换器 1 分辨率2 精度3 转换时间4 非线性 线性度 1 分辨率 D A转换器的分辨率表示当输入数字量变化1时 输出模拟量变化的大小 即相邻两个二进制码对应的输出电压之差称为D A转换器的分辨率 它确定了D A产生的最小模拟量变化 反映了计算机数字量输出对执行部件控制的灵敏程度 也可用最低位 LSB 表示 对于一个n位的D A转换器 分辨率可表示为 例如 对于满刻度值5 12V 单极性输出 8位D A转换器的分辨率为5 12 28 20mV 步 12位D A转换器的分辨率为5 12 212 1 25mV 步 即8位的D A转换器只能对20mV的增量作出反映 而12位的D A转换器能对1 25mV的增量作出反映 因此12位的D A转换器相对于8位的分辨率提高16倍 设计时应按系统对分辨率的要求来选择D A转换器 在满足控制灵敏度要求的原则下 适当留有余地 但也不是选用的分辨率越高越好 这要增加系统成本和复杂性 2 精度 转换精度以最大的静态转换误差的形式给出 这个转换误差是非线性误差 比例系数误差以及漂移误差等综合误差 应该注意 精度和分辨率是两个不同的概念 精度是指转换后所得的实际值相对于理想值的接近程度 而分辨率是指能够对转换结果影响的最小输入量 对于分辨率很高的D A转换器并不一定具有很高的精度 3 转换时间 也称建立时间 是指将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间 即从D A转换器输入的数字量发生变化开始 到其输出模拟量达到相应的稳定值所需要的时间称为转换时间 D A中常用转换时间来描述其速度 一般地 电流输出D A转换时间较短 电压输出D A转换时间较长 4 非线性 线性度 非线性也称为线性度或非线性误差 相邻两个数字量之间的差应是1LSB 即理想的转换特性是线性的 但是元器件的非线性 使之存在非线性误差 它是在D A转换器零点调整好 D 00H 模拟量输出为0 和增益调整好后 实际的模拟量输出和理论值之差 通常非线性用百分数表示 例如 1 表示实际输出和理论值之差在满刻度的 1 范围内 2 7 38位D A转换器DAC0832及应用 一 DAC0832的结构及原理DAC0832是电流输出型8位D A转换器采用CMOS工艺单一电源供电 5 15V 低功耗 20mW 逻辑电平输入与TTL兼容内部电路采用R 2RT型电阻网络两级缓冲结构 DAC寄存器 即 两级缓冲寄存器分别为输入数据锁存器和D A寄存器 其允许数据输入的控制逻辑分别为 数据输入锁存器 DAC寄存器 当DAC寄存器有效 选通 时 IOUT1可有相应的输出电流 两级缓冲寄存器分别为输入数据锁存器和D A寄存器 其允许数据输入的控制逻辑分别为 通过对控制引脚的不同设置 可将数据输入锁存器及D A转换器接成双缓冲工作方式 单缓冲工作方式或直通方式工作 双缓冲方式是指输入到芯片的数据经输入锁存器及D A寄存器两级锁存后再输出转换 单缓冲方式下输入的数据只经一级锁存便进行输出转换 直通方式指芯片将CPU传送来的数据直接进行D A转换 二 DAC0832的引脚说明 D0 D7 8位数字量输入端 CS 片选端 低有效ILE 数据锁存允许 高有效 WR1 写控制信号1 低有效 WR2 写控制信号2 低有效 XFER 数据传送控制信号Iout1 电流输出端1Iout2 电流输出端2Rfb 内置反馈电阻端Vref 参考电压源 10 10VDGND 数字量地AGND 模拟量地Vcc 5 15V单电源供电端 二 DAC0832的引脚说明 D0 D7 8位数字量输入端 D0为最低位 D7为最高位 片选信号 低有效 写控制信号1 低电平有效 写控制信号2 低电平有效 数据传送控制信号 低电平有效 用于控制DAC寄存器 ILE 数据锁存允许信号 高电平有效 Iout1 电流输出端1 当DAC寄存器数据全为 1 时 输出电流Iout1最大 当DAC寄存器中全为 0 时 输出电流为0 Iout2 电流输出端2 Iout1 Iout2 常数 采用单极性输出时 Iout2通常接地 Rfb 内部反馈电阻输入端 该电阻在芯片内 Rfb端可以直接接到外部运算放大器的输出端 这样 相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端 内部Rfb 15k VREF 基准电压输入端 要求外加高精度电压源 与芯片内的电阻网络相连接 范围为 10V 10V DGND 数字地 AGND 模拟地 Vcc 5 15V单电源供电端 三 DAC0832输出方式 1 单极性电压输出DAC0832是电流型输出的 有电流输出1 Iout1 和电流输出2 Iout2 Iout1 Iout2 常数 当DAC寄存器数据全为 1 时 输出电流Iout1最大 当DAC寄存器中全为 0 时 Iout1输出电流为0 实际应用中 多数情况需要电压输出 因此 需要在DAC0832的输出端接一运算放大器 将电流信号转换为电压信号 图2 38单极性电压输出 图2 39具有调零和调增益功能的单极性电压输出电路 2 双极性电压输出 在随动系统中 如电机控制系统 偏差产生的控制量不仅与其大小有关 而且与其极性相关 在这种情况下 要求D A转换器输出电压为双极性 在D A转换器中 输出电压的极性可以通过3种方法实现 控制基准电压源的极性 控制输出电压的极性 外接电路 D A转换器总的输出电压 带入R1 R2 R3的值 可得 设VREF 5V 可得出 当Vout1 0V时 Vout2 5V 当Vout1 2 5V时 Vout2 0V 当Vout1 5V时 Vout2 5V 3 电流输出 因为电流信号易于远距离传送 且不易受干扰 所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息 这就需要将电压信号再转换成标准电流信号0 10mA或4 20mA 完成电流输出方式的电路称为V I变换电路 D A转换器若采用标准电流输出 只需在输出放大器后增加V I变换电路 V I变换电路一般有普通运放V I变换电路和集成V I变换电路两种形式 输入电压Uin经输入电阻进入运算放大器A 放大后进入三极管T1 T2 由于T2发射极接有反馈电阻Rf 得到反馈电压Vf加至输入端 形成运放A的差动输入信号 该变换电路由于具有较强的电流负反馈 所以有较好的恒流性能 1 普通运放V I变换电路 1 普通运放V I变换电路 若R3 R4 Rf RL 可以认为IO全部流经Rf 由此可得 U U 若取R1 R2 R3 R4 则由上式整理可得 输出电流IO和输人电压Uin呈线性对应的单值函数关系 2 集成V I变换电路 AD694是美国AD公司生产的一种单片电压 电流转换器 V I转换器 它可将输入电压信号转换成标准的电流信号 广泛应用于压力 流量 温度等信号的参数传递和对阀 调节器等过程控制中一些常用设备的控制 它由输入缓冲放大器 V I转换电路 参考电压源 4mA偏移电流发生器等功能模块组成 通过改变引脚的不同接法 可以选择多种电压输入范围 输出4 20mA或0 20mA电流信号 具有转换精度高 使用方便的特点 图2 42AD694引脚图 下图是AD694的典型应用电路接线图 输入信号为0 10V 4 20mA输出 因此其工作电源电压为12 5 36V 9脚4mA偏置电流选通端接地 使输出电流在4 20mA之间 四 DAC0832接口电路 DAC0832是8位的D A转换器 可以连接数据总线为8位 16位或更多位的CPU 当连接8位CPU时 DAC0832的数据线D0 D7可以直接接到CPU的数据总线D0 D7 当连接16位或更多位的CPU时 DAC0832的数据线D0 D7接到CPU数据总线的低8位 D0 D7 图2 44DAC0832与51单片机的连接电路 图2 44为DAC0832与51单片机的连接电路 DAC0832工作在单缓冲方式 图中 和 接低电平 DAC寄存器工作在直通状态 输入寄存器工作在锁存状态 运算放大器输出电压为 例1 产生矩形波LL MOVA 00H 低电平MOVDPTR 0FEFFHMOVX DPTR A 送转换LCALLDMS1 低宽度MOVA 0FFH 高电平MOVX DPTR A 送转换LCALLDMS2 高宽度SJMPLL DMS1 MOVR6 10L1 MOVR7 100NOPL2 DJNZR7 L2DJNZR6 L1RETDMS2 MOVR4 200L11 MOVR5 248NOPL12 DJNZR5 L12DJNZR4 L11RET 例2 产生三角波MOVA 00HMOVDPTR 0FEFFHSS1 MOVX DPTR A 送转换NOPNOPNOPSS2 INCA 等速上升JNZSS1SS3 DECAMOVX DPTR ANOPNOP 等速下降JNZSS3SJMPSS2 2 7 412位D A转换器DAC1210 一 DAC1210的主要性能及特点输入数字为12位二进制数字 分辨率12位 电流建立时间1 s 供电电源 5 15V 单电源供电 基准电压VREF范围 10 10V 输入信号与TTL电平兼容 单缓冲 双缓冲或直通数字数据输入 二 DAC1210引脚说明 图2 45DAC1210内部原理框图 为高电平时 输入锁存器中的数据被锁存 12位输入锁存器分成两部分 一个存放高8位的数据 另一个存放低4位的数据 字节控制通过字节控制信号 DAC1210芯片各引脚功能如下 片选信号 低电平有效 写入1 低电平有效 实现 字节顺序控制 该管脚为高电平时 输入锁存器的12个单元都被使能 12位数据同时锁存进第一级的两个输入寄存器 为低电平时 只使能低四位输入锁存器 用于将数字数据 DI 送到输入锁存器 当 写入2 低电平有效 将使能 传送控制信号 低电平有效 该信号与 结合时 能将输入锁存器中的12位数据转移到DAC寄存器中 DI0 DI11 数据输入端 12条数据输入线 其中DI0为最低位 DI11位最高位 Iout1 电流输出端1 当DAC寄存器数据全为 1 时 输出电流Iout1最大 当DAC寄存器中全为 0 时 Iout1为0 IoutT2 电流输出端2 Iout1 Iout2 常数 Rfb 反馈电阻输入端 该电阻在芯片内 与芯片上的R 2RT型电阻网络相匹配 UREF 基准电压输入端 该引脚把外部高精度电压源与内部的R 2RT型电阻网络连接起来 UREF的选择范围为是 10V 10V DGND 数字地 它是数字逻辑的地 AGND 模拟地 它是模拟电路部分的地 三 DAC1210的接口电路设计 AC1210有12位数据输入线 当与8位CPU数据总线相接时 需要执行2次输出指令 为避免两次输出指令间在D A转换器出现不需要的模拟量输出 就必须使高8位和低4位数据同时送入DAC1210的12位DAC寄存器 在具体电路设计时 往往用两级数据缓冲结构来解决DAC1210和总线的连接问题 图2 46DAC1210与单片机AT89S51的连接电路 Q6作为片选信号 Q7作为DAC1210输入锁存器选择信号 于是高8位地址为0BFH 低4位地址为3FH 由DAC1210实现的锯齿波程序如下 ORG0030HSTART MOVR2 0FFH 输出值高8位数值MOVR3 0F0H 输出值低4位数值AGAIN MOVA R2MOVR0 0BFHMOVX R0 A 输出高8位MOVA R3SWAPAMOVR0 3