微型计算机控制技术_第二章4-1

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DD3D2D1D0。则流入运算放大器输入端的电流为：,设反馈电阻RfR/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DD3D2D1D01010，根据上述转换方法，电路的输出电压为：,由此可知，当Dn0时，VO0；当Dn1111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,D0D7：8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,D0D7：8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。Iout1Iout2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），Iout1Iout2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DA转换器输出电压为双极性。在DA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。,DA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010mA或420mA，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、R4Rf、RL，可以认为IO全部流经Rf，由此可得：,UU,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420mA或020mA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010V，420mA输出。因此其工作电源电压为12.536V，9脚4mA偏置电流选通端接地，使输出电流在420mA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D0D7可以直接接到CPU的数据总线D0D7，当连接16位或更多位的CPU时，DAC0832的数据线D0D7接到CPU数据总线的低8位（D0D7）。,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,#0FEFFHMOVXDPTR,A;送转换LCALLDMS1;低宽度MOVA,#0FFH;高电平MOVXDPTR,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:MOVXDPTR,A;送转换NOPNOPNOPSS2:INCA;等速上升JNZSS1SS3:DECAMOVXDPTR,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1s；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。,DI0DI11：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。Iout1Iout2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,#0BFHMOVXR0,A;输出高8位MOVA,R3SWAPAMOVR0,#3FHM