§1.5--后向通道及接口2

1、11.5 后向通道与接口技术后向通道与接口技术21.5 后向通道与接口技术后向通道与接口技术l后向通道后向通道l后向通道中的常用器件及电路后向通道中的常用器件及电路l后向通道中的后向通道中的D/A转换及接口转换及接口3一、一、后向通道后向通道后向通道是后向通道是CPU或计算机对控制对象实现控制操作的或计算机对控制对象实现控制操作的输出通道。输出通道。 l1、后向通道的特点、后向通道的特点 l2、后向通道的结构、后向通道的结构l3、后向通道应解决的问题、后向通道应解决的问题 4l 1、后向通道的特点、后向通道的特点 (1)小信号输出、大功率控制。小信号输出、大功率控制。根据目前根据目前CPU输出

2、功率的限制，不能输出控制对象所要求输出功率的限制，不能输出控制对象所要求的功率信号。的功率信号。(2)是一个输出通道。是一个输出通道。输出伺服驱动控制信号，而伺服驱动系统中的状态反馈信输出伺服驱动控制信号，而伺服驱动系统中的状态反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道。号通常是作为检测信号输入前向通道。(3)接近控制对象，环境恶劣。接近控制对象，环境恶劣。控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为严重。后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不严重。后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不易受到直接损害；但这些干扰易从系统的前向通道

3、窜入。易受到直接损害；但这些干扰易从系统的前向通道窜入。5l 2、后向通道的结构、后向通道的结构 根据根据CPU的输出信号形式和控制对象的特点，后向通道结的输出信号形式和控制对象的特点，后向通道结构如图所示。构如图所示。单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过IO口或口或数据总线送给控制对象。数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数模转换

4、变换成模拟量一些模拟量控制系统，则应通过数模转换变换成模拟量控制信号。控制信号。 67l 3、后向通道应解决的问题、后向通道应解决的问题(1)功率驱动。功率驱动。将单片机输出的信号进行功率放大，以满足将单片机输出的信号进行功率放大，以满足伺服驱动的功率要求。伺服驱动的功率要求。(2)干扰防治。干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道、电源主要防治伺服驱动系统通过信号通道、电源以及空间电磁场对计算机系统的干扰。通常采用以及空间电磁场对计算机系统的干扰。通常采用信号隔离、信号隔离、电源隔离和对大功率开关实现过零切换等方法进行干扰防电源隔离和对大功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。治。(3)数

5、模转换。数模转换。对于二进制输出的数字量采用对于二进制输出的数字量采用DA变换变换器；对于频率量输出则可以采用器；对于频率量输出则可以采用FV转换器变换成模拟转换器变换成模拟量量。8二、后向通道中的常用器件及电路二、后向通道中的常用器件及电路后向通道中常用的器件及电路主要有数模转换、功后向通道中常用的器件及电路主要有数模转换、功率驱动和干扰防治器件及电路。率驱动和干扰防治器件及电路。l（一）（一） 功率开关接口器件及电路功率开关接口器件及电路 在在CPU输出开关量后，需进行功率放大，才能驱动开关量外输出开关量后，需进行功率放大，才能驱动开关量外设。设。实际的应用系统中，大量使用的是开关量的驱动

6、、控制。实际的应用系统中，大量使用的是开关量的驱动、控制。常用的功率开关接口器件及电路有：功率开关驱动电路、功常用的功率开关接口器件及电路有：功率开关驱动电路、功率型光电耦合器、集成驱动芯片及固体继电器等。率型光电耦合器、集成驱动芯片及固体继电器等。 91、大功率、大功率IO口接口电路口接口电路 在在CPU应用系统中，开关量都是通过单片机的应用系统中，开关量都是通过单片机的IO口或扩展口或扩展IO口输出的。这些口输出的。这些IO口的驱口的驱动能力有限。例如标准的动能力有限。例如标准的TTL门电路在门电路在0电平时电平时吸收电流的能力约为吸收电流的能力约为16mA，常常不足以驱动，常常不足以驱动

7、一些功率开关一些功率开关(如继电器、电机、电磁开关等如继电器、电机、电磁开关等)，因此，需要一些大功率开关接口电路因此，需要一些大功率开关接口电路 功率晶体管驱动功率晶体管驱动 典型的开关功率管具有高速、中等功率特性，其驱动电流可典型的开关功率管具有高速、中等功率特性，其驱动电流可达达800mA，击穿电压为，击穿电压为40V。如在。如在500mA和和10V处，典型的处，典型的正向电流增益为正向电流增益为30，要开关，要开关500mA负载电流时，其负载电流时，其Ib至少需至少需供给供给17mA。10 在晶体管驱动电路中，开关晶体管的驱动电流在晶体管驱动电路中，开关晶体管的驱动电流IC必须足够大，

8、必须足够大，否则晶体管会增加其管压降来限制其负载电流，从而有可能否则晶体管会增加其管压降来限制其负载电流，从而有可能使晶体管超过允许功耗而损坏。使晶体管超过允许功耗而损坏。 11 2达林顿驱动电路达林顿驱动电路 对于典型的开关晶体管电路，输出电流是输入电流乘以晶体管的对于典型的开关晶体管电路，输出电流是输入电流乘以晶体管的增益。要保证有足够大的输出电流必须采取增大输入驱动电流，增益。要保证有足够大的输出电流必须采取增大输入驱动电流，多级放大和提高晶体管增益。多级放大和提高晶体管增益。12 2达林顿驱动电路达林顿驱动电路 采用达林顿驱动电路主要是采用多级放大和提高晶体管增益，避采用达林顿驱动电路

9、主要是采用多级放大和提高晶体管增益，避免加大输入驱动电流。这种结构形式具有高输入阻抗和极高的增免加大输入驱动电流。这种结构形式具有高输入阻抗和极高的增益。益。 单个达林顿晶体管：单个达林顿晶体管： 13 IC达林顿晶体管驱动器达林顿晶体管驱动器: ULN2608,ULN20031415ULN200316173闸流晶体管闸流晶体管(可控硅整流器可控硅整流器) 在开关工作应用中，可控硅整流器只工作在导通或截止在开关工作应用中，可控硅整流器只工作在导通或截止状态。状态。 由于由于SCR通常用来控制交流大电压开关负载，故不宜通常用来控制交流大电压开关负载，故不宜直接与数字逻辑电路相连。在实际使用时应采

10、取隔离措直接与数字逻辑电路相连。在实际使用时应采取隔离措施，如光电耦合隔离。施，如光电耦合隔离。 双向可控硅双向可控硅 1819 4机械继电器机械继电器 在数字逻辑电路中最常使用的机械继电器有簧式继电器。簧式继在数字逻辑电路中最常使用的机械继电器有簧式继电器。簧式继电器由两个磁性簧片组成，受磁场作用时，两个簧片相接触而导电器由两个磁性簧片组成，受磁场作用时，两个簧片相接触而导通。这种簧式继电器控制电流要求很小，而簧式触点可开关较大通。这种簧式继电器控制电流要求很小，而簧式触点可开关较大的电流。例如，控制线圈为的电流。例如，控制线圈为380时，可直接由时，可直接由5V输入电压驱动，输入电压驱动，

11、驱动电流为驱动电流为13mA，而簧片触点可通过，而簧片触点可通过500mA至几十至几十A。但与逻辑。但与逻辑电路相配用的簧式继电器一般小于电路相配用的簧式继电器一般小于1A。 簧式继电器的接口电路如图所示。触点两端的齐纳二极管用来防簧式继电器的接口电路如图所示。触点两端的齐纳二极管用来防止产生触点电弧。止产生触点电弧。20 机械继电器的开关响应时间较大，计算机应用系统中使机械继电器的开关响应时间较大，计算机应用系统中使用机械继电器时，控制程序中必须考虑开关响应时间的用机械继电器时，控制程序中必须考虑开关响应时间的影响。影响。21 5功率场效应管功率场效应管(MOSFET) 中功率、大功率场效应

12、管构成的功率开关驱动器件可高频工作，中功率、大功率场效应管构成的功率开关驱动器件可高频工作，输入电流小，并能随意地截止，兼有晶体管开关和输入电流小，并能随意地截止，兼有晶体管开关和SCR的全部优的全部优点。点。 由于场效应管由于场效应管(FET)是电荷控制器件，只在开关的过程中才需要电是电荷控制器件，只在开关的过程中才需要电流，而且只要求微安级的输入电流。控制的输出电流可以很大。流，而且只要求微安级的输入电流。控制的输出电流可以很大。例如例如VN84GA在低频时耗散功率为在低频时耗散功率为80W，而在，而在30MHz时可耗散时可耗散50W，控制电流可达，控制电流可达1 2.5A，图为，图为VM

13、OSFET电机控制电路，其中电机控制电路，其中 VN66AF为小功率为小功率VMOSFET。 226、固态继电器、固态继电器(SOLID STATE RELAYS -SSR)固态继电器是一种无触点通断功率型电子开关，又名固固态继电器是一种无触点通断功率型电子开关，又名固态开关。态开关。当施加触发信号后其主回路呈导通状态，无信号时呈阻当施加触发信号后其主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。它利用了分立器件和集成器件及微电子技术实现了断状态。它利用了分立器件和集成器件及微电子技术实现了控制回路控制回路(输入端输入端)与负载回路与负载回路(输出端输出端)之间的电隔离及信号耦之间的电隔离及信号耦合，没

14、有任何可动部件或触点。合，没有任何可动部件或触点。实现了具有相当于电磁继电器一样的功能。实现了具有相当于电磁继电器一样的功能。23 固态继电器的结构原理固态继电器的结构原理 固态继电器通常是一个四端组件，两个为输入端，两个为输固态继电器通常是一个四端组件，两个为输入端，两个为输出端。图为其结构框。它至少由三个部分组成，即输入电路、出端。图为其结构框。它至少由三个部分组成，即输入电路、隔离部分和输出电路。隔离部分和输出电路。2425单相单相直流直流电路板式固态继电器电路板式固态继电器 l 直流控制直流直流控制直流 控制回路与负载回路之间光电隔离。控制回路与负载回路之间光电隔离。 可控硅输出，零电

15、流关断。可控硅输出，零电流关断。 电压过零开启电压过零开启 内设阻容吸收回路内设阻容吸收回路 控制信号与控制信号与TTL逻辑兼容逻辑兼容 外形长方型，环氧树脂灌封外形长方型，环氧树脂灌封(模块模块) 阻燃工程塑料外壳。阻燃工程塑料外壳。 l 输入电压输入电压:332VDCl 输入电流输入电流:大于大于5mAl 输出电压输出电压:560VDC , 5110VDC l 输出最小导通电流输出最小导通电流:50mA l 输出电流输出电流:1A、2A、3A、4A、5Al 输出通态压降输出通态压降:小于小于1.5V 26单相单相交流交流电路板式固态继电器电路板式固态继电器 l 直流控制交流直流控制交流 l

16、 控制回路与负载回路之间光电隔离。控制回路与负载回路之间光电隔离。 可控硅输出，零电流关断。可控硅输出，零电流关断。 电压过零开启电压过零开启 内设阻容吸收回路内设阻容吸收回路 控制信号与控制信号与TTL逻辑兼容逻辑兼容 外形长方型，环氧树脂灌封外形长方型，环氧树脂灌封(模块模块) 阻燃工程塑料外壳。阻燃工程塑料外壳。 l 输入电压输入电压:332VDCl 输入电流输入电流:大于大于5mAl 输出电压输出电压:24240VAC , 40480VAC l 输出最小导通电流输出最小导通电流:50mAl 输出电流输出电流:1A、2A、3A、4A、5Al 输出通态压降输出通态压降:小于小于1.5V 2

17、7固态继电器有许多类型可供用户选择：固态继电器有许多类型可供用户选择： 按品种分有军品、民品、按品种分有军品、民品、IO模块；模块； 按输出功能分有直流型、过零型、非过零型；按输出功能分有直流型、过零型、非过零型； 按隔离方式分有光隔离和变压器隔离；按隔离方式分有光隔离和变压器隔离； 按封装结构形式分有塑封型和金属壳全密封型固态继电器，按封装结构形式分有塑封型和金属壳全密封型固态继电器，以及各种特殊用途的固态继电器。以及各种特殊用途的固态继电器。 固态继电器的优点固态继电器的优点 由于固态继电器是由固态元件组成的无触点开关器件。这种由于固态继电器是由固态元件组成的无触点开关器件。这种结构特点决

18、定了它结构特点决定了它比电磁继电器工作可靠，寿命长，对外界比电磁继电器工作可靠，寿命长，对外界干扰小，能与逻辑电路兼容，抗干扰能力强，开关速度快，干扰小，能与逻辑电路兼容，抗干扰能力强，开关速度快，使用方便。使用方便。28 固态继电器的应用特性固态继电器的应用特性 根据产品的功能不同，输出电路可接交流或直流。对交流负根据产品的功能不同，输出电路可接交流或直流。对交流负载的控制有过零不过零控制功能。其控制波形如图所示。载的控制有过零不过零控制功能。其控制波形如图所示。 由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网

19、，为此特设高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路过零控制电路”。 所谓所谓“过零过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的要等待交流电的正半周与负半周的交界点正半周与负半周的交界点(零电位零电位)时，时，SSR才为断态。这种设才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。 吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压电压)对开关器对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰件双向可控

20、硅管的冲击和干扰(甚至误动作甚至误动作)而设计的，一般是而设计的，一般是用用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器压敏电阻器)。 2930 由于固态继电器是一种电子开关，故有一定的通态压降和断由于固态继电器是一种电子开关，故有一定的通态压降和断态漏电流，其数值与产品型号规格有关。态漏电流，其数值与产品型号规格有关。 负载短路易造成负载短路易造成SSR的损坏，应特别注意避免。的损坏，应特别注意避免。 必须考虑瞬态过电压和断态必须考虑瞬态过电压和断态dVdt对对SSR的影响。部分的影响。部分SSR产品内部已含有瞬态抑制网络。必要时可在外部加以适当的产品内部已含有瞬态

21、抑制网络。必要时可在外部加以适当的瞬态抑制电路。瞬态抑制电路。 直流型的直流型的SSR与交流型的与交流型的SSR相比，无过零控制电路，相比，无过零控制电路，也不必设置吸收电路也不必设置吸收电路 .31 固态继电器的应用固态继电器的应用 固态继龟器不仅实现了小信号对大电流功率负载的开关控制，固态继龟器不仅实现了小信号对大电流功率负载的开关控制，而且还具有隔离功能。而且还具有隔离功能。3233l（二）光电隔离与接口驱动器件（二）光电隔离与接口驱动器件 光电耦合器件能可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能光电耦合器件能可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能状态，如信号隔离、隔离驱动、远距离传送等。状

22、态，如信号隔离、隔离驱动、远距离传送等。 一、信号隔离用光电耦合器件一、信号隔离用光电耦合器件 最普通的信号隔离用光电耦合器件如图最普通的信号隔离用光电耦合器件如图(a)所示。以发光二极所示。以发光二极管为输入端，光敏三极管为输出端。这种器件一般用在管为输入端，光敏三极管为输出端。这种器件一般用在100kHz以下的频率信号。如果基极有引出线则可满足温度补以下的频率信号。如果基极有引出线则可满足温度补偿、检测及调制要求。偿、检测及调制要求。 图图(b)是高速光电耦合器的结构形式，输出部分采用是高速光电耦合器的结构形式，输出部分采用PIN型光型光敏二极管和高速开关管组成复合结构，具有较高的响应速度

23、敏二极管和高速开关管组成复合结构，具有较高的响应速度.342、隔离驱动用光电耦合器件、隔离驱动用光电耦合器件 达林顿输出光电耦合器件。输出部分以光敏三极管达林顿输出光电耦合器件。输出部分以光敏三极管和放大三极管构成达林顿输出。具有达林顿输出的一切和放大三极管构成达林顿输出。具有达林顿输出的一切特性，可直接用于驱动较低频率的负载。特性，可直接用于驱动较低频率的负载。 可控硅输出光电耦合器件。输出部分为光控晶闸管，可控硅输出光电耦合器件。输出部分为光控晶闸管，光控晶闸管有单向、双向两种形式。这种光电耦合器件光控晶闸管有单向、双向两种形式。这种光电耦合器件常用在交流大功率的隔离驱动中。常用在交流大功

24、率的隔离驱动中。 353、远距离的隔离传送、远距离的隔离传送 目的：应用系统远离工业现场目的：应用系统远离工业现场 下图是利用光电耦合器件进行远距离隔离传送的电路。下图是利用光电耦合器件进行远距离隔离传送的电路。输入部分为双铰线的输入部分为双铰线的20mA电流环远距离传送。输出部电流环远距离传送。输出部分通过分通过TTL门进行电平调整。门进行电平调整。 36l （三）线性功率驱动接口器件及电路（三）线性功率驱动接口器件及电路 在应用系统的直流伺服控制中，经常要用到线性功率驱动。线性功率在应用系统的直流伺服控制中，经常要用到线性功率驱动。线性功率驱动接口将单片机通过数模转换后的模拟电压转换成伺服

25、控制系统驱动接口将单片机通过数模转换后的模拟电压转换成伺服控制系统所要求的功率输出。所要求的功率输出。 通常线性功率驱动接口器件主要使用集成功率运算放大器。在后向通通常线性功率驱动接口器件主要使用集成功率运算放大器。在后向通道的直流伺服系统中，采用集成功率运算放大器可大大简化电路，并道的直流伺服系统中，采用集成功率运算放大器可大大简化电路，并提高系统的可靠性。提高系统的可靠性。 美国美国B-B公司推出的大功率运算放大器有公司推出的大功率运算放大器有OPA501、OPA511512、OPA541，输出电流可达，输出电流可达1015A。 右图为右图为OPA501，其性能特点如下：，其性能特点如下：

26、 电源电压范围宽电源电压范围宽 104 0V； 输出电流大输出电流大 1 0A(峰值峰值)； 输出功率大输出功率大2 6 0W(峰值峰值)； 最大差动输入电压最大差动输入电压 Vcc-3V； 工作温度范围工作温度范围 -55+125。37l （四）（四）FV转换接口器件及电路转换接口器件及电路 计算机输出信号为频率计算机输出信号为频率F信号，在设备现场将信号，在设备现场将F转换为转换为V信信号。号。频率信号输出占用总线数量少，易于远距离传送，抗干扰频率信号输出占用总线数量少，易于远距离传送，抗干扰能力强。将频率信号转换成与频率量成正比的模拟电压，能力强。将频率信号转换成与频率量成正比的模拟电压

27、，可采用可采用FV转换器。转换器。通常没有专门用于通常没有专门用于FV的转换集成器件，而是使用的转换集成器件，而是使用VF转换器在特定的外接电路下构成转换器在特定的外接电路下构成FV转换电路。一般的集转换电路。一般的集成成VF转换器都具有转换器都具有FV转换功能。转换功能。 下图是由下图是由LM331 VF转换器构成的两种转换器构成的两种FV转换电路。转换电路。38输入频率脉冲输入频率脉冲fIN经过经过C-R网络接入比较器阈值端网络接入比较器阈值端6脚上，脉冲的下降沿引起输入比较器触发脚上，脉冲的下降沿引起输入比较器触发定时电路。与定时电路。与VF转换器相同，转换器相同，1脚流出的平均电流脚流

28、出的平均电流IAvE=i(11RtCt)fIN。将此电流经过。将此电流经过 R、C网网络滤波即可获得与络滤波即可获得与fIN信号频率成正比的直流电压。信号频率成正比的直流电压。图图(a) ，网络，网络RL=100k及及CL=1F对电流进行滤波，纹波峰值小于对电流进行滤波，纹波峰值小于10mV。对于。对于0.1s的时间的时间常数，常数，0.1精度下的建立时间为精度下的建立时间为0.7s。图图6(b)，由运算放大器提供缓冲输出，并实现双极点滤波器的作用，由运算放大器提供缓冲输出，并实现双极点滤波器的作用，对于所有高于对于所有高于1kHz的频率，纹波峰值小于的频率，纹波峰值小于5mV，响应时间比图，

29、响应时间比图(a)要快得多。然而对于低于要快得多。然而对于低于200Hz的输入频率，电的输入频率，电路输出的纹波将比图路输出的纹波将比图(a)更差。要对滤波时间常数进行调整，以满足响应和足够小的纹波需要。更差。要对滤波时间常数进行调整，以满足响应和足够小的纹波需要。 图图 (a)简单的简单的FV转换转换(1 0kHz0.06)(b)精密精密FV转换转换(1 0kHzO01)39三、后向通道中的三、后向通道中的D/A转换及接口转换及接口l （一）（一）DA转换接口设计的一般性问题转换接口设计的一般性问题l （二）（二）DA转换性能指标与集成芯片转换性能指标与集成芯片 40l （一）（一）DA转换

30、接口设计的一般性问题转换接口设计的一般性问题 1、DA转换芯片的选择原则转换芯片的选择原则 DA转换芯片的主要特性转换芯片的主要特性 主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时间。主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时间。 数字输入特性。数字输入特性。DA转换芯片一般都只能接收自然二进制数转换芯片一般都只能接收自然二进制数字代码。字代码。 模拟输出特性。有些模拟输出特性。有些DA转换器件均属电流输出器件。需加转换器件均属电流输出器件。需加运算放大器以转换为电压。运算放大器以转换为电压。 锁存特性及转换控制。如果锁存特性及转换控制。如果DA转换器没有输入锁存器，通转换器没有输入锁存器，通过过CP

31、U数据总线传送数字量时，必须外加锁存器，否则只能数据总线传送数字量时，必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的通过具有输出锁存功能的IO口给口给DA送入数字量。送入数字量。41 有些有些DA转换器并不是对锁存的输入的数字量立即进行转换器并不是对锁存的输入的数字量立即进行DA转换，而是只有在外部施加了转换控制信号后才开始转换和转换，而是只有在外部施加了转换控制信号后才开始转换和输出。具有这种输入锁存及转换控制功能的输出。具有这种输入锁存及转换控制功能的DA转换器转换器(如如08 32)，在，在CPU分时控制多路分时控制多路DA输出时，可以做到多路输出时，可以做到多路DA转换的同步输出。转换

32、的同步输出。 参考电压源。参考电压源。DA转换中，参考电压源是唯一影响输出结果转换中，参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量。是的模拟参量。是DA转换接口中的重要电路，对接口电路的转换接口中的重要电路，对接口电路的工作性能，电路的结构有很大影响。使用内部带有低漂移精工作性能，电路的结构有很大影响。使用内部带有低漂移精密参考电压源的密参考电压源的DA转换器转换器(如如AD563565A)不仅能保证有不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。较好的转换精度，而且可以简化接口电路。2、参考电压源的配置、参考电压源的配置 有些有些DA转换器不带有参考电压源。有时为了方便地改转换器不带有参考电压

33、源。有时为了方便地改变输出模拟电压范围、极性，须要配置相应的参考电压源。变输出模拟电压范围、极性，须要配置相应的参考电压源。故在故在DA接口设计中经常要进行参考电压源的配置设计。接口设计中经常要进行参考电压源的配置设计。 42带温度补偿的齐纳二极管带温度补偿的齐纳二极管 带温度补偿的齐纳二极管就是两个不同特性、相背串接的齐纳二带温度补偿的齐纳二极管就是两个不同特性、相背串接的齐纳二极管，以具有负温度系数正向导通的二极管补偿正温度系数反向极管，以具有负温度系数正向导通的二极管补偿正温度系数反向导通的稳压二极管，使温度系数近于零。这类稳压管的稳压值一导通的稳压二极管，使温度系数近于零。这类稳压管的

34、稳压值一般在般在5.56.5V间，温度系数为间，温度系数为5ppm，如国产的，如国产的2DW232(2DW7C)型温度补偿稳压二极管。型温度补偿稳压二极管。 带运算放大器的参考电压源具有驱动能力强，负载变化对输出参带运算放大器的参考电压源具有驱动能力强，负载变化对输出参考电压没有直接影响考电压没有直接影响 43 能隙恒压源能隙恒压源-精密参考电压源精密参考电压源。这种集成化的精密稳压电源的特。这种集成化的精密稳压电源的特点是输出电压低，一般为点是输出电压低，一般为1.25V或或2.5V，而输入电压为，而输入电压为515V，温，温度系数为士度系数为士20ppm。国外型号有。国外型号有MC1403

35、(美美Motorala)、LM1851.22.5(美美National Semiconductor)。与齐纳二极管相比，能隙恒压源工作在正常线性区域，内部噪声小，与齐纳二极管相比，能隙恒压源工作在正常线性区域，内部噪声小，而齐纳二极管工作在齐纳击穿区，内部噪声较大。而齐纳二极管工作在齐纳击穿区，内部噪声较大。443、数字输入码与模拟输出电压的变换特性、数字输入码与模拟输出电压的变换特性 所有的所有的DA转换器件的输出模拟电压转换器件的输出模拟电压Vo，都可以表达，都可以表达成为输入数字量成为输入数字量D(数字代码数字代码)和模拟参考电压和模拟参考电压VR的乘积：的乘积：Vo=DVR二进制代码二

36、进制代码D可以表示如下，可以表示如下，式中式中a1为最高有效位为最高有效位(MSB)，an为最低有效位为最低有效位(LSB)。 有些有些DA输出的模拟量均为电流量，这个电流量要通过输出的模拟量均为电流量，这个电流量要通过一个反相输入的运算放大器才能转换成模拟电压输出，一个反相输入的运算放大器才能转换成模拟电压输出，如图所示如图所示(图中以图中以7520为例为例)。 在这种情况下，模拟输出电压在这种情况下，模拟输出电压Vo与输入数字量与输入数字量D和参考和参考电压电压VR的关系为：的关系为： Vo=-DVR (0D1)4546 DA对应情况对应情况47（二）（二）DA转换性能指标与集成芯片转换性

37、能指标与集成芯片l1、DA转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 DA转换器的主要性能指标有静态指标、动态指标以及环境转换器的主要性能指标有静态指标、动态指标以及环境和工作条件指标。和工作条件指标。 （1）DA转换器的静态指标转换器的静态指标分辨率。分辨率。DA转换器的分辨率定义为：当输入数字发生单位数码变化时，转换器的分辨率定义为：当输入数字发生单位数码变化时，即即LSB位产生一次变化时，所对应输出模拟量位产生一次变化时，所对应输出模拟量(电压或电流电压或电流)的变化的变化量。对于线性量。对于线性DA转换器来说，其分辨率转换器来说，其分辨率与数字量输出的位数与数字量输出的位数n呈下列关系呈

38、下列关系 48在实际使用中，表示分辨率高低的更常用的方法是采用在实际使用中，表示分辨率高低的更常用的方法是采用输入数字量的位数或最大输入码的个数表示。输入数字量的位数或最大输入码的个数表示。例如，例如，8位二进制位二进制DA转换器，其分辨率为转换器，其分辨率为8位，位，=1256FS=0.39FS。BCD码输入的，用其最大输入码码输入的，用其最大输入码个数表示，例如个数表示，例如4字位字位9 9 9 9DA转换器，其分辨率转换器，其分辨率为为=19 9 9 9FS=0.01FS。显然，位数越多，分。显然，位数越多，分辨率就越高。辨率就越高。 49 标称满量程与实际满量程。标称满量程与实际满量程

39、。标称满量程标称满量程(NFS)是指相应于数字量标称值是指相应于数字量标称值2n的模拟输出的模拟输出量。但实际数字量最大为量。但实际数字量最大为2n-1，要比标称值小，要比标称值小1个个LSB，因此，实际满量程因此，实际满量程(AFS)要比标称满量程要比标称满量程(NFS)小小1个个LSB增量。即增量。即 例如，例如，1个个8位位DA转换器，参考电压为转换器，参考电压为-5V时，其标称满时，其标称满量程为量程为+5V，而实际满量程为，而实际满量程为(255/256)(+5V)=+4.98V。50精度精度。DA转换器的转换精度与转换器的转换精度与DA转换集成芯片的结构和转换集成芯片的结构和接口配

40、置的电路有关。一般说来，接口配置的电路有关。一般说来，不考虑其它不考虑其它DA转换转换误差时，误差时，DA的转换精度即为其分辨率的大小的转换精度即为其分辨率的大小，故要获，故要获得高精度的得高精度的DA转换结果，首先要保证选择有足够分辨转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的率的DA转换器。但是转换器。但是DA转换精度还与外电路的配转换精度还与外电路的配置有关，当外电路的器件或电源误差较大时，会造成较置有关，当外电路的器件或电源误差较大时，会造成较大的大的DA转换误差，当这些误差超过一定程度时，会使转换误差，当这些误差超过一定程度时，会使增加增加DA转换位数失去意义。转换位数失去意义。在在DA转

41、换中，影响转换精度的主要误差因素有失调误转换中，影响转换精度的主要误差因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差 。51失调误差失调误差(或称零点误差或称零点误差)失调误差定义为数字输入为全失调误差定义为数字输入为全0码时，其模拟输出值与理码时，其模拟输出值与理想输出值之偏差值。想输出值之偏差值。对于单极性对于单极性DA转换，模拟输出的理想值转换，模拟输出的理想值为零伏点，对于双极性为零伏点，对于双极性DA转换，此理想值为负域满量程。偏转换，此理想值为负域满量程。偏差值的大小一般用差值的大小一般用LSB的份数或用偏差值相对于满量程的百分的份数或

42、用偏差值相对于满量程的百分数表示。数表示。 一定温度下的失调误差可以通过外部调整措施进行补偿。一定温度下的失调误差可以通过外部调整措施进行补偿。有些有些DA集成芯片设置有调零端，外接电位器调零。有些转换集成芯片设置有调零端，外接电位器调零。有些转换器不设置专门的调零端，要求用户采取外接校正用偏置电路加器不设置专门的调零端，要求用户采取外接校正用偏置电路加到运算放大器求和端的办法来消除输出失调电压或电流。到运算放大器求和端的办法来消除输出失调电压或电流。 52增益误差增益误差(或称标度误差或称标度误差)DA转换器的输出与输入传递特性曲线的斜率称为转换器的输出与输入传递特性曲线的斜率称为DA转换转

43、换增益或标度系数，增益或标度系数，实际转换的增益与理想增益之间的偏差值称为增实际转换的增益与理想增益之间的偏差值称为增益误差。益误差。增益误差在消除失调误差后用满码增益误差在消除失调误差后用满码(全全1)输入时，其实际输出值输入时，其实际输出值与理想输出值与理想输出值(实际满量程实际满量程)之间的偏差表示，一般也用之间的偏差表示，一般也用LSB增益量增益量的份数或偏差值相对于满量程的百分数来度量。的份数或偏差值相对于满量程的百分数来度量。53一定温度下的增益误差也可以通过外部调整措施实现补偿。一定温度下的增益误差也可以通过外部调整措施实现补偿。如果校正前如果校正前DA的传递特性只存在有失调误差

44、和增益误差，的传递特性只存在有失调误差和增益误差，如上图所示，消除失调误差后，零点满足理想输出，再消除增益如上图所示，消除失调误差后，零点满足理想输出，再消除增益误差时，传递特性为理想状态。误差时，传递特性为理想状态。具体的调整方法是先对具体的调整方法是先对DA转换器输入全转换器输入全0码，通过电位码，通过电位器器W2加入偏置，将输出失调电压补偿掉；然后输入全加入偏置，将输出失调电压补偿掉；然后输入全1码，再通码，再通过调整电位器过调整电位器W1改变改变IR大小，使输出模拟电压达到理想值。大小，使输出模拟电压达到理想值。图图 (a)是一种典型的单极性是一种典型的单极性DA转换器的失调误差和增益

45、误差校正电路。转换器的失调误差和增益误差校正电路。54非线性误差非线性误差 DA转换的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想转换的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线特性曲线(通过两端的直线通过两端的直线)之间的最大偏差，并以该偏差相对之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。在转换器电路设计中，一般都要求于满量程的百分数度量。在转换器电路设计中，一般都要求非线性误差不大于非线性误差不大于12LSB。DA转换器的非线性误差一般不能采用简单的外部校正转换器的非线性误差一般不能采用简单的外部校正办法实现完全补偿。但是可以通过调整零点或增益使非线性办法实现完全补偿。但是可以通过调

46、整零点或增益使非线性偏差值均匀散布在理想特性曲线的两侧而使非线性误差大大偏差值均匀散布在理想特性曲线的两侧而使非线性误差大大减小。减小。 55 (2) DA转换器的动态指标转换器的动态指标 DA转换器的动态指标有模拟电压的建立时间等。转换器的动态指标有模拟电压的建立时间等。 建立时间建立时间(ts)。建立时间建立时间ts是描述是描述DA转换速率快慢的一个重要参数，一般所指的转换速率快慢的一个重要参数，一般所指的建立时间是指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范建立时间是指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内围内(稳定值稳定值，通常，通常=1/2LSB)所经历的时间。如图所示。

47、所经历的时间。如图所示。 56DA转换器中的电阻网络、模拟开关及驱动电路均非理想电转换器中的电阻网络、模拟开关及驱动电路均非理想电阻性器件，各种寄生参量及开关电路的延迟响应特性均会造阻性器件，各种寄生参量及开关电路的延迟响应特性均会造成有限的转换速率，从而使转换器产生过渡过程。实际建立成有限的转换速率，从而使转换器产生过渡过程。实际建立时间的长短不仅与转换器本身的转换速率有关，还与数字量时间的长短不仅与转换器本身的转换速率有关，还与数字量变化的大小有关。输入数字从全变化的大小有关。输入数字从全0变到全变到全1(或从全或从全1变到全变到全0)时，建立时间最长，称为满量程变化的建立时间。一般手册时

48、，建立时间最长，称为满量程变化的建立时间。一般手册上给出的都是满量程变化建立时间。上给出的都是满量程变化建立时间。根据建立时间根据建立时间ts的长短，的长短，DA转换器分成以下几档：转换器分成以下几档： 超高速超高速 100ns 较高速较高速 1 us 100ns 高高 速速 101 us 中中 速速 10010 us 低低 速速 100 us 57(3) 环境及工作条件影响指标环境及工作条件影响指标 一般情况下，影响一般情况下，影响DA转换精度的主要环境和工作条转换精度的主要环境和工作条件因素是温度和电源电压变化。件因素是温度和电源电压变化。 DA转换器的工作温度按产品等级分为转换器的工作温

49、度按产品等级分为军级、工业级军级、工业级和普通级，和普通级，标准军级品可工作于标准军级品可工作于-5 5+1 2 5，工业，工业级工作温度为级工作温度为-2 5+8 5，而普通级工作温度为，而普通级工作温度为070。多数器件其静、动态指标均为。多数器件其静、动态指标均为2 5的环境温度的环境温度下测得的，环境温度对各项精度指标的影响用其温度系下测得的，环境温度对各项精度指标的影响用其温度系数来描述，例如失调温度系数、增益温度系数、微分非数来描述，例如失调温度系数、增益温度系数、微分非线性误差的温度系数等。线性误差的温度系数等。 DA转换器受电源变化影响的指标为电源变化抑制比转换器受电源变化影响

50、的指标为电源变化抑制比(PSRR)，它用电源变化它用电源变化1V时所产生的输出误差相对满时所产生的输出误差相对满量程的比值来描述，以量程的比值来描述，以ppmV表示表示。 58l2、DA转换集成芯片转换集成芯片为了简化为了简化DA转换接口，提高接口的可靠性及稳定性，转换接口，提高接口的可靠性及稳定性，DA转换集成芯片不断地将一些转换集成芯片不断地将一些DA转换外围器件集成到芯转换外围器件集成到芯片内部。主要结构特征是：内部带有参考电压源；大多数芯片内部。主要结构特征是：内部带有参考电压源；大多数芯片有输出放大器，可实现模拟电压的单极性或双极性输出；片有输出放大器，可实现模拟电压的单极性或双极性

51、输出；由于带有参考电压源和输出放大器，芯片的工作电源大多使由于带有参考电压源和输出放大器，芯片的工作电源大多使用双极性电源。用双极性电源。 这类系列芯片主要有：这类系列芯片主要有： (1)AD558。AD558是能完全与微处理器兼容的廉价是能完全与微处理器兼容的廉价8位位DA转换转换芯片，芯片，片内带有精密的能隙基准电压，总线接口简单，无须外加片内带有精密的能隙基准电压，总线接口简单，无须外加器件及微调器件及微调即可与单片机即可与单片机8位数据总线相连。该芯片可以使用单一位数据总线相连。该芯片可以使用单一+5V电源工作，但在这种状态下只能输出电源工作，但在这种状态下只能输出0+25 6V模拟电

52、压，模拟电压，要获得双极性电压输出时，要外接偏置电路。要获得双极性电压输出时，要外接偏置电路。 (2)DAC82。DAC82是是B-B公司生产的公司生产的8位能完全与微处理器兼容位能完全与微处理器兼容的的DA转换芯片，转换芯片，片内带有基准电压和调节电阻。无须外接器件片内带有基准电压和调节电阻。无须外接器件及微调及微调即可与单片机即可与单片机8位数据总线相连。芯片工作电压为位数据总线相连。芯片工作电压为1 5V，可以直接输出单极性或双极性的电压可以直接输出单极性或双极性的电压(0+1 0v，1 0V)和电流和电流(01.6mA，.8mA)。 59(3)DAC811。DAC811是是B-B公司生

53、产的微机兼容公司生产的微机兼容1 2位位DA转换器，其转换器，其内部有精密的基准电压、微机接口逻辑、内部有精密的基准电压、微机接口逻辑、双缓冲锁存器和电压输出放大器双缓冲锁存器和电压输出放大器。输出模拟电压为。输出模拟电压为1 0V、5v、+10v。快速的电流开关和激光微调薄膜电阻网络。快速的电流开关和激光微调薄膜电阻网络提高了转换器的精度和速度。在整个工作温度范围内非线提高了转换器的精度和速度。在整个工作温度范围内非线性误差小于士性误差小于士12LSB。(4)DAC7 08709。DAC708709是是B-B公司生产的公司生产的1 6位位微机完全兼容的微机完全兼容的DA转换芯片，转换芯片，具

54、有双缓冲输入寄存具有双缓冲输入寄存器，片内有基准电源及电压输出放大器。器，片内有基准电源及电压输出放大器。数字量可并行或数字量可并行或串行输入，模拟量可电压或电流输出。串行输入，模拟量可电压或电流输出。 60四、四、D/A实例实例l （一）串行输入（一）串行输入D/A芯片芯片TLC5615接口技术接口技术l （二）并行输入芯片及接口技术（略，本科（二）并行输入芯片及接口技术（略，本科知识）知识）61（一）串行输入（一）串行输入D/A芯片芯片TLC5615接口技术接口技术l TLC5615是具有是具有3线串行接口的数线串行接口的数/模转换器。其输模转换器。其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，上电时把带有上电复位功能，上电时把DAC寄存器复位至全寄存器复位至全0。T