第4章 过程输入输出通道接口技术(3)

4.6模拟量输出通道4.6.1模拟量输出通道的组成4.6.2D/A转换器的工作原理4.6.3D/A转换器的技术指标4.6模拟量输出通道——知识点模拟量输出通道有哪两种结构形式？T型电阻网络D/A转换原理D/A转换器的技术指标4.6.1模拟量输出通道的组成（1）任务：把微型计算机输出的数字量转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的前提数字量的位数（计算机，DAC，精度）模拟量的性质和范围（电压，电流）AO结构转换原理技术指标4.6.1模拟量输出通道的组成（2）组成：一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等组成。要求：可靠性高，满足一定的精度要求具有保持功能AO结构转换原理技术指标4.6.1模拟量输出通道的组成（3）多路模拟量输出通道的结构形式：主要取决于输出保持器的构成方式。输出保持器的作用：在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变两种基本结构形式：一个通路设置一个D/A转换器多个通路共用一个D/A转换器AO结构转换原理技术指标1.一个通道设置一片D/A转换器——数字保持方案1、一路输出通道使用一个D/A转换器2、D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器3、D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用4、结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立5、缺点是所需D/A转换器芯片较多AO结构转换原理技术指标4.6.1模拟量输出通道的组成（3）多路模拟量输出通道的结构形式：主要取决于输出保持器的构成方式。输出保持器的作用：在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变两种基本结构形式：一个通路设置一个D/A转换器多个通路共用一个D/A转换器AO结构转换原理技术指标2.多个通道共用一片D/A转换器（模拟保持方式）1、多路输出通道共用一个D/A转换器2、每一路通道都配有一个采样保持放大器3、D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用4、采样保持器实现模拟信号保持功能5、节省D/A转换器，但电路复杂，精度差，可靠性低AO结构转换原理技术指标4.6.2D/A转换器的工作原理基准电压电阻网络运算放大器电流∑Ii模拟电压电子开关数字接口数字量输入D/A转换器的基本部件AO结构转换原理技术指标4.6.2D/A转换器的工作原理D/A转换器有并行和串行两种，在工业控制中，主要使用并行D/A转换器。D/A转换器的原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络T型电阻网络。AO结构转换原理技术指标权电阻D/A转换器I0D02n-1RI1D12n-2RI2D22n-3RIn-1Dn-12RRfVrefV0_A+图4-40权电阻D/A转换原理AO结构转换原理技术指标T型电阻D/A转换器+A-数字量输入TUOV基准电压关开换切位RR2R2R2R2R2RFERVbfR1SB2SB3SB0SB1DR--2R电阻网络图3-2D/A转换器原理框图R2D3D0D运算放大器3I1I0I2I10101010IOUTIRfbAO结构转换原理技术指标假设D3、D2、D1、D0全为1，则BS3、BS2、BS1、BS0全部与“1”端相连。根据电流定律，有：RVII4REF232222RVII4REF121222RVRVI4REF3REF3222由于开关BS3~BS0的状态是受要转换的二进制数D3、D2、D1、D0控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通式：00112233OUTIDIDIDIDIRVDDDDI4REF00112233OUT2)2222(AO结构转换原理技术指标考虑到放大器反相端为虚地，故：OUTRfbII选取Rfb=R，可以得到它的输出电压VOUT与输入二进制数B(Dn-1~D0)的关系式：4REF00112233RFOUT2)2222(VDDDDRIVf结论：由上述推导可见，输出电压除了与输入的二进制数有关，还与运算放大器的反馈电阻Rfb以及基准电压VREF有关。AO结构转换原理技术指标4.6.3D/A转换器的技术指标1.分辨率由于数字量D是不连续的，当数字增加时，模拟量为阶梯波电压，如图所示。阶梯波每一级增量对应于输入数字的最低数位1。把阶梯波每一级增量与最大模拟量的比值称为分辨率。分辨率=1/2n例，4位DAC，其分辨率为1/24=6.25%通常，在工程中，直接以DAC能转换的二进制位数表示分辨率。如8、10、12、14、16位DACAO结构转换原理技术指标4.6.3D/A转换器的技术指标2．转换精度绝对转换精度:满刻度数字量输入时，模拟量输出接近理论值的程度。相对转换精度:一般用绝对转换精度相对于满量程输出的百分数来表示，有时也用数字量的最低有效值（LSB）的几分之一来表示。3．非线性误差D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量4．转换速率/建立时间转换速率实际是由建立时间来反映的建立时间是指数字量为满刻度值（各位全为1）时，DAC的模拟输出电压达到某个规定值（比如，90％满量程或±1/2LSB满量程）时所需要的时间AO结构转换原理技术指标4.78位D/A转换器及其接口技术——知识点DAC0832的引脚及功能DAC0832的工作方式DAC0832的输出电路设计4.78位D/A转换器及其接口技术4.7.1DAC0832介绍8位D/A转换器DAC0832：—电流输出型主要特点：—可与各种微处理器直接接口—输入为8位二进制码，所有引脚(20个)与TTL兼容—具有双缓冲、单缓冲和直通数据输入3种工作方式—电流稳定时间1µS，满量程误差为±1LSB—＋5V～＋15V单一电源，低功耗20mW—参考电压为－10V～＋10VDAC0832工作方式输出电路1.DAC0832的结构及原理(MSB)7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0ID(LSB)ILECS1RW2RWXFER当LE=1时,输出数据随输入变化。LE2FERV1TUOI2TUOIRfbAGNDDGNDCCVDQDQDQDQ8位输入寄存器8位DAC寄存器8位DAC转换器图3-3DAC0832原理框图及引脚当LE=0时,输出数据被锁存。LE1DAC0832工作方式输出电路T型电阻D/A转换器+A-数字量输入TUOV基准电压关开换切位RR2R2R2R2R2RFERVbfR1SB2SB3SB0SB1DR--2R电阻网络图3-2D/A转换器原理框图R2D3D0D运算放大器3I1I0I2I10101010IOUTIRfbAO结构转换原理技术指标1.DAC0832的结构及原理(MSB)7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0ID(LSB)ILECS1RW2RWXFER当LE=1时,输出数据随输入变化。LE2FERV1TUOI2TUOIRfbAGNDDGNDCCVDQDQDQDQ8位输入寄存器8位DAC寄存器8位DAC转换器图3-3DAC0832原理框图及引脚当LE=0时,输出数据被锁存。LE1DAC0832工作方式输出电路2.DAC0832引脚功能数字量输入线D7~D0（8条）输出线（3条）Iout1,Iout2,RfIout1+Iout2=常数单极性输出时Iout2接地电源线（4条）VREF：参考电压输入，外接一个精密电源。VCC：数字电路供电电压，+5V~+15VAGND：模拟地DGND：数字地DAC0832工作方式输出电路控制线（5条）/CS：片选信号ILE：输入锁存允许/WR1：写1/WR2：写2/XFER：传送控制信号2121WRXFERLEWRCSILELE数据输入寄存器ILE=1（常态）/CS=0（常态）/WR1（控制）LE10110DAC寄存器/XFER=0（常态）/WR2（控制）LE20110DAC0832工作方式输出电路DAC0832的输出方式——引言多数D/A转换芯片输出的是弱电流信号，要驱动后面的自动化装置，需在电流输出端外接运算放大器。根据不同控制系统自动化装置需求的不同，输出方式可以分为电压输出、电流输出以及自动/手动切换输出等多种方式。DAC0832输出电路工作方式DAC0832的电压输出方式——单极性输出方式因为DAC0832是电流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，Rf为DAC0832的反馈电阻端。图3-7D/A转换单极性输出方式DAC0832Rfb1TUOI2TUOIAVFERVTUOFERVPC总线*2REFoutfboutfbnVVRIRDRDAC0832输出电路工作方式DAC0832的电压输出方式——双极性输出方式图3-8D/A转换双极性输出方式2RVR2RA2A1I2I3IFERVT2UOV1TUOA12380CADbfR1TUOI2TUOIFERVPC总线DAC0832输出电路工作方式0321III256REF1OUTVBVRVI2REF1RVI22OUT2RVIOUT13DAC0832的电压输出方式——双极性输出方式图3-8D/A转换双极性输出方式2RVR2RA2A1I2I3IFERVT2UOV1TUOA12380CADbfR1TUOI2TUOIFERVPC总线VVout+VREF-VREF00HFFH80HBDAC0832输出电路工作方式REFnoutREFoutVBVVV122112A1和A2为运算放大器，A点为虚地，故可得：解上述方程可得双极性输出表达式：0321III256REF1OUTVBVRVI2REF1RVI22OUT2RVIOUT13图中运放A2的作用是将运放A1的单向输出变为双向输出。当输入数字量小于80H即128时，输出模拟电压为负；当输入数字量大于80H即128时，输出模拟电压为正。其它n位D/A转换器的输出电路与DAC0832相同，计算表达式中只要把28-1改为2n-1即可。18REF18OUT22)2(VBV12B1-8REFOUT2VV或DAC0832输出电路工作方式DAC0832的电流输出方式因为电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，特别是在过程控制系统中，自动化仪表只接收电流信号，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电流信号，完成电流输出方式的电路称为V/I变换电路。电流输出方式一般有两种形式：1．普通运放V/I变换电路2．集成转换器V/I变换电路DAC0832输出电路工作方式DAC0832的工作方式——直通方式◆直通方式：—指DAC0832内部的两个寄存器都处于不锁存状态，数据一旦到达输入端就直接被送到D/A转换器转换成模拟量—所有控制信号都接成有效形式，，，和接地，接+5V电源LEI1WR2WRCSXFERDAC0832输出电路工作方式DAC0832的工作方式——单缓冲方式单缓冲方式：指DAC0832的两个寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式；或者两级寄存器同时锁存-+OAVout........P0P2.7WR8051D7～D0DAC0832+5VVCCILEVREFRfIout1Iout2AGNDDGNDCSXFERWR1WR2选通地址为7FFFH实现转换的程序：MOVDPTR，#7FFFH；输入0832口地址MOVA，#data；读取数据MOVX@DPTR，A；执行D/A转换DAC0832输出电路工作方式DAC0832的工作方式——双缓冲方式双缓冲方式：把DAC0832的两个寄存器都接成受控锁存方式输入寄存器：FEH，DAC寄存器：FFH实现转换的程序：MOVR0，#0FEH；输入寄存器地址MOVX@R0，A；转换数据送输入寄存器INCR0；产生DAC寄