智能仪器的信号输出通道

4.1模拟量输出通道的结构和特点模拟量输出通道的作用是将经智能仪器处理后的数据转换成模拟量输出。模拟量输出通道一般由D/A转换器（DAC）、多路模拟开关、采样/保持器等组成。DAC是模拟量输出通道的关键部件，本节主要讨论DAC的性能及其与微机的接口。4.1.1模拟量输出通道的结构①各通道有独立DAC的结构。如图3-39所示，这种结构中各路采用独立的DAC，各路输出信号的保持由各自的数字锁存器实现。各路输出可以单独刷新，工作速度快。②各通道共享DAC的结构。如图3-40所示，这种结构中各路共享一个DAC，分时输出到采样保持器中。这种结构的特点是仅用一个DAC，但是由于每个通道要有足够的采样时间，因此工作速度慢。由于多路模拟开关和S/H电路要引入一定的误差，因此输出精度较低。图4-1(a)各通道有独立DAC的结构图4-1（b)各通道共享DAC的结构4.1.2模拟量输出通道的特点（1）小信号输出，大功率控制。（2）是一个输出通道。（3）接近控制对象，环境恶劣。4.2.1DAC的主要性能指标(1)分辨率分辨率指DAC输入数字量最低位产生一个数码变化时输出模拟量的变化量与输出满刻度值的百分比。n位DAC的分辨率为1/2n×100%，分辨率的大小与DAC位数有关，因此，常用位数表示分辨率。分辨率表示了DAC理论上可以达到的精度。4.2D/A转换器(2)标称满量程和实际满量程标称满量程（NFS）是指相应于数字量标称值的模拟输出量。但实际数字量最大为2n－1，要比标称值小一个LSB，因此，实际满量程（AFS）要比标称满量程（NFS）小一个LSB增量。即AFS=NFS－1LSB增量=NFS例如，一个8位D/A转换器，参考电压为-5V时，其标称满量程为+5V，而实际满量程为。255(5V)4.98V256nn212(3)建立时间建立时间指从输入数字量变化时开始到输出模拟量达到稳定值所需的时间，一般用输入数字量从全0变为全1时，输出模拟量达到允许误差范围(±1/2LSB)以内的终值所需时间来表示。在不含运放的集成DAC中，建立时间最短可达0.1μs，在含有运放的集成DAC中，建立时间最短可达1.5μs以内。在外加运放组成完整的DAC时，完成一次转换的时间应包括建立时间与运放的上升时间（或下降时间），若运放输出电压的变化率为SR，则完成一次转换的最大时间为Tmax=tS+Vo(max)/SR（3-25）式中，Vo(max)为输出电压的最大值；ts为建立时间。(4)转换误差转换误差指DAC实际转换特性与理论转换特性的最大偏差。就是对于所有数字量，实际转换的模拟量与理论转换的模拟量之差的最大值。转换误差常用最低有效位的倍数表示，例如，转换误差为1LSB，表明输出电压的实际值与理论值之差小于、等于输入为单位数字量（0…01）时的输出电压。DAC的转换误差也可以用输出电压满刻度（FSR）的百分比表示，例如，转换误差为0.2%FSR，说明实际输出电压与理论值的最大差值是满刻度的0.2%。造成DAC转换误差的原因有参考电压的波动、运放的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻值的偏差等因素。不同因素引起的转换误差各有特点，根据误差特点的不同将其分为：增益误差、失调误差、非线性误差等。常用DAC的性能指标4.2.2DAC0832及其与微机的接口DAC0832是与单片机完全兼容的具有8位分辨率的D/A转换集成芯片。以其价廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。1.DAC0832的结构与应用特性各管脚的功能如下DI0～DI7：8位数据输入端。ILE：数据允许锁存信号。：输入寄存器选择信号。：输入寄存器写选通信号，输入寄存器的锁存信号，由ILE、、逻辑组合产生，为LE1高电平时，输入寄存器状态随输入数据线变化，LE1的负跳变将输入数据锁存。：数据传送信号。1WRCS1WRXFERCSWR2：DAC寄存器的写选通信号，DAC寄存器的锁存信号LE2由CS和WR1逻辑组合而成，为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，为负跳变时，输入寄存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。VREF：基准电源输入端。RFB：反馈信号输入端。IOUT1：电流输出端1，其值随DAC内容线性变化。IOUT2：电流输出端2，IOUT1＋IOUT2＝常数。VCC：电源输入端。AGND：模拟地。DGND：数字地。0832的应用特性（1）0832是单片机兼容D/A转换器，可以充分利用单片机的控制能力实现对D/A转换的控制，故这种芯片有许多控制引脚可以和单片机的控制线相连，接受单片机的控制（2）有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。（3）0832内部无参考电压，需外接参考电压电路。（4）0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外接转换电路。图示为两级运算放大器组成的模拟电压输出电路。从a点输出为单极性模拟电压，从b点输出为双极性模拟电压。如果参考电压为5V，则a点输出电压为0V～-5V，b点输出为电压。2.0832及其接口（1）单缓冲器方式接口3.0832及其接口（1）单缓冲器方式接口MOVDPTR，＃7FFFH；指向0832MOVA，＃data；数字量先装入累加器MOVX＠DPTRA；数字量从P0口送至P2.7所指向的地址，有效时，完成一次D/A输入与转换。3.0832及其接口（2）缓冲器同步方式接口对于多路D/A转换接口，要求同步进行D/A转换输出时，必须采用双缓冲器同步方式。0832采用这种接法时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步完成的，即单片机的数据总线分时地向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中，然后单片机对所有的D/A转换器发出控制信号，使各个D/A转换器输入寄存器中的数据打入DAC寄存器，实现同步转换输出。3.0832及其接口（2）缓冲器同步方式接口执行下面8条指令就能完成两路D/A的同步转换。MOVXDPTR，＃ODFFFH；指向0832(1)MOVA，＃datal；＃datal送入0832(1)中锁存MOVX@DPTR，AMOVDPTR，＃OBFFFH；指向0832(2)MOVA，＃data2；＃data2送入0832(2)中锁存MOVX＠DPTR，AMOVDPTR，＃7FFFH；给0832(1),0832(2)提供信号MOVX＠DPTR，A；同时完成D/A转换输出3.D/A转换器的典型应用（1）单路锯齿波电压输出双极性D/A转换器输出可获得反向锯齿波、正向锯齿波和双向锯齿波信号输出，如图所示。0823（1）的地址为DFFFH，0823（2）的地址为BFFFH，输出的双极性电压为。锯齿波输出波形（1）单路锯齿波电压输出其相应的程序清单如下（使用0832（1））:反相锯齿波程序清单：MOVDPTR，＃ODFFFHDA1MOVR6，＃80HDA2：MOVA，R6MOVX＠DPTR，ADJNZR6，DA2AJMPDA1（1）单路锯齿波电压输出正向锯齿波程序清单：DA1：MOVDPTR，＃ODFFFHMOVR6，＃80HDA2：MOVA，R6MOVX＠DPTR，AINCR6CJNER6，＃OFFH，DA2AJMPDA1（1）单路锯齿波电压输出双向锯齿波程序清单：MOVDPTR，＃ODFFFHMOVR6，＃00HDA1：MOVA，R6MOVX＠DPTR，AINCR6AJMPDA1（2）单路三角波电压输出MOVDPTR，＃ODFFFHDA1：MOVR6，＃80HDA2：MOVA，R6MOVX＠DPTR，AINCR6CJNER6，＃OFFH，DA2DA3:DECR6MOVA，R6MOVX＠DRTR，ACJNER6，＃80H，DA3AJMPDA1（3）单路正弦波电压输出正弦波电压输出为双极性电压。最简单的办法是将一个周期内电压变化的幅值（-5V～+5V）按8位D/A分辨率分为256个数值列表格，然后依次将这些数字量送入0832进行D/A转换输出。只要连续循环地送数，在双极性电压端就能获得连续的正弦波输出。（3）单路正弦波电压输出0832（1）正弦波电压输出程序清单如下：MOVR5，＃00HSIN：MOVA，R5，MOVDPTR，＃TABHMOVCA，@A+DPTRMOVDPTR,＃ODFFFHMOVX＠DPTR，AINCR5AJMPSIN（3）单路正弦波电压输出0832（1）正弦波电压输出程序清单如下：MOVR5，＃00HSIN：MOVA，R5，MOVDPTR，＃TABHMOVCA，@A+DPTRMOVDPTR,＃ODFFFHMOVX＠DPTR，AINCR5AJMPSIN4.2.3DAC1208及其接口1.DAC0832的结构与应用特性DAC1208系列是12位双缓冲D/A转换器，它们可以与各种单片机直接接口。DAC1208系列包括DAC1208、DAC1209、DAC1210等各种型号的产品，它们的功能方框图如图所示。从图中可以看到DAC1208系列是一种带有双输入缓冲器的D/A转换器，第一级缓冲器由高8位输入寄存器和低4位输入寄存器构成；第二级缓冲器即12位DAC缓冲器，也即12位DAC寄存器，此外还有一个12位D/A转换器。1.DAC0832的结构与应用特性DAC1208共有24个管脚，采用双列直插式结构，其管脚功能分述如下：（1）输入输出线数据总线DI0～DI11用来传送被转换的数字，高8位DI4～DI11对应高8位输入寄存器，低4位DI0～DI3对应低4位输入寄存器。电流输出线IOUT1和IOUT2。IOUT1＋IOUT2=常量。DAC寄存器中所有数字均为“1”时，IOUT1最大；为全“0”时，IOUT1为零。（2）电源及地线VCC：数字电源电压输入，范围+5V～+15V。AGND：模拟地。DGND：数字地。VREF：基准电压输入，选择范围-10V～+10V。4象限乘法工作中，也可以是模拟输入。（3）控制线RFB：反馈电阻，为外部运算放大器提供一个反馈电压。RFB可由内部提供，也可由外部提供。CS：片选信号。WR1：写信号1，第一级缓冲器的写信号。BY1/BY2：字节顺序控制信号。此控制端为高电平，高8位输入寄存器及低4位输入寄存器均被允许；此控制端为低电平时，仅低4位输入寄存器被允许。WR2：写信号2，第二级缓冲器即12位DAC寄存器写信号。XFER：传送控制信号。2.DAC1208与MCS-51单片机的接口方法选用2KB×8EPROM（2716）作为存放程序的存储器。采用2KB×SRAM（6116）作为存放数据的存储器。用74LS373作为两个存储器的低8位地址译码锁存器。将89C51的P2.4口与2716和6116芯片的片选信号输入端连接，当P2.4=0时，同时选中2716芯片和6116芯片，占有地址空间为0000H～07FFH。DAC1208的输入部分采用二级缓冲型工作方式，即把P0.0～P0.7与D4～D11连接；P0.4～P0.7与D1～D3连接；P2.5与CS连接；P2.6与BY1/BY2及XFER连接；89C51的WR与WR1和WR2相连就可以实现这种工作方式的接口电路。其输出部分接口电路采用单极性输出接口电路。2.DAC1208与MCS-51单片机的接口方法选用2KB×8EPROM（2716）作为存放程序的存储器。采用2KB×SRAM（6116）作为存放数据的存储器。用74LS373作为两个存储器的低8位地址译码锁存器。将89C51的P2.4口与2716和6116芯片的片选信号输入端连接，当P2.4=0时，同时选中2716芯片和6116芯片，占有地址空间为0000H～07FFH。DAC1208的输入部分采用二级缓冲型工作方式，即把P0.0～P0.7与D4～D11连接；P0.4～P0.7与D1～D3连接；P