第2章 2.4 DA转换器及接口技术,2.5 模拟量输出通道

2.4D/A转换器及接口技术D/A转换器的技术指标：－分辨率：D/A转换器输入二进制数的位数。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB与满量程输出的1/2n相对应。－建立时间：输入数字信号的变化是满量程时，输出信号达到离终值±1/2LSB的所需时间。－线性误差：在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大误差。理想转换特性(量化特性)应该是线性的，但实际转换特征并非如此。在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差常用LSB的分数表示，如(1/2)LSB或±1LSB。D/A转换器：把数字量转换成模拟量的元件或装置。常见D/A转换器类型：－电流输出型，通常要转为电压，速度因外接放大器有滞后。－电压输出形，速度快，仅用于高阻抗负载。数字量输入模拟量输出理想特性实际满刻度线性误差2.4.1D/A转换器通用、廉价的D/A转换器：AD1408（8位）、AD7524（8位）、AD558（8位）。高速、高精度D/A：AD562（10位）、AD7541（12位）。高速D/A：AD561（10位，建立时间为250ns(达到±1/2LSB)、DAC-08（8位）。高分辨率D/A：DAC1136（16位）、DAC1137（16位）等。为了应用的灵活性，有：可选择输出电压双极性的：AD7524、AD7542（12位）。芯片内带有数字寄存器可与CPU数字总线直接相连的AD558、AD7524。常见的D/A1、8位D/A转换器DAC0832外部结构特征采用20引脚、双列直插式集成电路芯片。主要参数：分辨率8位，电流稳定时间1μs，电流输出，与TTL电平兼容；功耗20mW。组成：主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、采用R—2R电阻网络的8位D/A转换器、相应的选通控制逻辑四部分组成。－内部具有两个锁存器：输入锁存器和DAC锁存器，分别由LE1，LE2控制。高电平：寄存器直通低电平：寄存器锁存－引脚说明：DI0-DI7：数字输入IOUT1,IOUT2：电流输出，IOUT1+IOUT2=C•DI0~DI7：数据输入线，其中DI0为最低有效位LSB，DI7为最高有效位MSB。•/CS：片选信号，输入线，低电平有效。•/WR1：写信号1，输入线，低电平有效。•1LE：输入允许锁存信号，输入线，高电平有效•当1LE、和/CS、/WR1同时有效时，8位输入寄存器LE1端为高电平1，此时寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化；反之，当端LE1为低电平0时，原D端输入数据被锁存于Q端，在此期间D端电平的变化不影响Q端。DAC0832管脚功能/XFER(TransferControlSignal):传送控制信号，输入线，低电平有效。IOUT1：DAC电流输出端1，一般作为运算放大器差动输入信号之一。IOUT2：DAC电流输出端2，一般作为运算放大器另一个差动输入信号。Rfb：固化在芯片内的反馈电阻连接端，用于连接运算放大器的输出端。VREF：基准电压源端，输入线，10VDC~10VDC。VCC：工作电压源端，输入线，5VDC~15VDC。当/WR2和/XFER同时有效时，8位DAC寄存器LE2端为高电平“1”，此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化；反之，当LE2端为低电平“0”时，第一级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。IOUT1,IOUT2：电流输出，IOUT1+IOUT2=C2、单缓冲方式：一般情况下为了简化接口电路，使第二级8位DAC寄存器的输入端到输出端直通，只有第一级8位输入寄存器置成可选通、可锁存的单缓冲输入方式。当/XFER，/WR2接地，ILE接高电平，/WR1接I/O控制，/CS接译码。此时只有输入寄存器有效。工作方式：1、直通工作方式：若不锁存，直接转换，/WR1、/WR2、/CS和/XFER为0，ILE接高电平。3、双缓冲方式：特殊情况下可采用双缓冲输入方式，即把两个寄存器都分别接成受控方式。常用于多D/A转换器同时输出的场合。2、12位D/A转换器DAC1210－12位电流输出型D/A转换器－内部具有两个锁存器：输入锁存器和DAC锁存器，分别由/LE控制。－BYTE1/BYTE2输入控制端:为“1”时，12位数据同时存入第一级的两个输入寄存器，当为“0”时，只将低四位数据存入4位输入寄存器。高电平：DI0-DI11同时锁存到输入寄存器低电平：DI0-DI3锁存到4位输入寄存器－DAC寄存器的锁存控制端/LE高电平：Q＝D，输入寄存器与DAC寄存器直通低电平：DAC寄存器锁存－/WR1,/WR2,/CS,/XFER,Rfb,VREF与DAC0832相同2.4.2D/A转换器接口技术1、DAC0832与PC总线接口－DAC0832工作方式为单缓冲寄存器。－用反相放大器把输出电流转换为负极性电压－工作过程：1.端口地址+/IOW有效-/CS有效-LE1高电平-输入寄存器直通-输入数据进行D/A转换。2./IOW变高-/CS变高-LE1低电平-输入寄存器锁存-D/A转换输出保持。－程序，端口地址300H。MOVDX,300HMOVAL,7FH;计算电压大小OUTDX,ALHLT－电流输出端IOUT1,IOUT2的电位应接近0，以保证运放输出的线性。2、DAC1210与PC总线接口－译码器对端口300H，301H，302H分别产生/Y0，/Y1，/Y2用于DAC的控制。/CS接地8位输入寄存器：PC总线D0-D74位输入寄存器：PC总线D4-D7(总线复合)－输出端用反相放大器把差动电流转换为电压，经倒相后变为正极性电压输出。工作过程：1.锁存高8位数据：/Y0有效-BYTE1/BYTE2高电平-当/IOW有效-D0-D7锁入8位输入寄存器，D4-D7锁入4位输入寄存器。2.锁存低4位数据：/Y1有效-BYTE1/BYTE2低电平-当/IOW有效-D4-D7锁入4位输入寄存器。3.输入寄存器数据送到DAC寄存器：/Y2有效-/XFER低电平-当/IOW有效-输入寄存器数据传送到DAC寄存器，并开始D/A转换。4.DAC寄存器锁存，D/A输出保持：/Y2,/IOW变高电平-DAC寄存器锁存数据，保持D/A转换输出。－程序MOVDX,300H;/Y0有效MOVAL,83H；高8位数据OUTDX,ALMOVDX,301H;/Y1有效MOVAL,0F0H；低4位数据OUTDX,ALMOVDX,302H；/Y2有效OUTDX,AL；进行D/A转换HLT此时数据量为83FH=2111,上述程序顺序不能改变。2.5模拟量输出通道•模拟量输出通道的任务是把计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，从而达到控制的目的。•一般由接口电路、D/A转换器、V/I变换等组成。2.5.1模拟量输出通道的结构型式1、一个通道设置一个数模转换器的型式优点：转换速度快、工作可靠，即使某一路D/A转换器有故障，也不会影响其它通路的工作。缺点：使用了较多的D/A转换器2.多个通路共用一个数模转换器的型式优点：节省了数/模转换器缺点：只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。它还要用多路开关，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比较大。这种方案的可靠性较差。应用场合：适用于通道数量多而且速度要求不高的场合。2.5.2单极性与双极性电压输出电路图3-8DAC单极性输出方式DAC0832Rfb1TUOI2TUOIAVFERVTUOFERVDI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0D7D6D5D4D3D2D1D0256REFOUTVDV1．DAC单极性输出001166772222DDDDD显然，VOUT和D成正比关系，输入数字量D为00H时，VOUT也为0；输入数字量D为FFH即255时，VOUT为与VREF极性相反的最大值。2．DAC双极性输出图3-9DAC双极性输出方式DAC0832RfbI1TUO2TUOI2RVR2RA2A1I2I3IFERVFERVTUODI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1DI0D7D6D5D4D3D2D1D0V1TUOA1RVI22OUT2RVIOUT13解上述方程可得双极性输出表达式：0321III256REF1OUTVDVRVI2REF112D1-8REFOUT2VVA1和A2为运算放大器，A点为虚地，故可得：对于N位开关量输出2.5.3V/I变换和自动/手动切换•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1．集成V/I转换器ZF2B20图2-11是集成V/I转换器ZF2B20的引脚图，采用单正电源供电，电源电压范围为10～32V，ZF2B20的输入电阻为10KΩ，动态响应时间小于25μS，非线性小于土0.025％。•ZF2B20是通过V/I变换的方式产生一个与输入电压成比例的输出电流。它的输入电压范围是0～10V，输出电流是4～20mA(加接地负载)，采用单正电源供电，电源电压范围为10～32V，它的特点是低漂移，在工作温度为-25～85℃范围内，最大漂移为0．005%/℃，可用于控制和遥测系统，作为子系统之间的信息传送和连接。•ZF2B20的输入电阻为10KΩ，动态响应时间小于25μS，非线性小于±0．025%。(a)是一种带初值校准的0～10V到4～20mA转换电路。(b)是一种带满度校准的0～10V到0～10mA转换电路。•2．集成V/I转换器AD694AD694是一种4～20mA转换器，适当接线也可使其输出范围为0～20mA。AD694的主要特点是：·输出范围：4～20mA,0～20mA。·输入范围：0～2V或0～10V。·电源范围：+4.5～36V。·可与电流输出型D/A转换器直接配合使用，实现程控电流输出。·具有开路或超限报警功能。3．自动/手动切换12•目的：在计算机出现故障时，可以手动操作•电路的两个功能：①实现V/I变换②能够实现A/H切换•①实现V/I变换•当开关K1处于自动位置A时，它形成一个电压比较型跟随器，是自动控制输出方式。当Vf≠Vi时，电路能自动地使输出电流增大或减小。最终使Vf=Vi，于是有•IL=Vi／(R9+W)•从上式可以看出，只要电阻R9+W稳定性好，A1和A2具有较好的增益，该电路就有较高的线性精度。当R9+W=500Ω或250Ω时，IL就以0～10mA或4～20mA的直流电流信号线性地对应Vi的0～5V或1～5V的直流电压信号。•②能够实现A/H切换•当开关K1、K2和K3都处于H位置时，即为手动操作方式，此时运算放大器A1和A2脱开，A2成为一个保持型反相积分器。当按下“增”按钮时，V2以一定的速率上升，从而使IL也以同样的速率上升；•当按下“减”按钮时，V2以一定的速率下降，IL也就以同样的速率下降。•自动→手动：输出电流IL的升降速率取决于R6、R7、C和电源电压±E的大小。当两按钮都断开时，由于A2为一高输入阻抗保持器，V2几乎保持不变，维持输出电流恒定。当开关K1、K2、K3都从自动(A)切换为手动(H)时，A2为一保持器。输出电流IL保持不变，实现了自动到手动方向的无扰动切换。•手动→自动：当开关K1、K2、K3处于手动方式(H)，要做到无扰动还必须使图中的输出电路具有输出跟踪功能，即在手动状态下，来自微机D/A电路的自动输入信号Vi总等于反映手动输出的信号Vf(Vf与IL总是一一对应的)。要达到这个目的，必须有相应的微机配合，我们把这样的程序称为跟踪程序。•跟踪程序的工作过程是这样的：在每个控制周期中，计算机首先由数字量输入通道(D