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第二章干扰技术本讲稿第一页，共五十四页21 过程通道的组成过程通道的组成 l过程通道：计算机与被控对象之间信号转换和过程通道：计算机与被控对象之间信号转换和传递的装置。通道类型有：传递的装置。通道类型有：l模拟量输入通道：采集设备的各种模拟信号，模拟量输入通道：采集设备的各种模拟信号，转换成数字量转换成数字量，送给计算机，送给计算机。被调量：压力、温度、流量、液位被调量：压力、温度、流量、液位 等测量值：电压或电流测量值：电压或电流模拟量转换成数字量的过程称为模数转换，记为模拟量转换成数字量的过程称为模数转换，记为AD转换转换 模拟量输入通道完成测量信号的采样、模拟量输入通道完成测量信号的采样、AD转换、转换、数据缓冲功能。数据缓冲功能。21 概述概述 本讲稿第二页，共五十四页l模拟量输出通道：将计算机控制运算出来模拟量输出通道：将计算机控制运算出来的量化数字信息的量化数字信息,转换成模拟信号，送给转换成模拟信号，送给设备。设备。l执行机构：调节阀、变频器执行机构：调节阀、变频器l数字量转换成模拟量的过程称为数模转换，记为数字量转换成模拟量的过程称为数模转换，记为DA转换。转换。l模出通道包括数据缓冲、模出通道包括数据缓冲、DA转换、输出保持和通转换、输出保持和通道控制等道控制等 本讲稿第三页，共五十四页l开关量输入通道：采集设备状态等开关量开关量输入通道：采集设备状态等开关量信号，送给计算机信号，送给计算机。开关量信号：开关状态、电平信号、脉冲量等数字信开关量信号：开关状态、电平信号、脉冲量等数字信号号 l开关量输出通道：输出开关量信号给设备，开关量输出通道：输出开关量信号给设备，如指示灯、继电器，控制设备的运行状态。如指示灯、继电器，控制设备的运行状态。本讲稿第四页，共五十四页图图2-1 过程通道的一般组成框图过程通道的一般组成框图 本讲稿第五页，共五十四页2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口(D/A转换器转换器)l在计算机两次输出操作期间，模拟量输出通道在计算机两次输出操作期间，模拟量输出通道必须保持上一次的输出。输出保持的方式有必须保持上一次的输出。输出保持的方式有数数字保持字保持和和模拟保持模拟保持两种，决定了模拟量输出通两种，决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。道的两种基本结构形式。本讲稿第六页，共五十四页1）一个通路设置一个）一个通路设置一个DA转换器的形式转换器的形式（数字保持）（数字保持）l l图图2-4 一个通路一个一个通路一个DA转换器转换器 l l特点：转换速度快、工作可靠，输出精度高特点：转换速度快、工作可靠，输出精度高，成本较高，成本较高，适合于多路同步转换的场合，适合于多路同步转换的场合 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口本讲稿第七页，共五十四页2）多个通路共用一个）多个通路共用一个DA转换器的形式转换器的形式（模拟保持）（模拟保持）l l图图2-5 共用共用DA转换器转换器l l特点：分时工作，影响通道速度，成本低，多特点：分时工作，影响通道速度，成本低，多用于速度要求不高的场合用于速度要求不高的场合 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口本讲稿第八页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口2.2.1 D/A转换器原理转换器原理一、工作原理一、工作原理 基准电压基准电压 图图2-6并行并行D/A原理图原理图逻辑逻辑电路电路电子电子开关开关电阻电阻网络网络数字数字量量VoutB本讲稿第九页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口 电阻网络：电阻网络：T型电阻解码网络、型电阻解码网络、倒倒T型电阻解码网络、权电型电阻解码网络、权电阻解码网络、阻解码网络、变形权电阻解码网络变形权电阻解码网络 电阻解码网络电阻解码网络D/A转换原理：转换原理：VOut B VR VOut是输出电压是输出电压 VR是参考电压，是参考电压，B是数字量是数字量:本讲稿第十页，共五十四页1)T型解码网络型解码网络+RRRR2R2R2R2R2R2RS7S6S5S4S0I7I7II6I6I5I5I4I0I1I0000001111Iout1Iout2VoutIfRf+-本讲稿第十一页，共五十四页 本讲稿第十二页，共五十四页 将经运算放大器就可以得到电压输出 若 则 输出电压正比与输入的数字量，实现了D/A转换 本讲稿第十三页，共五十四页2）倒倒T型解码网络型解码网络本讲稿第十四页，共五十四页3）权电阻解码网络）权电阻解码网络VrefMSBLSBS7S6S5S1S0R7R6R5R1R0I7I6I5I1I0IsI i+-RIffAVoutB本讲稿第十五页，共五十四页设：设：本讲稿第十六页，共五十四页本讲稿第十七页，共五十四页本讲稿第十八页，共五十四页本讲稿第十九页，共五十四页结论：本讲稿第二十页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口2.2.2 D/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标 常用的常用的D/A转换器有转换器有8位、位、10位、位、12位等。其结构大同小异，位等。其结构大同小异，通常都带有通常都带有2级缓冲器。主要技术指标有分辨率、建立时间、级缓冲器。主要技术指标有分辨率、建立时间、线性误差等。线性误差等。(1)分辨率分辨率 分辨率表示最小信号的增量。分辨率值分辨率表示最小信号的增量。分辨率值=E0/其中，其中，E0是参考电压，是参考电压，n是是D/A转换器的位数。转换器的位数。含义：含义：l即数字量为即数字量为1时，输出的模拟电压值。时，输出的模拟电压值。-1LSB(Least Significant Bit)l也是数字量变化也是数字量变化1时，所引起的输出模拟量的变化。时，所引起的输出模拟量的变化。l输出的模拟量的精细程度。输出的模拟量的精细程度。D/A转换器的分辨率常用位数来表示，转换器的分辨率常用位数来表示，如如8位、位、10位、位、12位、位、16位等。位等。本讲稿第二十一页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口 例：例：E0取取5V,则则8位位D/A转换器的分辨率转换器的分辨率=5/256=19.53 mv,则则12位位D/A转换器的分辨率转换器的分辨率=5/4096=1.22 mv 实际工程应用中，会对分辨率提出要求。比如，某实际工程应用中，会对分辨率提出要求。比如，某控制系统，要求输出信号变化控制系统，要求输出信号变化=1 mv，则必须选用，则必须选用14位及以上的位及以上的D/A。(2)建立时间建立时间(稳定时间）稳定时间）是指给定一个转换的数字量，至得到一个稳定的模是指给定一个转换的数字量，至得到一个稳定的模拟量输出值（终值误差带内拟量输出值（终值误差带内1/2LSB）所用的时间。它）所用的时间。它反映了反映了D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。一般为一般为s级。级。本讲稿第二十二页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口(3)精度精度 定义：定义：D/A转换器的实际输出与理论输出电压的偏差。包括：转换器的实际输出与理论输出电压的偏差。包括：线性度误差、零点失调、增益误差等线性度误差、零点失调、增益误差等。静态精度静态精度：输入为最大数字量时，理想与实际的偏差。：输入为最大数字量时，理想与实际的偏差。兰：理想曲线兰：理想曲线 增益误差增益误差 线性度误差线性度误差 零点失调零点失调黑：实际曲线黑：实际曲线 本讲稿第二十三页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口l线性度线性度 理想的理想的DA转换器的输入输出特性应是线性转换器的输入输出特性应是线性的。在满刻度范围内，实际特性与理想特性的的。在满刻度范围内，实际特性与理想特性的最大偏移称为非线性度，用最大偏移称为非线性度，用LSB的分数或相对的分数或相对于满刻度的百分比来表示，如土于满刻度的百分比来表示，如土12 LSB、土土14 LSB、土、土1%LSB等。等。本讲稿第二十四页，共五十四页l精度的表示精度的表示绝对转换精度绝对转换精度指在全量程范围内，指在全量程范围内，DA转换器的转换器的实际输出值与理论值之间的最大偏差。该偏差用最实际输出值与理论值之间的最大偏差。该偏差用最低有效位低有效位LSB的分数来表示，如的分数来表示，如12LSB或或1LSB。它是由。它是由DA的增益误差、参考电源误差、的增益误差、参考电源误差、电阻解码电路的误差等因素引起的。电阻解码电路的误差等因素引起的。相对转换精度相对转换精度是指在满刻度已校准的情况下，实际是指在满刻度已校准的情况下，实际输出值与理论值之差相对于满刻度输出的百分比输出值与理论值之差相对于满刻度输出的百分比本讲稿第二十五页，共五十四页(4)温度系数温度系数 指输入条件不变的情况下，温度每变化指输入条件不变的情况下，温度每变化1度，度，输出模拟量变化的百分数。输出模拟量变化的百分数。本讲稿第二十六页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口2.2.3 8位位D/A芯片芯片DAC0832及接口技术及接口技术一、一、DAC0832的技术指标的技术指标 DAC0832是美国国家半导体公司（是美国国家半导体公司（NSC）的产品的产品，是是8位位的的D/A转换器，可直接与单片机相连转换器，可直接与单片机相连。l分辨率分辨率 :8位位l转换速度转换速度:1 sl线性误差：线性误差：0.2%l温度系数：温度系数：0.0002满量程满量程/Cl可单缓冲、双缓冲或直接数字输入可单缓冲、双缓冲或直接数字输入l单一供电（单一供电（+5V-+15V）l低功耗（低功耗（20mW）系列产品系列产品：DAC0832,DAC0830,DAC0831,可以完全互换可以完全互换使用。使用。本讲稿第二十七页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口二二.DAC0832的结构及原理的结构及原理1.结构结构特点特点：双列直插：双列直插20引脚，引脚，CMOS工艺（低功耗）工艺（低功耗）主要组成部分主要组成部分：图图8-2l一个一个8位位输入寄存器输入寄存器；l一个一个8位位DAC寄存器寄存器；l R-2R T型电阻解码网络型电阻解码网络DA转换器转换器两级输入寄存器可以分别控制，因而形成了不同的工作方式两级输入寄存器可以分别控制，因而形成了不同的工作方式。使用灵活、方便使用灵活、方便。本讲稿第二十八页，共五十四页DAC0832引脚主要功能引脚主要功能 DI0DI7：数据输入线 控制信号：控制信号：ILE-输入锁存允许，高电平有效；输入锁存允许，高电平有效；-片选信号，低片选信号，低电平有效；电平有效；写选通；写选通；传送控制信号传送控制信号 ILE、和 同时有效时，输入寄存器的输 出端Q跟随输入端D的电平变化而变化；当 端为低电平“0”时，原D端输入数据被锁存于Q端，D端电平的变化不影响Q端 当 和 同时有效时，DAC寄存器 端为高电平“1”，此时将第一级位输入寄存器Q端的状态输入到第二级8位DAC寄存器中，以便进行D/A转换。本讲稿第三十页，共五十四页DAC0832引脚主要功能引脚主要功能 其他管脚功能其他管脚功能 ：DAC电流输出电流输出1 ：DAC电流输出电流输出2，单极性输出通常接地，单极性输出通常接地 Rfb 反馈电阻；反馈电阻；Vcc 基准电压，基准电压，+5V+15V常数本讲稿第三十一页，共五十四页 工作过程 CPUCPUCPUCPU执行输出指令，输出执行输出指令，输出执行输出指令，输出执行输出指令，输出8 8 8 8位数据给位数据给位数据给位数据给DAC0832DAC0832DAC0832DAC0832；在在在在CPUCPUCPUCPU执行输出指令的同时，使执行输出指令的同时，使执行输出指令的同时，使执行输出指令的同时，使ILEILEILEILE、三个控制信号端都有效，三个控制信号端都有效，三个控制信号端都有效，三个控制信号端都有效，8 8 8 8位数据输入位数据输入位数据输入位数据输入8 8 8 8位输入寄存位输入寄存位输入寄存位输入寄存器中；器中；器中；器中；当当当当 、两个控制信号端都有效时，两个控制信号端都有效时，两个控制信号端都有效时，两个控制信号端都有效时，8 8 8 8位数据再次被输入到位数据再次被输入到位数据再次被输入到位数据再次被输入到8 8 8 8位位位位DACDACDACDAC寄存器，这时寄存器，这时寄存器，这时寄存器，这时8 8 8 8位位位位D D D DA A A A转换器开始工作，转换器开始工作，转换器开始工作，转换器开始工作，8 8 8 8位数据转换为相对应的模拟电位数据转换为相对应的模拟电位数据转换为相对应的模拟电位数据转换为相对应的模拟电流，从流，从流，从流，从 和和和和 输出。输出。输出。输出。本讲稿第三十二页，共五十四页8位位D/A转换器接口方法转换器接口方法l单缓冲型接口：图8-4三种方法，把D/A转换器中的两个寄存器中任一个接成常通状态。其中，(a)DAC寄存器常通；(b)输入寄存器常通；(c)两个寄存器同时选通及锁存。本讲稿第三十三页，共五十四页l双缓冲型接口：双缓冲型接口：图图8-5l主要应用于多路主要应用于多路D/A转换同步系统中；转换同步系统中；l通过二次输出操作，第一次通过二次输出操作，第一次 有效时，完成有效时，完成D0D7数数据锁存到输入寄存器；第二次据锁存到输入寄存器；第二次 有效时，将输入寄有效时，将输入寄存器内容锁存到存器内容锁存到DAC寄存器，并进行寄存器，并进行D/A转换。转换。本讲稿第三十七页，共五十四页l直通型接口：图直通型接口：图8-6D0D7可接微机系统独立的并行输出端口，一可接微机系统独立的并行输出端口，一般不能接数据总线。很少使用。般不能接数据总线。很少使用。本讲稿第三十九页，共五十四页D/A转换器的输出方式转换器的输出方式1）单极性输出：图）单极性输出：图8-7 DAC0832单极性输出单极性输出l图中，图中，与与DAC0832 和和 连接，连接，DAC0832上的上的ILE信号连接信号连接VCC使其总是有效，使其总是有效，和和 由单片机的由单片机的地址选通，图中当地址选通，图中当P2.7为为0时，即选中时，即选中DAC0832，所以，此，所以，此时该时该DAC0832的地址可以为的地址可以为#7FFFH。一次转换指令如下。一次转换指令如下。MOV DPTR，#7FFFH；输入；输入0832口地址口地址 MOV A，#data；读取数据；读取数据 MOVX DPTR，A ；执行；执行DA转换转换本讲稿第四十一页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口单极性输出单极性输出 l输出电压的正负值视所加参考电压极性而定，输出电压的正负值视所加参考电压极性而定，l输出范围：输出范围：0+5V，0-5V，0+10V或或0-10V等等l单极性输出单极性输出D/A关系表：见单片机教材关系表：见单片机教材P257 本讲稿第四十三页，共五十四页2)双极性输出双极性输出:图8-8要求要求D/A转换器输出为双极性。转换器输出为双极性。只需在图只需在图8-7的基础上增加一个运算放大器。的基础上增加一个运算放大器。本讲稿第四十四页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口双极性输出原理双极性输出原理Vout=-I2*2R=-(I1+I3)*2R=-(Vref/2R)+(Vout1/R)*2R =-(Vref+2Vout1)=Vref(D/2n-1-1)设设Vref =+5V,则，则，当当D=0时，时，Vout =-5V;当当D=255时，时，Vout=+5V;即即Vout在在-Vref-+Vref之间变化。之间变化。本讲稿第四十五页，共五十四页双路双路D/A同步控制系统设计：同步控制系统设计：图图8-16U2和和U3的第一级缓冲器选通由的第一级缓冲器选通由8031的的P2.5，P2.6线选控线选控制，其地址分别为制，其地址分别为DFFFH(1101,FFFH)和和BFFFH(1011,FFFH)；第二级缓冲器共用一个选通信号；第二级缓冲器共用一个选通信号P2.7，其地址为，其地址为7FFFH。程序如下：程序如下：MOV DPTR,#0DFFFH;选通选通U2输入寄存器输入寄存器MOV A,#Data1;数字量送数字量送AMOVX DPTR,A;数字量锁入数字量锁入U2输入寄存器输入寄存器MOV DPTR,#0BFFFH;选通选通U3输入寄存器输入寄存器MOVA,#Data2;数字量送数字量送A本讲稿第四十六页，共五十四页MOVX DPTR,A；数字量锁入；数字量锁入U3输入寄存器输入寄存器MOV DPTR,#7FFFH；选通；选通U2、U3的的DAC寄存器寄存器MOVX DPTR,A;同步转换同步转换本讲稿第四十七页，共五十四页l结构如图结构如图8-9.为为双双输输入入缓缓冲冲12位位D/A转转换换器器第第一一级级缓缓冲冲器器由由高高8位位和和低低4位位输输入入寄存器构成；第二级为寄存器构成；第二级为12位位DAC寄存器寄存器l与与8位位DAC0832的的2点区别点区别分分辨辨率率为为12位位，有有12条条数数据据输输入入线线（DI0DI11），采采用用24脚双立直插式封装。脚双立直插式封装。可用字节控制信号可用字节控制信号B1/B2控制数据的输入控制数据的输入l该该信信号号为为高高电电平平时时，12位位数数据据（DI0DI11）同同时时存存入入第第一一级的两个输入寄存器；级的两个输入寄存器；l当当该该信信号号为为低低电电平平时时，只只将将低低4位位数数据据（DI0DI3）存存入入低低4位输入寄存器。位输入寄存器。2.2.4 12位位D/A芯片芯片DAC1210及接口技术及接口技术本讲稿第四十九页，共五十四页2.2.4 12位转换器芯片位转换器芯片DAC1210lDAC1210原理框图原理框图本讲稿第五十页，共五十四页8031与与DAC1210接口技术接口技术l电路电路图图8-12.l采用左对齐数据格式；采用左对齐数据格式；12位数据高位数据高8位送位送DAC1210的的D11D4，低，低4位送位送D3D0;l8位输入寄存器的地址为位输入寄存器的地址为7FFFH;4位输入寄存器与位输入寄存器与12位位DAC寄寄存器地址相同，为存器地址相同，为7FFEH,送低送低4位数据时，同时打开位数据时，同时打开12位位DAC寄存器，并送寄存器，并送D/A转换器转换器l先送高先送高8位，再送低位，再送低4位。顺序不能颠倒。位。顺序不能颠倒。l设高设高8位数据存放在位数据存放在DIGIT单元单元,低低4位在位在DIGIT+1单元的单元的低低4位。位。本讲稿第五十一页，共五十四页MOVDPTR，#7FFFH；8位输入寄存器地址位输入寄存器地址MOVR0，#DIGIT ；数字量高；数字量高8位地址位地址 MOVA，R0；高；高8位数字量送位数字量送AMOVXDPTR，A ；高；高8位数字量送位数字量送8位输入寄存器位输入寄存器MOV DPTR,#7FFEH ；4位输入寄存器地址位输入寄存器地址INCR0 ；数字量低；数字量低4位地址位地址MOVA，R0；低；低4位数字量送位数字量送ASWAP A ；A中高低中高低4位互换位互换ANL A,#0F0H ；用；用“与与”运算取运算取A高高4位位MOVXDPTR，A ；数字量低；数字量低4位送位送1210,完成完成本讲稿第五十三页，共五十四页 2.2 模拟量输出通道及接口模拟量输出通道及接口2.2.5 DA转换模板的标准化设计转换模板的标准化设计 l1DA转换模板的设计原则转换模板的设计原则l安全可靠。尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术；安全可靠。尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术；l性能与经济的统一。一个好的设计不仅体现在性能上性能与经济的统一。一个好的设计不仅体现在性能上应达到预定的指标，还必须考虑设计的经济性，在选择应达到预定的指标，还必须考虑设计的经济性，在选择集成电路芯片时，应综合考虑速度、精度、工作环境和集成电路芯片时，应综合考虑速度、精度、工作环境和经济性等因素。经济性等因素。l通用性。为了便于使用，通用性。为了便于使用，DA转换模板应具有通用性。从转换模板应具有通用性。从通用性出发，在设计通用性出发，在设计DA转换器模板时应考虑以下三个方面：转换器模板时应考虑以下三个方面：符合总线标准、用户可以任意选择口地址和输入方式。符合总线标准、用户可以任意选择口地址和输入方式。本讲稿第五十四页，共五十四页