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1、,2.4 模拟量输出通道,本节要点1.模拟量输出通道的一般结构 2.8位D/A转换器DAC0832的原理及其接口电路 3.D/A转换器的输出方式及其输出电路,引 言,在计算机控制系统中，把输入各种通道的信号传送给计算机，通过计算机运算和处理后，将结果输出给执行机构，以控制被控对象产生相应的操作。但由于计算机输出的是数字量，而执行机构往往要求模拟量输入，这就需要有相应的环节把数字量转换成适合于执行机构的模拟量，实现这一功能的环节就是模拟量输出通道。模拟量输出通道的任务-把计算机处理后的数字量信号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。,一、模拟量输出通道的一般结构,模
2、拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成-一般是由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC)和放大/变换电路等组成;电路结构各通道自备D/A 转换器形式（图2.4-1(a)）和各通道共用D/A转换器形式。（图中2.4-1(b)）,特点：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,特点：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
3、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，可靠低、占用主机时间,二、D/A转换器及其与CPU的接口,1D/A转换器的性能指标 D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数，也是选用D/A芯片型号的依据。主要性能指标有：（1）分辨率（2）转换精度（3）偏移量误差（4）稳定时间,（1）分辨率,分辨率-是指 D/A 转换器能分辨的最小输出模拟增量，即当输入数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量，它取决于能转换的二进制位数，数字量位数越多，分辨率也就越高。其分辨率与二进制位数n呈下列关系：分辨率=满刻度值/（2n-1）=VREF/2n,（2）转换精度,转
4、换精度-是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度。它和分辨率是两个不同的概念。例如，满量程时的理论输出值为10V，实际输出值是在9.99V10.01V之间，其转换精度为10mV。对于分辨率很高的D/A转换器并不一定具有很高的精度。,（3）偏移量误差,偏移量误差-是指输入数字量时，输出模拟量对于零的偏移值。此误差可通过D/A转换器的外接VREF和电位器加以调整。,（4）稳定时间,稳定时间-是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差1/2LSB时所需的时间。显然，稳定时间越大，转换速度越低。对于输出是电流的D/A转换器来说，稳定时间是很快的，约几微秒，而输出是电
5、压的D/A转换器，其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间。,2 8位DAC0832芯片,DAC0832性能一个8位D/A转换器电流输出方式稳定时间为1s采用20脚双立直插式封装同系列芯片还有 DAC0830、DAC0831,（2）DAC0832工作原理,DAC0832的原理框图及引脚如图2-3所示。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。8 位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输
6、入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。,DI0DI7：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，和ILE共同对WR1能否起作用进行控制，输入线，低电平有效。WR1：写信号1，将数据输入并锁存在输入寄存器中输入线，低电平有效。WR2：写信号2，将锁存于输入寄存器的数字传递到DAC寄存器，XFER必须同时有效。,（3）DAC0832管脚功能,ILE：输入允许锁存信号，输入线，高电平有效 当ILE、CS和WR1同时有效时，8位输入寄存器端为高电平“1”，此时寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化；反之，当端为低电平“0”时，原D 端输入数据被锁存于Q
7、端，在此期间D端电平的变化不影响Q端。XFER(Transfer Control Signal):传送控制信号，输入线，低电平有效。VREF：基准电压源端，输入线，10 VDC 10 VDC。VCC：工作电压源端，输入线，5 VDC 15 VDC。,IOUT1：DAC电流输出端1，DAC寄存器全为1时，输出电流最大，为0时输出电流为0。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，IOUT2=常数-IOUT1，所以和IOUT1构成互补输入关系，一般作为运算放大器另一个差动输入信号。Rfb：反馈电阻，固化在芯片内的反馈电阻连接端，作为外部运算放大器的分路反馈电阻，为DAC提
8、供电压输出，用于连接运算放大器的输出端。,(2)DAC0832输出方式,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。,电压输出方式,由于系统要求不同，电压输出方式又可分为单极性输出和双极性输出两种形式。下面以8位的DAC0832芯片为例作一说明。,1DAC单极性输出,式中：,VREF/256是常数,显然，VOUT和 B 成正比关系，输入数字量 B 为 00H 时，VOUT也为 0；输入数字量 B 为FFH即255时，VOUT 为与 VREF
9、极性相反的最大值。,DAC单极性输出方式如图 2.2-7 所示，由式可得输出电压VOUT的单极性输出表达式为：,2DAC双极性输出方式,DAC双极性输出方式如图 2.2-8 所示。,A1 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：,(2.2-3),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 80 H即128时，输出模拟电压为负；当输入数字量大于 80 H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。,或,电流输出方式,因为电流信号易于远距离
10、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普通运放V/I变换电路,（1）0 10 mA的输出,图2.2-9为010 V/010 mA的变换电路，由运放A和三极管T1、T2组成，R1 和 R2是输入电阻，Rf 是反馈电阻，RL是负载的等效电阻。输入电压Vin 经输入电阻进入运算放大器A，放大后进入三极管T1、T2。由于T2射极接有反馈电阻R f，得到反馈电压Vf
11、加至输入端，形成运放A的差动输入信号。该变换电路由于具有较强的电流反馈，所以有较好的恒流性能。,输入电压 Vin 和输出电流 Io 之间关系如下：若 R3、R4Rf、RL，可以认为 Io 全部流经 Rf，由此可得:V VinR4/（R1R4）IoRLR1/（R1R4）V Io（RfRL）R2/（R2R3）对于运放，有V V，则 VinR4/（R1R4）IoRLR1/（R1R4）=Io（RfRL）R2/（R2R3）若取R1=R2，R3=R4，则由上式整理可得 Io=VinR3/（R1Rf）（3-6）可以看出，输出电流 Io 和输人电压 Vin 呈线性对应的单值函数关系。R3/（R1Rf）为一常教
12、，与其他参数无关。若取Vin 010 V，R1=R2=100 k，R3=R4=20 k，Rf 200，则输出电流Io=0 10 mA。,（2）4 20 mA的输出,图为1 5 V/4 20 mA的变换电路，两个运放A1、A2均接成射极输出形式。,在稳定工作时 Vin V1;所以 I1=V1/R1=Vin/R1 又因为 I1 I2 所以 Vin/R1=I2=（VS-V2）/R2 即 V2=VS-VinR2/R1在稳定状态下，V2 V3，If Io，故 Io If=（VS-V3）/Rf=（VS-V2）/Rf 将上式代入得 Io=（VS-VS+VinR2/R1）/Rf=VinR2/（R1Rf）（3-
13、7）其中 R1、R2、Rf 均为精密电阻，所以输出电流 Io 线性比例于输入电压Vin，且与负载无关，接近于恒流。若R1=5 k，R2=2 k，R3=100，当 Vin=15 V 时输出电流Io=420 mA。,2集成转换器V/I变换电路,图2.2-11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1032V，ZF2B20的输入电阻为10K，动态响应时间小于25S，非线性小于土 0.025。,图2.2-11 集成V/I转换器ZF2B20的引脚图,通过ZF2B20可以产生一个与输入电压成比例的输出电流，其输入电压范围是010V，输出电流是420mA。它的特点是低漂移，在
14、工作温度为-2585范围内，最大温漂为0.005/。利用 ZF2B20实现V/I转换的电路非常简单，图2.2-12（a）所示电路是一种带初值校准的010V到420mA的转换电路；图2.2-12（b）则是一种带满度校准的010V到010mA的转换电路。,自动/手动输出方式,如图2-13所示，是在普通运放V/I变换电路的基础上，增加了自、手动切换开关K1、K2、K3和手动增减电路与输出跟踪电路。,图 2.2-13 带自动/手动切换的V/I变换电路,1自动/手动状态下的V/I变换（1）当开关处于自动（A）状态时，运放A2与A1接通，形成一个电压比较型跟随器。当Vf Vi时，电路能自动地使输出电流增大
15、或减小，最终使Vf=Vi，于是有 IL=Vi/（R9+W）（2-6）从上式可以看出，只要电阻R9、W稳定性好，A1、A2具有较好的增益，该电路就有较高的线性精度。当R9+W500或250时，输出电流IL就以 010mA或420mA的直流电流信号线性地对应Vi的05V或15V的直流电压信号。（2）当开关处于手动（H）状态时，此时运放A2与A1断开，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也以同样的速率下降。负载RL（一般为电动调节阀）上的电流IL的升降速率取决于R6、R7、C和电源电压E的大小
16、，而手动操作按钮的时间长短决定输出电流IL的大小。,2自动/手动双向无扰动切换（1）自动到手动的切换：当开关K1、K2、K3都从自动（A）切换为手动（H）时，“增”、“减”两按钮处于断开状态，运放A2为一高输入阻抗保持器，则A2的输出V2几乎保持不变，从而维持输出电流IL恒定。（2）手动到自动的切换：在每个控制周期，计算机首先由数字量输入通道（DI）读入开关K2的状态，以判断输出电路是处于手动状态或是自动状态。若是自动状态，则程序执行本回路预先规定的控制运算，输出Vi并通过V/I变换输出电流IL；若为手动状态，则首先由A/D通道读入Vf并转换为数字信号，然后原封不动地将此数字信号送出，由D/A
17、转换为电压信号送至输出电路的输入端Vi，这样就使Vi始终与Vf相等。,DAC0832接口电路,DAC0832与单片机MCS-51有两种基本的接口方法：（1）单缓冲器接法（2）双缓冲器同步接法,0832单缓冲器方式,（1）单缓冲器方式接口,若系统中有一路D/A转换或多路转换但不要求同步时，可采用单缓冲器方式接口，如图所示，将ILE接+5V,CS、XFER都与地址线相连，WR1，WR2都由8031WR的控制。当选通0832后，只要输出WR控制信号，0832就能进一步完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。,（2）双缓冲器方式接口,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
18、同步方式接法，使数字量的输入锁存和D/A转换输出分两步完成，即CPU经数据总线分时向各路D/A转换器输入要转换的数字量，并锁存在各路D/A转换器 的输入寄存器中，然后CPU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同时输入DAC寄存器，实现多路同步转换输出,D/A转换模板,2.2.4.1 D/A转换模板的通用性 2.2.4.2 D/A转换模板的设计举例,三、D/A转换模板 1 D/A转换模板的通用性,为了便于系统设计者的使用，D/A转换模板应具有通用性，它主要体现在三个方面：1符合总线标准 2接口地址可选 3输出方式可选,（1）符合总线标准,这里的总线是指计算机内部
19、的总线结构,D/A 转换模板及其它所有电路模板都应符合统一的总线标准，以便设计者在组合计算机控制系统硬件时,只需往总线插槽上插上选用的功能模板而无需连线，十分方便灵活。例如，STD总线标准规定模板尺寸为165114mm，模板总线引脚共有56根，并详细规定了每只引脚的功能。,（2）接口地址可选,一套控制系统往往需配置多块功能模板，或者同一种功能模板可能被组合在不同的系统中。因此，每块模板应具有接口地址的可选性。一般接口地址可由基址(或称板址)和片址(或称口址)组成。,（3）输出方式可选,为了适应不同控制系统对执行器的不同需求，D/A转换模板往往把各种电压输出和电流输出方式组合在一起，然后通过短接
20、柱来选定某一种输出方式。一个实际的D/A转换模板，供用户选择的输出范围常常是：05V、010V、5V、010mA、420mA等。,2 D/A转换模板的设计举例,1、D/A 转换模板的设计原则 2、D/A 转换模板的设计步骤 3、8路8位D/A转换模板实例,1、D/A 转换模板的设计原则,D/A 转换模板设计主要考虑以下几点：(1)安全可靠：尽量选用性能好的元器件，并采用光电隔离技术。(2)性能/价格比高：既要在性能上达到预定的技术指标，又要在技术路线、芯片元件上降低成本。(3)通用性：D/A转换模板应符合总线标准，其接口地 址及输出方式应具备可选性。,2、D/A 转换模板的设步骤,D/A转换模
21、板的设计步骤是：确定性能指标设计电路原理图设计和制造印制线路板最后焊接和调试电路板,3、8路8位D/A转换模板实例,上图给出了8路8位D/A转换模板的结构组成框图，它是按照总线接口逻辑、I/O功能逻辑和I/O电气接口等三部分布局电子元器件的。图中，总线接口逻辑部分主要由数据缓冲与地址译码电路组成，完成8路通道的分别选通与数据传送；I/O功能逻辑部分由8片DAC0832组成，完成数模转换；而I/O电气接口部分由运放与V/I变换电路组成，实现电压或电流信号的输出。,设8路D/A转换的8个输出数据存放在内存数据段BUF0BUF7单元中，主过程已装填DS，8 片DAC0832的通道口地址为38H3FH
22、，分别存放在从CH0开始的8个连续单元中，该D/A转换模板的接口子程序：DOUT PROC NEAR MOV CX，8 MOV BX，OFFSET BUF0 NEXT：MOV AL，BX OUT CH0，AL INC CH0 INC BX LOOP NEXT RET DOUT ENDP,本节小结,本节介绍了模拟量输出通道的结构组成，讨论了其核心部件D/A转换器的工作原理、功能特性，重点分析了8位D/A转换器DAC0832的原理组成及其与PC总线的接口电路，以及适用于现场各种驱动装置的电压、电流与自动/手动控制输出电路，并说明输入输出模板的通用性及D/A转换模板的结构框图。,思考题,1、画图说明
23、模拟量输出通道的功能、各组成部分及其作用。2、D/A转换器的性能指标有哪些？3、结合图2.2-3，分析说明DAC0832的内部结构组成及其作用。4、结合图2.2-5分析说明由DAC0832组成的单缓冲接口电路的工作过程，编写完成一次D/A转换的接口程序。5、结合图2.2-6分析说明由DAC1210组成的接口电路的工作过程，编写完成一次D/A转换的接口程序。,思考题,6、简单说明D/A转换输出电路有几种输出方式。7、结合图2.2-13分析说明自动/手动双向无扰动切换过程。8、结合图2.2-3，分析说明DAC0832的内部结构组成及其作用。9、结合图2.2-14分析说明基址与片址的译码过程。10、结合图2.2-15分析说明D/A转换模板的结构组成及各部分逻辑功能。,
