《微型计算机原理与接口技术》课件第12章

第12章 模拟量的输入/输出接口
4) 建立时间 建立时间是衡量D/A转换速率快慢的一个重要参数，也 是D/A转换器中的输入代码有满度值的变化时，其输出模拟 信号电压(或模拟信号电流)达到满刻度值±(1/2)LSB(或与满 刻度值差百分之多少)时所需要的时间。不同型号的D/A转 换器，其建立时间也不同，一般从几个毫微秒到几个微秒。 若输出形式是电流的，其D/A转换器的建立时间是很短的； 若输出形式是电压的，其D/A转换器的主要建立时间是输出 运算放大器所需要的响应时间。
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12.1 模拟量的输入/输出通道
模拟量的输入/输出通道是微型计算机与控制对象之间 的重要接口，也是实现工业过程控制的重要组成部分。
在微型计算机的自动监测和控制领域，需要模拟量的输 入/输出通道来完成。模拟量的输入/输出通道结构如图12.1 所示。
第12章 模拟量的输入/输出接口 图12.1 模拟量的输入/输出通道结构图
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(3) 信号处理(Signal Processing)。信号处理环节主要包 括信号的放大、整形、滤波，去除现场干扰信号等。
(4) 多路转换开关(Multiplexer)。在数据采集系统中，当 需要对多个模拟量进行模/数变换时，由于模/数转换器(A/D 转换器)的价格较贵，通常不是每个模拟量输入通道设置一 个A/D，而是多路输入模拟量共用一个A/D，中间经过多路 转换开关(即模拟量多路转换开关(MPX)切换，用以降低成 本。
(6) A/D变换器(A/D Converter)。A/D交换器的作用是将 输入的模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号，方便计 算机的进一步分析和处理，这是模拟转换通道的重要环节。
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2. 模拟量的输出通道 计算机输出的信号是数字信号，而执行控制单元要求提 供模拟的输入电流或电压信号，这就需要将计算机输出的数 字量转化为模拟量，这个过程需要模拟量的输出通道(如图 12.1所示)完成。 输出通道的核心部件是D/A(Digital to Analog)转换器。 由于将数字量转换为模拟量同样需要一定的转换时间，也就 要求在整个转换过程中待转换的数字量要保持不变，而计算 机的运行速度很快，其输出的数据在数据总线上稳定的时间 很短。因此，在计算机与D/A转换器之间必须加一级锁存器 以保持数字量的稳定。D/A转换器的输出端一般还要加上低
12.2.1 D/A转换技术 D/A转换器的作用就是把数字量转换成模拟量。数字量
是用代码按数位组合起来表示的，为了将数字量转换成模拟 量，必须将每一位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟 量。然后再将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的 总模拟量，从而实现数/模转换。这就是D/A转换器的基本指 导思想。
2．DAC0832的结构和引脚功能 图12.3给出了DAC0832芯片的引脚图。
第12章 模拟量的输入/输出接口 图12.3 DAC0832引脚图
第12章 模拟量的输入/输出接口 DAC0832的逻辑结构如图12.4所示，由8位输入锁存器、 8位DAC寄存器和8位D/A转换电路组成。
图12.4 DAC0832逻辑结构图
(1) 输出 uO 的关系式。 (2) 当 uO =-10 V 时，该电路输入的数字量 d0d1d2d3 为多 少？
解
(1)
uo
VREFRf
1 2 R
d0
1 4 R
d1
1 8R
d2
1 16
R
d3
10
20 10
1 2
d
0
1 4
d1
1 8
d
2
1 16
d3
20 16 (8d0 4 d1 2d2 d3) V
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1．D/A转换器原理 实现数/模转换的电路有很多种，常用的是电阻网络D/A 转换器。其中最为常用的是R-2R电阻网络型D/A转换器。 图12.2是一种R-2R电阻网络型D/A转换器。该转换器由 参考电压VREF、R-2R电阻网络、n个模拟开关和集成运算放 大器组成。 从模拟开关S0向左看，等效电阻为R，再从模拟开关S1 向左看，等效电阻也是R，因此，流入电阻网络的总电流为
2N 1 LSB 对应的模拟量，即最小数字量变化引起的最小模拟量值。 在实际使用中，表示分辨率大 小的方法也用输入数字量的位 数来表示。
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2) 转换精度
转换精度是指实际输出与理论值间的差，通常 用绝对误
差和相对误差反映转换的准确度，D/A 转换器的转换精度与
D/A 转换器的集成芯片的结构和接口电路配置有关，通常由
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当ILE 为高电平、CS 为低电平、WR1 为负脉冲时，在 LE1 端产生正脉冲； LE1 为高电平时，输入寄存器的状态随数据 输入线状态变化， LE1 的负跳变将输入数据线上的信息存入 输入寄存器。
当 XFER 为低电平、WR2 输入负脉冲时，在 LE2 产生正 脉冲；LE2 为高电平时，DAC 寄存器的输入与输出寄存器的 状态一致，在 LE2 的负跳变开始时，输入寄存器内容存入 DAC 寄存器。实现第二级写缓冲操作，然后进行转换。
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9) 工作温度范围 一般情况下，影响D/A转换精度的主要环境和工作条件 因素是温度和电源电压的变化。由于工作温度会对运算放大 器加权电阻网络等产生影响，所以只有在一定的工作范围内 才能保证额定精度指标。较好的D/A转换器的工作温度范围 为－40℃～+85℃，较差的D/A转换器的工作温度范围为 0℃～70℃。多数器件其静、动态指标均是在25℃的工作温 度下测得的，工作温度对各项精度指标的影响用温度系数来 描述，如失调温度系数、增益温度系数、微分线性误差温度 系数等。
0.39% 。
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3) 非线性度 非线性度也称为相对误差，当满刻度校准后，在整个转 换范围内，各种数字输入对应的模拟输出量与理论值之差， 可画成曲线表示，最大不超过±(1/2)LSB。 因此要获得高精度的D/A转换结果，首先要保证选择有 足够分辨率的D/A转换器。同时D/A转换精度还与外接电路 的配置有关，当外部电路器件或电源误差较大时，会造成较 大的D/A转换误差，当这些误差超过一定程度时，D/A转换 就产生错误。在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素 有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。但 是值得一提的是，精度和分辨率是不同的概念，前者表示实 际值与理想值的接近程度，而后者表示引起输出变化的最小 输入量，并且分辨率高不一定具有高的精度。
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(5) 采样保持电路(Sample Holder，S/H)。采样保持电路 是用在模拟/数字(A/D)转换系统中的一种电路，用以保持输 入信号不变。由于数据采集的模拟信号是连续变化的，而 A/D转换器完成需要一定的时间，这段时间称为转换时间。 在A/D转换器前面增加一级采样保持电路，保证在转换过程 中输入信号保持在其采样时的值不变，以保证转换精度，减 少误差。
uO
10 1 2
1
1 4
0
1 8
1
1 16
0
10(0.5 0.125)
6.25 V
(12.2.5)
图12.2 R-2R电阻网络型D/A转换器电路原理图
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【例 12.1】 已知 Rf= 20 kΩ，VREF =10 V，其余电阻 R 的阻值均为 10 kΩ，电路如图 12.2 所示，试求：
I VREF R
(12.2.1)
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各支路上的电流分别为
I0
1 I， 2
I1
1 4
I，
I2
1 8
I
，
1 I3 16 I
(12.2.2) 在输入数字量的作用下，流入 集成运算放大器反向输入端的 电流为
I II I i 2 d0 4 d1 8 d2 16 d3 进而求出集成运算放大器的输出电压为
(12.2.3)
uO
iR
VREF 2R
d0
VREF 4R
d1
VREF 8R
d2
VREF 16 R
d3
R
VREF
1 2
d0
1 4
d1
1 8
d
2
1 16
d3
(12.2.4)
设 VREF = 10 V，d3d2d1d0= 0101 时，可求得：
第12章 模拟量的输入/输出接口 设VREF= 10 V，d3d2d1d0=0101时，可求得：
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7) 增益误差(或称标度误差) D/A转换器的输入与输出传递特性曲线的斜率称为D/A 转换增益或标度系数，实际转换的增益与理想增益之间的偏 差称为增益误差。增益误差在消除失调误差后用满码(全1) 输入时其输出值与理想输出值(满量程)之间的偏差表示，一 般也用LSB的份数或偏差值相对满量程的百分数来表示。 8) 温度系数 在满刻度输出的条件下，温度每升高1℃，输出变化的 百分数定义为温度系数。
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通滤波器，以平滑输出波形。另外，为了能够驱动执行器件， 还需要设置驱动放大电路将输出的小功率模拟量加以放大， 以能够驱动执行元件动作。
由于A/D 转换器的工作原理应用到D/A 转换器中的部分 工作原理，所以，先介绍D/A 转换器。
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12.2 D/A转换与DAC0832
噪声、增益误差、零点误差、 参考电压、电子器件等综合因
素决定。如果不考虑其他 D/A 转换误差，D/A 的转换精度就
是最低有效位(分辨率)的一半，即 1 LSB，或最小数字量与满 2
刻度 VFS 的百分比，如 8 位的 DAC0832，其精度为 8 位，其
最大可能误差为
拟量的输入/输出接口
(2) 当uO=－10 V时代入关系式得 d0d1d2d3=1000
2．D/A转换器性能指标 D/A转换器的主要特性指标包括以下几方面： 1) 分辨率
分辨率是指最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有 效位为“1”，即 LSB)与最大输出电压(对应的输入数字量所有 有效位全为“1”，即 VFS)之比，如 N 位 D/A 转换器，其分辨 率为 1 。分辨率代表转换器的分辨能力，与最低有效位
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5) 电源抑制比 对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器 所用的电源电压发生变化时，对输出电压影响极小。通常把 满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为 电源抑制比。 6) 失调误差(或称零点误差) 失调误差定义为数字输入全为0码时，其模拟输出值与 理想输出值之偏差值。对于单极性D/A转换，模拟输出的理 想值为零伏点。对于双极性D/A转换，理想值为负域满量程。 偏差值的大小一般用LSB的份数或偏差值相对满量程的百分 数来表示。
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12.2.2 DAC0832及应用 1．DAC0832的特性 DAC0832是美国国家半导体公司生产的8位双缓冲D/A
转换器，片内带有数据锁存器，可与通常的微处理器直接接 口。其电路有极好的温度跟随性，使用CMOS电流开关和控 制逻辑来获得低功耗和低输出泄漏电流误差。其主要技术指 标如下：电流建立时间为1 μs，8位的分辨率，功耗低(只需 20 mW)，采用 +5～+15 V单电源供电，VREF输入端电压为 ±25 V，最大电源电压为VDD，满足TTL电平规范的逻辑输 入，具有8、9或10 位线性度(全温度范围均保证)。
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1. 模拟量的输入通道 模拟量的输入通道一般由一下几部分组成： (1) 传感器(Transducer)。传感器是把一种物理量(或化学 量、生物量)等非电量转换成另一种与之有确定对应关系的 物理量(通常是电量，如电压、电流)的装置，它是测量系统 中最重要的环节。 (2) 变送器(Transformer)。一般来说，传感器输出的信 号比较微弱，变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制 器识别的标准的电信号的转换器。一般转换为0～20 mA或 4～20 mA的统一电流信号，或0～5 V或0～10 V的统一电压 信号。变送器一般有温度/湿度变送器、压力变送器、差压 变送器、液位变送器、电流变送器、电量变送器、流量变送 器，重量变送器等。