第6章(4学时)模拟量输入输出

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R-2R梯形电阻网络
D Rf Vo = − n ⋅ ⋅Vref 2 R
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D/A转换器的主要技术指标
分辨率( 分辨率(Resolution) ) DAC所能分辨的最小电压增量 , 反映 所能分辨的最小电压增量, 反映DAC对微 所能分辨的最小电压增量 对微 小输入量变化的敏感性。 小输入量变化的敏感性。 分辨率的高低通常用二进制输入量的位数来表示, 分辨率的高低通常用二进制输入量的位数来表示, 例如分辨率是8位 位等; 例如分辨率是 位、10位、12位等; 位 位等 对一个分辨率为n位的 对一个分辨率为 位的DAC,能够分辨满刻度的 位的 , 的2-n输入信号
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D Vref IOUT1 = 8 2 Rfb
Iout1+Iout2=常数
DAC0832逻辑结构框图
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1. DAC0832的数字接口
8位数字输入端 位数字输入端
DI0~DI7(DI0为最低位) 为最低位)
输入寄存器( 级锁存) 输入寄存器(第1级锁存)的控制端 级锁存
ILE、CS*、WR1* 、 、
~-10V +10V~- ~-
AGND——模拟信号地 模拟信号地 VCC——电源电压输入端 电源电压输入端
+5V~+ ~+15V ~+
DGND——数字信号地 数字信号地
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单极性电压输出
Vout=-Iout1×Rfb =-(D/28)×VREF
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单极性电压输出:例子
=-5V 设 VREF=- D=FFH=255时,最大输出电压: = = 时 最大输出电压: Vmax=(255/256)×5V=4.98V = ) = D=00H时,最小输出电压: = 时 最小输出电压: Vmin=(0/256)×5V=0V = ) = D=01H时,一个最低有效位(LSB)电压: = 时 一个最低有效位( )电压: VLSB=(1/256)×5V=0.02V ) =
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D/A转换器的主要技术指标
线性误差 相邻两个数字输入量之间的差应是1 LSB,即理想的 转换特性应是线性的。 在满刻度范围内,偏离理想的转换特性的最大值称 为线性误差。
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D/A转换器的主要技术指标
输出电平 不同型号的D/A转换器件的输出电平相差较大。一般 为 5V ~ 10V , 有 的 高 压 输 出 型 的 输 出 电 平 则 高 达 24V~30V。 温度系数 在规定的范围内,相应于每变化1°C,增益、线性度、 零点及偏移等参数的变化量。
数字数据需要多次输出 接口电路也需要多个( 接口电路也需要多个 ( 级 ) 锁存器保存 多次输出的数据 并需要同时将完整的数字量提供给DAC 并需要同时将完整的数字量提供给 转换器
CPU 8位 位 12位 位 DAC
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两级锁存电路
4位 位 锁存器 8位 位 锁存器 4位 位 锁存器 8位 位 锁存器 12位 位 DAC 模拟输出
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D/A转换器的主要技术指标
转换精度(误差, 转换精度(误差,Error) ) 绝对精度
对应于给定的满刻度数字量, 对应于给定的满刻度数字量 , D/A实际输出与理论值之 实际输出与理论值之 间的误差。一般应低于1/2LSB。 间的误差。一般应低于 。
相对精度
在满刻度已校准的情况下, 在满刻度已校准的情况下,在整个刻度范围内对应于任 一数码的模拟量输出与理论值之差。 一数码的模拟量输出与理论值之差。 对于线性DAC,相对精度就是非线性度。 对于线性 ,相对精度就是非线性度。 偏差用最小量化阶∆来度量, 偏差用最小量化阶∆来度量,如±1/2 LSB 偏差用相对满刻度的百分比来度量, 偏差用相对满刻度的百分比来度量,如0.05% FSR
1. 主机位数等于或大于 主机位数等于或大于DAC芯片位数 芯片位数 2. 主机位数小于 主机位数小于DAC芯片位数 芯片位数
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1. 主机位数大于或等于DAC芯片的连接
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DAC0832:单缓冲方式
mov al,buf mov dx, portd out dx,al
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2. 主机位数小于DAC芯片的连接
图中的电阻网络就称为权电阻网络 图中的电阻网络就称为权电阻网络
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D/A变换原理
如果用8位二进制代码来控制图中的S0 ~ S7(Di=1时Si闭合;Di=0时Si断开),那么根据 二进制代码的不同,输出电压VO 也不同, 这就构成了8位的D/A转换器。 可以看出,当代码在0~FFH之间变化时, VO相应地在0~-(255/256)Vref之间变化。 为控制电阻网络各支路电阻值的精度,实 际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络,它 只用两种阻值的电阻(R和2R)。
LE1=LE2=1 输入的数字数据直接进入D/A转换器 输入的数字数据直接进入 转换器
输入 寄 存 器 LE1 DAC 寄 存 器 D/A 转 换 器
DI0~DI7
Iout1
LE2 DAC0832
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DAC0832的工作方式:单缓冲方式
LE1=1,或者 2=1 ,或者LE 两个寄存器之一始终处于直通状态 另一个寄存器处于受控状态(缓冲状态) 另一个寄存器处于受控状态(缓冲状态)
6.3 A/D转换器 A/D转换器
6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 A/D转换的基本原理 A/D转换的基本原理 A/D转换器的主要技术指标 A/D转换器的主要技术指标 ADC0809芯片 ADC0809芯片 0809 ADC芯片与主机的连接 ADC芯片与主机的连接 ADC芯片的应用 ADC芯片的应用
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6.1 模拟量与数字量
模拟量——连续变化的物理量 连续变化的物理量 模拟量
模拟/数字转换器 模拟 数字转换器 ADC
DAC 数字/模拟转换器 数字 模拟转换器
数字量——时间和数值上都离散的量 时间和数值上都离散的量 数字量
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模拟量I/O接口的作用
实际工业生产环境——连续变化的模拟
例如:电压、电流、压力、温度、位移、流量
如果每个支路由一个开关Si 控制,Si=1表示Si 合上, Si=0表示Si断开,则上式变换为 :
1 Vo = −∑ i SiVref i=0 2
n−1
若Si=1,该项对 O有贡献 ,该项对V 若Si=0,该项对 O无贡献 ,该项对V
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D/A变换原理
与上式相对应的电路如下(图中 与上式相对应的电路如下 图中n=8): 图中 :
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6.2.2 DAC0832芯片
单电源: 单电源:+5V~+15V Vref:-10V~+10V 低功耗: 低功耗:20mW 分辨率: 位 分辨率:8位 线性误差: 线性误差:0.2%(FSR) 非线性误差: 非线性误差:0.4%(FSR) 建立时间: µ 建立时间:1µs 温度系数: 温度系数:0.002%FSR/℃ ℃ 输出方式: 输出方式:电流
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D/A变换原理
运放的放大倍数足够大时, 输出电压V 运放的放大倍数足够大时 , 输出电压 o 与输 入电压V 的关系为: 入电压 in的关系为:
Rf VO = - Vin R
式中: 式中:Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻
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D/A变换原理
若输入端有n个支路, 则输出电压Vo与输入 电压Vi的关系为:
DAC寄存器(第2级锁存)的控制端 寄存器( 级锁存) 寄存器 级锁存
XFER*、WR2* 、
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直通锁存器的工作方式
两级缓冲寄存器都是直通锁存器
LE*=1,直通(输出等于输入) = ,直通(输出等于输入) LE*=0,锁存(输出保持不变) = ,锁存(输出保持不变)
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DAC0832的工作方式:直通方式
1 Vo = −Rf ∑ Vi i=0 R i
式中: 为第i支路的 式中:Ri 为第 支路的 输入电阻
n−1
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D/A变换原理
令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电 压Vref,则有:
n−1 1 1 Vo = −Rf ∑ i Vref = − ∑ i Vref i=0 2 Rf i=0 2 n−1
数字量
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6.2.1 D/A变换器的基本原理及技术指标 变换器的基本原理及技术指标
D/A变换器的基本工作原理 变换器的基本工作原理 组成:模拟开关、电阻网络、 组成:模拟开关、电阻网络、运算放大器 两种电阻网络:权电阻网络、 两种电阻网络:权电阻网络、R-2R梯形电阻 梯形电阻 网络 基本结构如图: 基本结构如图:
D0~D7
级高4位锁存控制 第1级高 位锁存控制 级高 第1级低 位锁存控制 级低8位锁存控制 级低 第2级12位锁存控制 级 位锁存控制
关键的一级锁存 由同一个信号控制
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无需输出数据
简化的两级锁存电路
4位 位 锁存器 8位 位 锁存器 8位 位 锁存器 12位 位 DAC 模拟输出
D0~D7
级低8位锁存控制 第1级低 位锁存控制 级低 第2级12位锁存控制 级 位锁存控制
LSB: Least Significant Bit FSR: Full Scale Range
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D/A转换器的主要技术指标
稳定时间 DAC加上满刻度的变化时(全0变为全1),其输出达 到稳定所需时间 转换时间 DAC的输入数字量有满刻度值的变化时,其输出模拟 信号电压达到满刻度值1/2 LSB(最低有效位)时所需 要的时间。
计算机内部——离散的数字量
二进制数、十进制数
工业生产过程的闭环控制
传感器 模拟量
A/D
数字量
计算机
数字量
D/A
模拟量
执行元件
模拟量输入 (数据采集 数据采集) 数据采集
模拟量输出 (过程控制 过程控制) 过程控制
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传感器 放大器 低通滤波器 6.1 模拟输入输出系统 将各种现场的物理量测量出来 采样保持器 多路开关 、滤去高频干扰 把传感器输出的信号放大到ADC所需 把传感器输出的信号放大到 , 所需 用于降低噪声、 用于降低噪声 滤去高频干扰, 并转换成电信号(模拟电压或电流) 并转换成电信号(模拟电压或电流) 周期性地采样连续信号, 周期性地采样连续信号, 把多个现场信号分时地接通到A/D转换器 把多个现场信号分时地接通到 转换器 的量程范围 以增加信噪比 并在A/D转换期间保持不变 并在 转换期间保持不变
输入 寄 存 器 LE1 DAC 寄 存 器 D/A 转 换 器
DI0~DI7
Iout1
LE2 DAC0832
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DAC0832的工作方式:双缓冲方式
两个寄存器都处于受控(缓冲) 两个寄存器都处于受控(缓冲)状态 能够对一个数据进行D/A转换的同时;输入另 转换的同时; 能够对一个数据进行 转换的同时 一个数据
输入 寄 存 器 LE1
DI0~DI7
DAC 寄 存 器
D/A 转 换 器
Iout1
LE2 DAC0832
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2. DAC0832的模拟输出
Iout1、Iout2——电流输出端 电流输出端 Rfb——反馈电阻引出端(电阻在芯片内) 反馈电阻引出端( 反馈电阻引出端 电阻在芯片内) VREF——参考电压输入端 参考电压输入端
模拟信号 现场信号 传感器 1 现场信号 传感器 2 … 现场信号 传感器 n 放大器 低通滤波 模拟信号 放大驱动电路 D/A转换器 转换器 数字信号
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放大器
低通滤波 多 路 开 关
采样保持器
A/D转换器 转换器 数字信号
放大器
低通滤波
微型 计算机
控制信号 受控对象
6.2 D/A转换器
模拟量
DAC 数字/模拟转换器 数字 模拟转换器
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Vout=-(D/2n)×VREF =-(
3. 地线的连接
模拟电路 ADC DAC 数字电路
模拟电路 AGND
数字电路 DGND
模拟地
ຫໍສະໝຸດ Baidu
公共接地点
数字地
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6.2.3 DAC芯片与主机的连接
DAC芯片相当于一个“输出设备”,至 芯片相当于一个“输出设备” 芯片相当于一个 少需要一级锁存器作为接口电路 考虑到有些DAC芯片的数据位数大于主 考虑到有些 芯片的数据位数大于主 机数据总线宽度,所以分成两种情况: 机数据总线宽度,所以分成两种情况:
第6章 模拟量接口 章
教学重点:
D/A、A/D转换器的工作原理 DAC 0832及其与主机的连接 ADC 0809及其与主机的连接
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目录
6.1 模拟量与数字量 D/A转换器 6.2 D/A转换器
6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 D/A转换器的基本原理及技术指标 D/A转换器的基本原理及技术指标 DAC0832 0832芯片 DAC0832芯片 DAC芯片与主机的连接 DAC芯片与主机的连接 DAC芯片的应用 DAC芯片的应用
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