第六章模拟量输入输出与数据采集卡

第六章模拟量输入输出与数据采集卡

通过本章的学习，使考生掌握D/A，A/D转换的原理和典型芯片，在此基础上了解工业控制计算机常用模板的组成和应用。

要求：

(1)了解D/A转换的工作原理和8位，12位D/A转换芯片；D／A转换器与总线的连接和应用方法。

(2)了解A/D转换器的工作原理和指标，熟悉A/D转换的典型芯片和多路转换器，采样保持器的工作原理。

(3)了解数据采集卡的组成和指标及其应用方法，了解工控机配套模板的概况。

一、重点提示

本章重点是D/A，A/D转换器的工作原理，与总线的连接方法。

二、难点提示

本章难点是利用这些芯片和多路开关、采样保持器组成数据采集卡的应用方法。

考核目的：考核学生对微型计算机的模拟通道的构成及工作原理的掌握。

1．数模转换器D/A

(1)D/A转换的指标和工作原理

/ (2)典型D/A转换器芯片

(3)D/A转换器与总线的连接

2．模数转换器A/D

(1)A/D转换器的工作原理（双积分和逐次逼近型A/D转换），A/D转换器主要指标

(2)典型A/D转换器芯片（ADC0809及．12位A/D芯片）的功能和组成，与总线的

连接

3．多路开关

(1)数据采集系统对多路开关的要求

(2)几种多路开关芯片

(3)几种多路开关的主要技术参数

4．采样保持器

(1)采样保持器的工作原理

(2)常用的采样保持器芯片

5．数据采集卡的组成及其应用

本章知识结构如下：

（一）D／A转换接口

D/A转换器的作用是将二进制的数字量转换为相应的模拟量。D/A转换器的主要部件是电阻开关网络，其主要网络形式有权电阻网络和R-2R梯形电阻网络。

集成D/A芯片类型很多，按生产工艺分有双极型、MOS型等；按字长分有8位、10位、12位等；按输出形式分有电压型和电流型。另外，不同生产厂家的产品，其型号各不相同。例如，美国国家半导体公司的D/A芯片为DAC系列，如DAC0832等；美国模拟器件公司的D/A芯片为AD系列，如AD558等。使用时可参阅各公司提供的使用手册。

1．DAC0832

DAC0832是美国国家半导体公司采用CMOS工艺生产的8位D/A转换集成电路芯片。它具有与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉等特点，因而得到了广泛的应用。

(1) DAC0832的结构与引脚

DAC0832的逻辑结构框图如下图所示。片内有R-2RT型电阻网络，用于对参考电压

提供的两条回路分别产生两个电流信号IOUT1和IOUT20 DAC0832采用8位输入寄存器和8位DAC 寄存器二次缓冲方式，这样可以在D/A 输出的同时，送入下一个数据，以便提高转换速度。每个输入数据为8位，可以直接与微机的数据总线相连，其逻辑电平与TTL 电平兼容。

071~D DI 一一D ／A 转换器的数字量输入引脚。其中0DI 为最低位，

71D 为最高位。

CS ——片选信号输入端，低电平有效。 1WR 一—输入寄存器的写信号，低电平有效。

ILE 一一输入寄存器选通信号，高电平有效。II ．E 信号和1WR CS 、共同控制选通输入寄存器。当1WR CS 、均为低电平，而ILE 为高电平时，01 LE ，输入数据被送至8位输入寄存器的输出端；当上述三个控制信号任一个无效时，1L E 变高，输入寄存器将数据锁存，输出端呈保持状态。

XFER ——从输入寄存器向DAC 寄存器传送D/A 转换数据的控制信号，

低电平有效。 2WR ……DAC 寄存器的写信号，低电平有效。当XFER 和2WR 同时有效时，输入寄存

器的数据装入DAC 寄存器，并同时启动一次D/A 转换。

CC V ——芯片电源，其值可在+5～+15 V 之间选取，典型值取+15 V 。

AGND-----模拟信号地。

DGND ——数字信号地。

FB R 一一内部反馈电阻引脚，用来外接D/A 转换器输出增益调整电位器。

REF v ——D/A 转换器的基准电压，其范围可在-lO ～+10 V 内选定。该端连至片内的

R-2RT 型电阻网络，由外部提供一个准确的参考电压。该电压精度直接影响着D/A 转换精度。

1OUT I ——D/A 转换器输出电流1，当输入全l 时，输出电流最大，约为

FB

EF 256255R V R ⨯I 当输入为全O 时，输出电流最小，即为O 。 2O UT I ——D ／A 转换器输出电流2，它与1OUT I 有如下关系：

21OUT OUT I I +=常数

D/A 转换没有形式上的启动信号。实际上将数据写入第二级寄存器的控制信号就是D/A 转换器的启动信号。另外，它也没有转换结束信号，D/A 过程很快，一般还不到一条指令的执行时间。

(2)DAC0832的工作方式

DAC0832内部有两个寄存器，能实现三种工作方式：双缓冲、单缓冲和直通方式。 双缓冲工作方式是指两个寄存器分别受到控制。当ILE 、CS 和WR 1信号均有效时，8位数字量被写入输入寄存器，此时并不进行A/D 转换。当WR 2和XFER 信号均有效时，原来存放在输入寄存器中的数据被写入DAC 寄存器，并进入D/A 转换器进行D/A 转换。在

一次转换完成后到下一次转换开始之前，由于寄存器的锁存作用，8位D/A 转换器的输入数据保持恒定，，因此D/A 转换的输出也保持恒定。

单缓冲工作方式是指只有一个寄存器受到控制。这时将另一个寄存器的有关控制信号预先设置成有效，使之开通，或者将两个寄存器的控制信号连在一起，两个寄存器作为一个来使用。

直通工作方式是指两个寄存器的有关控制信号都预先置为有效，两个寄存器都开通。只

要数字量送到数据输入端，就立即迸入D/A 转换器进行转换。这种方式应用较少。

(3)电压输出电路的连接：

DAC0832以电流形式输出转换结果，若要得到电压形式的输出；需要外加I/V 转换电

路，常采用运算放大器实现I/V 转换。

对于单极性输出电路，输出电压为：

REF OUT V D V ⨯-=256

式中D 为输入数字量的十进制数。因为转换结果OUTT I 接运算放大器的反向端，所以式中有一个负号。若V V F R 5E +=,当 D---- 0～ 255 (00H ～FFH)时,V V OUT )98.4~0(-=。

通过调整运算放大器的调零电位器，可以对D/A 芯片进行零点补偿。通过调节外接于反馈回路的电位器RP1，可以调整满量程。

对于双极性输出电路，输出电压的表达式为：