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计算机控制技术. 第五章 过程通道技术. 回顾. 数字量输入通道（构成及相关技术） 数字输出通道（构成及相关技术）. 数据异步分配与转换. 数据同步分配与转换结构. 5.4 模拟量输出通道. 5.4.1 模拟量输出通道的构成 AO （ Analog Output, 模拟量输出）通道主要由输出数据锁存器、 DAC 和驱动电路等部分组成，其输出信号送到模拟执行机构、记录器或显示器等模拟终端，如图所示. 模拟量输出通道的关键是：隔离，变换，驱动. 模拟量输出通道的结构.
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计算机控制技术 第五章 过程通道技术
回顾 • 数字量输入通道（构成及相关技术） • 数字输出通道（构成及相关技术）
5.4 模拟量输出通道 • 5.4.1 模拟量输出通道的构成 • AO（Analog Output,模拟量输出）通道主要由输出数据锁存器、DAC和驱动电路等部分组成，其输出信号送到模拟执行机构、记录器或显示器等模拟终端，如图所示 模拟量输出通道的关键是：隔离，变换，驱动
模拟量输出通道的结构 • 数字保持式结构：一个通路一个D/A转换器，CPU与D/A 之间通过独立的接口缓冲器传送信息（如图3.12所示）； • 优点：速度快，精度高，可靠，互不影响；缺点：D/A多。 数字保持式结构
模拟量输出通道的结构 • 模拟保持式结构：多个通路共用一个D/A，CPU分时将各路D/A转换通过多路开关分送各路保持电路去（如图所示）。 • 特点：省D/A，速度慢，可靠性较差。 模拟保持式结构
5.4.2 DAC的选型与使用 DAC简介 • D/A转换器有串行(如AD7543等)和并行(如DAC0832 、DAC1210等 )两种，在工业过程控制中，以前主要使用并行D/A转换器（输入的各数据位是同时转换的），其转换速度比较快； • 并行D/A转换器一般由四部分组成，即电子开关、电阻网络、放大器和标准电压源； • 并行D/A转换器根据电阻网络不同，可分为权电阻译码D/A转换器、倒T型网络D/A转换器等； • 权电阻D/A转换器就是将某一数字量的二进制代码各位按它的“权”的数值转换成相应的电流，“权”越大（即位数越高），对应的电阻值越小；然后再将代表各位数值的电流加起来。 • 权电阻D/A转换器的原理如图5.14所示；倒T型网络D/A转换器的原理如图5.15所示。 • 按模拟量输出方式: 电流型、电压型
5.4.2.1 D/A转换技术（技术指标） 分辨率：与A/D转换器的分辨率概念类似，指当输入数字量变化1时，输出模拟量变化的大小。分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、12位、18位。 稳定时间：指D/A转换器所有输入数位由0变化到1（满度变化）时，模拟量输出稳定到±1/2LSB范围内所需要的时间；一般为几十纳秒到几微秒； 输入编码：可为二进制编码、BCD码、符号-数值码等，一般采用二进制编码，可使计算机的运算结果直接输出，比较方便； 线性误差：一个理想的D/A转换器输出应为线性阶梯波，实际特性可能偏离理想特性；一般为0.01%~0.8%。 温度范围：一般为-40˚C~85˚C，较差的为0˚C~70˚C； 输出方式与极性：包括电流输出（一般为0~10mA或4~20mA）和电压输出；输出极性包括单极性和双极性； 基准电源：由精度、幅值、输出极性等决定。
D/A转换技术（微机接口） • 数字输入码的变换：在模拟量转换过程中，对双极性（正、负）信息通常有三种表示方法： • 符号-数值码：类似于原码表示法，增加一位符号位，即符号+数值。符号位为0表示正，符号位为1表示负。 • 偏移二进制码：它是一种直接的二进制编码，用满刻度来加以偏移。符号位在正值（包括零在内）时均为1，而在负值时均为0，这种编码常用于计算机控制系统实现双极性模拟量转换。 • 2的补码：其符号位的特征正好与偏移二进制码相反，而数值相同。 • 锁存特性及转换控制：如果D/A转换器没有输入锁存器，通过与CPU连接时必须外加锁存器。
D/A转换技术（微机接口） 常用双极性代码转换关系
D/A转换技术（微机接口） • 8位D/A 转换器0832(结构如图5.16所示) • UREF：+10V~-10V；Ucc：+5V~+15V；CS:片选信号；ILE：允许输入锁存；WR1(写1)：将数字量锁存8位输入寄存器中；WR2(写2)：将输入寄存器数字量送到D/A寄存器锁存；XFER：传送控制信号；IOUT1+ IOUT2=常数；Rfb：反馈电阻；IOUT1：DAC 电流输出 1;IOUT2；DAC 电流输出2。 • DAC0832与CPU 的五种连接方式 • 直通方式（图略） • 单缓冲单极性(如图5.17所示); • 双缓冲单极性(如图5.18所示); • 单缓冲双极性(如图5.19所示); • 双缓冲双极性(如图5.20所示)。
D/A转换技术（微机接口） 图5.16 DAC0832结构框图
D/A转换技术（微机接口） 图5.17 单缓冲单极性模拟量输出图
D/A转换技术（微机接口） 图5.18 双缓冲单极性模拟量输出图
U1 D/A转换技术（微机接口） 这种双极性输出方式，是把最高位当作符号位使用，与单极性输出比较，使分辨率降低1位。 图5.19单缓冲双极性模拟量输出图
D/A转换技术（微机接口） U1 图5.20双缓冲双极性模拟量输出图
模拟量输出通道设计 结构是什么方式？ 图5.21 8通道模拟量输出通道电路图
5.4.2.2 DAC的选型 ①数字输入特性：包括输入编码、数据格式以及逻辑电平等。DAC一般只能接收二进制码，当输入数字代码为偏置码或补码等双极性码时，应外接适当偏置电路；采用的逻辑电平多为TTL或低压CMOS电平。 ②模拟输出特性：输出电量特性是电压还是电流。 ③锁存特性以及转换控制：DAC对输入数字量是否具有锁存功能，将直接影响与MCU接口的设计。若无锁存功能，通过MCU数据总线传送数字量时，必须外加锁存器；有些DAC在对锁存的数字量输入转换为模拟量时要施加控制，即施加外部转换控制信号才能转换和输出，这种DAC在分时控制多路DAC时，可实现多路DAC的同步输出。 ④参考电压源：是影响输出结果的模拟参量。内部带有参考电压源的DAC不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。
【例5.4-1】多通道模拟量输出方案的选择 • 对于多参量要求同步控制的系统，只能选用独立DAC方案。在系统没有要求同步的情况下，需考虑转换速度和成本。 • 对于中等分辨率(8位到10位)的输出通道，采用独立DAC方案(如选用具有双缓冲输入寄存器的10位DAC AD7522)能获得较好的性能，而成本与共用DAC方案不相上下。 • 对10位至12位的通道，使用共用DAC方案，在目前看来还具有成本优势。高于12位的输出通道由于当前存储电容的介质吸附效应指标不够理想，要使采样保持器满足高分辨率以及高速度的要求还比较困难，所以必须采用独立DAC方案。
5.4.2.3 串行DAC及其应用实例 • 下面以ADI公司的CMOS、单电源、具有电压缓冲的高速串行8位DAC AD5300为例说明串行DAC的用法。AD5300具有体积小、功耗低、接口简单和宽工作电压等特点，特别适合于电池供电的便携式仪器。 • AD5300与10位DAC芯片AD5310、12位DAC芯片AD5320引脚功能完全兼容，其引脚如图5.4-2所示，各引脚功能定义如表5.4-2所示。
上图所示为AD5300与80C51的接口电路。80C51的TXD用于驱动AD5300的SCLK，而RXD用于驱动 ；其由80C51的P3.3控制，当P3.3为低电平时，通信开始。由于80C51的串行口一次只能传送8位二进制数据，因此，在一次传送完成后(高8位数据)，应紧接着第二次传送(低8位数据)；在此期间，P3.3即信号应一直保持为低，直到通信结束。需要注意：80C51串口的数据输出是低位先出，而AD5300的16位移位寄存器则是高位先入，因此，在80C51向AD5300写操作前应将数据顺序进行调整。上图所示为AD5300与80C51的接口电路。80C51的TXD用于驱动AD5300的SCLK，而RXD用于驱动 ；其由80C51的P3.3控制，当P3.3为低电平时，通信开始。由于80C51的串行口一次只能传送8位二进制数据，因此，在一次传送完成后(高8位数据)，应紧接着第二次传送(低8位数据)；在此期间，P3.3即信号应一直保持为低，直到通信结束。需要注意：80C51串口的数据输出是低位先出，而AD5300的16位移位寄存器则是高位先入，因此，在80C51向AD5300写操作前应将数据顺序进行调整。
5.3 模拟量输入通道 • 5.3.1 模拟量输入通道的构成 • AI（Analog Input,模拟量输入）通道的任务是将过程量(模拟量)经转换、放大、采样和ADC，变为二进制数字量并且输入计算机， ① 传感器 ② 放大电路 ③ 多路转换开关 ④ 采样保持 ⑤ ADC：将模拟信号转换为二进制数字量。 ⑥ 控制逻辑：提供模拟输入通道与计算机之间的控制总线信号。
以上几个功能电路是模拟输入通道的基本环节，各功能电路可以由单个集成电路完成，也可由若干集成电路共同完成，例如ADC0809转换器就自带多路转换开关、接口电路。以上几个功能电路是模拟输入通道的基本环节，各功能电路可以由单个集成电路完成，也可由若干集成电路共同完成，例如ADC0809转换器就自带多路转换开关、接口电路。 • 过程控制中，小信号一般要经过放大电路、采样保持电路、ADC，最后进入计算机进行处理。但增强型MCU片内功能模块非常完善，如片内自带放大电路、采样保持电路、ADC等。
5.3.2 模拟小信号放大电路及采样保持电路 • 5.3.2.1 信号放大器 • 信号放大电路将传感器的微弱电信号放大到ADC需要的信号范围。信号放大电路主要由放大器构成，涉及的放大器有测量放大器、专用放大器、隔离放大器、程控放大器等类型。 • 对经传感器转换后得到的微弱模拟信号，应经过放大处理后才能输入到后续电路。由于通用运算放大器具有较大的失调电压和温度漂移，一般不能用于放大微弱信号。在模拟输入通道中一般采用测量放大器来完成这一任务。测量放大器具有高输入阻抗、低失调电压、低温度漂移系数、稳定的放大倍数以及低输出阻抗等特点。 • 生产集成测量放大器的公司有很多，选择时要考虑阻抗、非线性度、频率范围、CMRR（Common Mode Rejection Ratio，共模抑制比）、供电方式、供货情况等因素。
放大电路实例 • AD521/AD522是ADI公司推出的单片测量放大器，采用标准14脚双列直插封装，其放大倍数由用户在外部加接精密电阻获得。AD52l的连接方法如右下图所示。管脚(4、6)用来调节放大器零点。放大倍数在0.1～1000范围内调整，选用Rs=l00kΩ（±15％）时，可以得到较稳定的放大倍数。放大倍数可按下式近似计算
实 例 • AD522是单片集成精密测量放大器，K=100时非线性仅为0.005％，在0.1~100Hz频带内噪声峰值为1.5mV， CMRR大于120dB(增益K=1000时)。与AD521不同的是，该芯片引出了电源地(9脚)和数据屏蔽端(13脚)，后者用于连接输入信号屏蔽网，以减少外电场对输入信号的干扰。图为AD522与测量电桥的连接方法。
5.3.2.2 采样保持电路 采样时，k 闭合，VIN通过A1对CH快速充电，VOUT跟随VIN；保持期间，k断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下VOUT =VC保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动A/D转换器，保证A/D转换期间输入恒定。 采样保持器的组成 集成采样保持器LF398的原理图
LF398有8个引脚，典型连接为2脚接1kΩ电阻，用于调节漂移电压；7脚和8脚是两个控制端，用于控制开关的关断，其中7脚接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。当7脚接地，8脚接大于1.4V的控制信号时，LF398处于采样状态；若8脚为低电平，则LF398处于保持状态。6脚外接保持电容，它的选取对于采样保持电路的性能至关重要：大电容可使系统得到较高精度，但采样时间加长；小电容可提高采样频率，但精度较低。因此，电容的选择应综合考虑精度要求和采样频率等因素。LF398有8个引脚，典型连接为2脚接1kΩ电阻，用于调节漂移电压；7脚和8脚是两个控制端，用于控制开关的关断，其中7脚接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。当7脚接地，8脚接大于1.4V的控制信号时，LF398处于采样状态；若8脚为低电平，则LF398处于保持状态。6脚外接保持电容，它的选取对于采样保持电路的性能至关重要：大电容可使系统得到较高精度，但采样时间加长；小电容可提高采样频率，但精度较低。因此，电容的选择应综合考虑精度要求和采样频率等因素。 • LF398的几个参数为：输入阻抗Ri = 1010Ω，输出阻抗Ro = 0.5Ω，漂移电压2mV，供电电压在5～18V间选择。
5.3.3 ADC的选型与使用 ADC原理 • 大多数ADC的基础是DAC和模拟电压比较。将输入模拟电压与“中间结果”经DAC后的模拟值进行比较，若二者相等，该中间结果就是最终要得到的二进制数。
数字量输出 寄存器 D/A转换器 Vf（反馈电压） D0~D7 逐位逼近寄存器（SAR） 控制时序 和逻辑电路 Vin 模拟量输入 逐位逼近式A/D转换器原理框图 － 比较器 + 逐位逼近法 • 逐位逼近式A/D的工作原理 • 从SAR输出的数码送至D/A，其输出电压Vf与模拟量输入Vin 比较后，再控制SAR的数字逼近
双积分式A/D转换器 • 双积分式A/D转换器特点 • 是一种间接A/D转换技术。 • 模拟电压先转换成积分时间，然后转换成计数脉冲数，最后将代表模拟输入电压大小的脉冲数转换成BCD码输出。 • 转换时间较长，一般需要几十毫秒。 • 器件少、使用方便、抗干扰能力强、数据稳定、价格便宜，适用于非快速计算机过程控制系统或精度要求较高的地方。
双积分式A/D转换器（2） • 双积分式A/D转换器的工作原理 • 先对模拟输入电压Vin进行固定时间t1的正向积分，积分器的输出电压上升的速率与输入电压Vin成正比 • 当固定时间t1到后，计数器清零，对积分器进行反向积分，并自动按一定的频率进行计数。积分器的输出电压，从正向积分结束时的VI开始以恒定的斜率下降，当反向积分使其积分器输出为零时，关闭计数器计数，完成一次A/D转换工作。
VI积分输出 积分电容 1 K Vin 3 VREF VI B VO 2 （基准电压） A t t1 t2 t3 VO A 控制逻辑 t 时钟 t1 t2 VO 计数器 B t t1 t3 数据输出 双积分式A/D转换的原理框图 双积分A/D的工作示意图 － － 积分器 比较器 + + 双积分式A/D转换器（3） • 双积分式A/D转换器示意图
其他A/D方法 • 并行A/D转换器 • n位则需2n-1个比较器，成本高，故只应用于转换速度要求极高的场合 • 计数器式A/D转换器 • 简单、便宜，但每输入一个时钟脉冲，计数器加（或减）1，故要逼近输入值，需输入许多个脉冲，因而转换很慢。 • Σ-Δ式A/D转换器 • 电压/频率转换器件
5.3.3.1 ADC的主要技术指标 • 分辨率：能对转换结果发生影响的最小输入量，能够分辨最小量化能力（从输入角度讲）。分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、12位、18位。如分辨率为8位，表示可以对满量程的1/28=1/256的增量作出反应。 • 量程：ADC能转换的模拟电压的范围。 • 精度：分为绝对精度和相对精度。常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位，如精度为±1/2LSB；如果满量程为10V，10位ADC的绝对精度为4.88mV=（10/210）*1/2。相对精度表示为绝对精度对满量程的百分比，如10位ADC的相对精度约为0.1%。 • 量化误差：e=±q/2,q=(fmax-fmin)/2n，fmax和fmin代表输入信号的最大值和最小值。可见，分辨率和量化误差是统一的，提高分辨率可减少量化误差。
转换时间：完成一次完整转换所需要的时间，逐次逼近式A/D转换器转换时间的典型值为1-200μS 。 • 转换速率：转换时间=1/转换速率 。 • 输出逻辑电平：输出数据的电平形式和数据输出方式(如三态，逻辑和数据是否锁存)。 • 工作温度范围：ADC在规定精度内允许的工作温度范围。 • 对基准电源的要求：基准电源精度对ADC精度有很大影响，因此也应加以考虑。 【注意事项】 • 精度和分辨率是两个不同的概念。精度为转换后所得结果与理想值之间的接近程度，而分辨率是指转换器能够识别的最小量化信号的能力。 • 一般而言，分辨率是ADC最主要的技术性能指标（同类型的ADC分辨率越高价格越贵），其次是转换时间和精度。
A/D转换器完成一次完整的转换过程所需的时间称转换时间，对变化快的模拟信号来说，转换期间将引起转换误差，这个误差叫做孔径误差。
绝对精度也叫积分非线性(INL)定义为DNL误差的积分。INL误差告诉设计者转换器测量结果距离理想转换函数值有多远。举例，对于一个12位系统来讲，+2LSB的INL误差相当于2/212或0.05%的最大非线性误差(这已占去ADC误差预算的2/3)。因此，有必要选用一个1LSB(或更好)的器件。对于+1LSB的INL误差，等效精度为0.0244%，占ADC误差预算的32.5%。对于0.5LSB的指标，精度为0.012%，仅占ADC误差预算的16%(0.0125%／0.075%)。需要注意的是，无论是INL或DNL带来的误差，都不太容易校准或修正。绝对精度也叫积分非线性(INL)定义为DNL误差的积分。INL误差告诉设计者转换器测量结果距离理想转换函数值有多远。举例，对于一个12位系统来讲，+2LSB的INL误差相当于2/212或0.05%的最大非线性误差(这已占去ADC误差预算的2/3)。因此，有必要选用一个1LSB(或更好)的器件。对于+1LSB的INL误差，等效精度为0.0244%，占ADC误差预算的32.5%。对于0.5LSB的指标，精度为0.012%，仅占ADC误差预算的16%(0.0125%／0.075%)。需要注意的是，无论是INL或DNL带来的误差，都不太容易校准或修正。
比如12位ADC：TLC2543，INL值为1LSB。那么，如果基准4.095V(因此1LSB相当于4.095/212-1 = 0.001V)，测某电压得的转换结果是1000，那么，真实电压值可能分布在0.999~1.001V之间。对于DAC也是类似的。比如DAC7512,INL值为8LSB，那么，如果基准4.095V，给定数字量1000，那么输出电压可能是0.992~1.008V之间。
