第09章 测控通道接口.ppt

第9章测控通道接口,9.1测控通道结构9.2控制通道接口9.3数据采集通道接口内容提要本章概述测控系统中检测通道、控制通道的结构形式和特点，说明I/O接口卡的设计要求；介绍离散和模拟控制通道接口技术，分析了D/A转换原理，典型DAC芯片及其应用；叙述数据采集通道接口技术，讲解多路选择开关、采样-保持电路及A/D转换原理，典型ADC转换芯片及其应用。测控通道包括两种检测通道（又叫数据采集通道）和控制通道。检测通道对被采集对象的状态和量值进行检测，转换成数字量送计算机分析处理；控制通道接受计算机的处理结果，将其变成适宜的控制信号送到受控设备，使其向预定的控制目标动作。本章围绕计算机测控系统的实用接口技术展开。,9.1测控通道结构,测控通道的输入/输出有模拟信号和离散信号包括脉冲信号、开关信号和数字信号之分。离散信号可经简单的数字接口与计算机相连，而模拟信号则必须进行变换输入的模拟信号经模数转换电路ADC转换成数字量送入计算机，计算机输出的数字信号经数模转换电路DAC转换成模拟量去控制模拟设备。9.1.1检测通道结构1.结构框图检测通道负责数据采集，其结构如图9-1所示。图a是模拟信号检测通道结构框图。传感器感知、检测被测对象连续变化的物理量，将其转换成连续变化的模拟电信号送到下一级。使用不同材料和工艺制作的传感器很多，感知转换的原理也各不相同，它们可对各种不同的物理量如温度、湿度、流量、速度、压力、位移、角度直到各种生理指标、色谱分析、辐射状况等进行感知、量测、传送。,模拟信号必须用A/D转换器转换成计算机能识别的数字信号。A/D转换的方法和电路很多，性能各异，应根据系统的要求选择合适的A/D转换器。A/D转换器一般要求输入电压信号，若传感器送出的是电流信号则要先进行电流-电压（I-V）变换；对微弱信号要由高精度、高开环增益的运算放大器进行放大，接着进行“信号调理”，把对应满量程的输入信号放大到规定幅度，再由增益放大器放大以达到A/D转换器满量程输入时的幅度要求。在干扰较大的现场，可采用线性隔离放大器或线性光电隔离器去除干扰，但这两种电路的响应频率不高，仅适用于低频场合。,A/D转换需要一定的时间，高速模拟输入信号在A/D转换期间其值可能已发生很大变化，因此必须用采样-保持（S-H）电路把采样时刻模拟量的值保持住（不再变化），直到转换完毕；然后更新采样值，进行下一次转换。,当有多个模拟信号输入时，为了能共用S-H电路、A/D转换器和微机，使用多路转换开关，可分时地接通多个不同的信号源，进行放大、采样、转换和计算机处理。在图a中，多路开关之后是各个输入模拟通道的公共部分。,图b是离散信号检测通道结构框图。检测的是脉冲信号、开关信号或数字信号等离散量，传感器送来的信号经放大整形、电平变换后，通过并行、串行等数字接口送入微机进行处理。,2.检测通道特点,检测通道的任务就是对被检测对象进行准确的数据采集。为了测量的可靠与精确，减少传输过程的干扰和损耗，通常将检测通道和传感器做在一起，放到被测对象的现场中，使检测通道和计算机系统分开。检测对象的多样性和检测环境的复杂性，决定了检测通道的设计丰富多变。使用不同的传感器和变换器，通道的模块结构及信息的传输形式各不相同。不管什么结构的检测通道，其共同点就是要把被检测的信号准确地转换成计算机能识别的具有TTL电平的数字信号，供计算机处理。检测结果失准便没有实际意义。由于检测器置于被测对象的现场，容易受到各种干扰，因此在小信号检测中，抗干扰设计是十分重要的内容。在信号的识别、放大、传输整个过程中，都要充分注意抗干扰问题。,9.1.2控制通道结构,1.结构框图控制通道输出控制信号给受控对象，对受控对象实施预期目标的控制。控制通道的结构如图9-2所示。,若受控装置是离散信号控制的数控装置，计算机输出的控制信号通过数字接口经光电隔离和功率放大后直接施控；若受控对象是模拟信号控制的设备，则须经D/A转换后施控；微机经D/A转换器可输出多路控制信号，通过1TOm的多路转换开关对多个受控对象实施群控。,2.控制通道特点,计算机总线信号为TTL电平，负载能力很小，而受控对象则多种多样，一般要求较大的控制电压或电流。因此，控制通道具有如下特点n小信号输入，大功率控制。计算机送来的控制信号必须经功率放大电路不失真地加以放大，放大到受控对象所要求的电功率，再实施控制。n有效的抗干扰措施。受控对象一般是强电磁部件，例如电机使用的电磁启动器等，受控过程中不可避免地会产生强电磁干扰，有效的抗干扰措施是确保整个控制系统正常工作的必要条件。,9.1.3I/O接口卡设计,实现外设经测控通道与主机的连接，用户需要设计相应的接口电路，将其做成板卡形式，插在微机主板的I/O扩展槽上。微机主板上都有数量不等的相应总线类型的扩展插槽。少数插槽为主机配置所占用，其余的留给用户使用。因为ISA总线简单，曾经广泛使用，多数用户应用接口和微机测控通道接口使用ISA总线类型插卡，使用PCI总线类型插卡要精细复杂一些。1.设计要求I/O扩展槽内的信号是主机系统板上总线信号的延伸。设计不当的I/O接口卡不仅使所连的外设不能正常工作，有时还影响主机使之无法正常运行，严重的甚至损坏外设和主板。设计I/O接口卡必须遵循如下要求nI/O接口卡引脚与I/O扩展槽引脚之间的对应关系必须正确无误；nISA总线I/O接口卡上的每一个端口必须分配一个唯一的I/O端口地址，微机系统中任何两个端口的I/O地址都不能重合。nI/O接口卡走线工艺要合理，应有去耦滤波等抗干扰措施。n分清扩展槽上信号线的传输方向。I/O接口卡决不能向扩展槽上地址线和读写控制线等单向输出线传送信息。nI/O接口卡的时序状态必须符合主机I/O总线读写周期的时序要求。对慢速的外设应使用锁存器锁存数据。,n与数据总线相连的器件必须具有三态功能，不进行数据读写时处于高阻状态。nI/O接口卡上的所有连线对微机总线的负载应在允许范围之内，否则必须加驱动器缓冲。,2.总线驱动,I/O扩展槽上信号线的负载能力有限，如ISA总线一般可带两个低功耗肖特基TTL负载。因此，I/O接口卡连接到I/O扩展槽上的所有连线都应具有小的高电平输出电流和低电平灌入电流，对微机总线不构成超载负荷。否则应加相应功率的缓冲驱动器。可用74LS244作为地址总线缓冲器，每片8位，可多片并联。若仅作为驱动，其控制端-IG可接地；若选通驱动，则将选通脉冲-STB连接到控制端-IG。数据总线驱动必须是双向的，且具有三态功能，例如可选用74LS245作数据总线缓冲器。数据传输方向常用读写信号线来控制，例如ISA总线接口卡常用-IOR或-IOW或两者经简单逻辑处理后接到74LS245的DIR端来控制数据传输方向；一般用地址译码的输出作为允许数据传输的控制信号而接到74LS245的-G端。设计总线接口要保证时序正确，注意芯片与器件的延迟时间，使其速度满足系统要求，避免延迟较大而出现时序上的错误。,3.端口地址,早期PC机用A9A0十根地址线对I/O端口寻址，可寻址000H3FFH共1024个端口；其中200H3FFH共512个连接到扩展槽上供外设使用；XT机及其后的微机供扩展槽使用的端口地址是100H3FFH共768个。现代32位微机提供的I/O端口地址多达65536个。PC系列微机I/O端口的分配大体上是一致的。一块I/O接口卡可能占用几个I/O端口地址，任何一个端口的I/O地址必须唯一标识，不能与别的I/O端口地址相同。设计一个端口电路，首先碰到的是端口地址译码问题。常用的端口地址译码方法有四种门电路译码、译码器译码、比较器译码和GAL通用逻辑阵列译码。,图9-3译码电路，采用门电路和译码器译码。,图中用六单元反相器74LS04（用了其中三个反相器）、四单元二输入与门74LS08（用了其中一个单元）和四单元二输入与非门74LS00（用了其中三个单元）对地址线A9～A6以及控制线-IOR、-IOW、AEN等进行“译码”，译码结果送三-八译码器74LS138的译码控制端，只有当A9～A6为1100并且AEN为0（表示非DMA操作）才能使译码器输出端-G2A0、G11，而-IOR和-IOW为01（读）或10（写）使控制端-G2B0，满足这些条件使译码器处于选中状态。译码器选中时直接对A5～A3进行译码，产生八个译码输出，其地址范围如表9-1所示。,-IOR、-IOW和AEN参与译码保证了在存储器访问周期和DMA总线周期74LS138译码器不会出现有效输出。,图中74LS245用作主机与实验板之间双向数据总线缓冲器，A端A7～A0连接微机主板上的数据总线，B端B7～B0连接实验板上的数据线。当主机访问实验板时，-Y0～-Y3中必定有一个有效（为“0”），经与门74LS21输出一个低电平到74LS245的允许端-G，允许74LS245传输数据。而数据传输的方向由连接到DIR端的I/O读控制线-IOR进行控制-IOR0，CPU从实验板读，74LS245将实验板送到B端的数据传到A端；当-IOR1，CPU向实验板写，74LS245将CPU送到A端的数据传到B端。,2可变地址译码固定地址译码欠灵活，不通用译出的地址可能与主板上已占用的地址冲突。可变地址译码可方便地改变被译出的端口地址，增加板卡的通用性。常用的可变地址译码法有比较器译码和可编程通用逻辑阵列译码法。比较器译码法广泛用于通用总线接口模块的设计，其基本做法是将输入的地址信号接比较器的输入端（如P0～Pn-1），将一组DIPDualIn-linePackage开关接比较器的设置端（如Q0～Qn-1）；当输入的地址与DIP设置的地址相等时，比较器输出端有效，接口被选中。图9-4是采用8位比较器的可变I/O端口地址译码器。,图中，DIP6设定了A9A3（对应比较器74LS688的Q5Q0←→P5P0）值，三-八译码器74LS138的CBA连接A2A1A0，因此译码器输出的8个有效I/O地址可在200H～3FFH范围内变化。采用比较器译码法，很容易改变DIP开关的设置，从而使同一功能模块在不同的微机应用中被分配不同的接口地址；在同一微机系统中也可以此来控制接入不同的设备，具有极大的灵活性和通用性。常用的比较器有四位比较器74LS85和八位比较器74LS688。通用可编程逻辑阵列译码法常采用通用逻辑阵列如GAL16L8（20管脚）、GAL20V8（24管脚）或可编程逻辑阵列如PAL16L8（24管脚）进行译码，其逻辑关系通过编程控制，更加灵活方便。GAL采用高速电可擦的EECMOS，比TTL逻辑电平的PAL功耗低且速度快。一片GAL芯片可代替4～12片中小规模集成电路芯片，简化了系统设计，减少布线麻烦，降低成本。GAL具有8个输出逻辑宏单元OLMC，负载能力强（电流达24mA）；输出结果可随意变化，可根据需要进行状态组合，提供了设计复杂逻辑的灵活性。GAL与PAL完全兼容。GAL按行进行编程，设计了加密单元，硬件加密使别人无法仿制。GAL编程后数据20年不丢失，若需改变可随时编程，特别适合新产品试制。GAL的可测试性保证了编程的可靠性，使成品率达100。GAL编程需要专用的软件和写入器（常和EPROM编程器合在一起）。许多单片机开发系统中都设有此功能。,9.1.4PCI卡及其使用,对ISA总线的I/O接口卡，其与主机的数据传输用IN和OUT指令即可。但对PCI总线接口卡，其与主机的数据通信必须通过PCI控制器（即PCI桥接器）；因此，要实现处理器和PCI卡的I/O端口之间的数据通信必须先对PCI控制器适当编程设置，这就要利用PCI的总线函数来读/写PCI配置寄存器的内容。执行INT1AH指令（入口参数为AH0B1H，见附录Ⅲ）可得到PCI总线函数，它可判断PCI总线的存在性、查找PCI设备、设置PCI中断、存取配置空间等。通过读配置寄存器可获得PCI卡的I/O基地址，加上偏移地址即成为PCI卡的某个端口地址，据此对PCI卡的端口实现I/O数据传输功能。PCI总线接口信号没有直接提供M/-IO的读写控制信号，对此我们不必介意，也不必考究PCI接口信号与处理器是如何连接的，所有信号通过PCI桥接器与处理器相连，在应用时只要弄清楚怎么调用就可以了。PCI卡要适配PCI总线的速度，因此不能像ISA卡那样选用普通的IC芯片，而必须使用大规模高速PLD器件取代普通的IC芯片。,9.2控制通道接口,控制通道按受控对象所需控制信号的类型分为离散型和模拟型两种控制通道。9.2.1离散控制通道接口技术离散控制通道送给受控对象的控制信号是离散型信号，包括数字信号、开关电平信号和脉冲编码信号。1.控制要求随受控对象的不同，控制电路有较大差异。但它们有如下的共同要求n输出的控制信号必须有足够大的功率，满足受控设备的要求；n输出的信号电平稳定可靠，不出现第三态，以使电路工作平稳；n输出控制信号的时序与控制对象的动作速度相适配。因此，通道中一般都加有功率放大器，对驱动功率不足的控制信号进行功率放大；输出信号线都接有上拉电阻或下拉电阻，以使输出电平稳定。,2.接口方法,控制通道一般做成插卡的形式，通过I/O扩展槽与微机连接。低速设备多用集成的并行I/O芯片或锁存器做成ISA卡，实现输出接口。并行I/O芯片实现接口图9-5是采用82C55-8CP芯片实现的并行I/O接口。82C55-8CP功能与8255一样，但工作频率更高，可匹配286以上主频较快的微机运行。图中地址译码器对A9A2译码，控制对82C55-8CP芯片的选择；数据线和控制线经扩展卡、槽与主板相连；通道A、B、C与外设相连。当灌电流较大时应加三态缓冲器。,锁存器实现接口图9-6是用74LS373实现的并行输出接口。地址译码输出接到锁存器的锁存允许端LE，控制数据锁存与否，芯片的输出允许端-OE接地，始终处于输出允许状态。,3.隔离技术,为防止现场强电磁干扰，防止工频电压通过输出通道反串到计算机系统，必须将测控现场强电设备与测控系统的微电子设备进行电器隔离。在广泛使用光电耦合器件实施电气隔离前常用隔离变压器或继电器，光电耦合隔离效果良好，价格低廉，设计简单。图9-7为低频场合常用的光电隔离输出接口。OPTO为三极管输出型光电隔离器，当输入端为高电平时，有电流流过发光二极管，使其发光，触发光敏三极管导通，继电器线圈J有电流流过，继电器常开接点吸合；若输入端为低电平，无电流流过发光二极管，发光二极管不发光，光敏三极管截止，继电器线圈J中无电流，接点断开。,由图可见，经电-光-电转换传输，输入和输出可分别用单独的电源和地线供电，各自独立地构成回路，从而切断共地和共电源耦合的干扰途径。另外，对尖锋状等电压型脉冲干扰，由于其功率小，能供出的电流亦小，不能使发光二极管正常发光，从而可有效地抑制非功率型脉冲干扰。,光电隔离器的输入端必须具有一定的电流驱动能力，输入端功率不足须加一级驱动；光敏三极管输出电流亦不大，需要大功率驱动时也须加一级缓冲。光电隔离器的响应频率有限，只适用于低频场合。,9.2.2D/A转换,若受控对象的控制信号为模拟信号，则必须把计算机输出的数字量经数/模转换器转换为连续变化的模拟量。1.D/A转换原理把数字信号转换为模拟信号电流或电压的电路称为DAC。DAC电路的结构一般由基准电压、解码网络、模拟开关、运算放大器、缓冲寄存器等部分组成。不同DAC的差别主要在解码网络。按照解码网络的形式和特征，有权电阻DAC、T型电阻DAC、倒T型电阻DAC、变形权电阻DAC、电容型DAC、权电流DAC其中T型和倒T型电阻解码网络DAC，只使用R和2R两种电阻的阻值，因集成制造容易而倍受青睐，而且转换电路简单、直观，转换速度快，转换误差小，得到广泛应用。,1T型电阻解码网络DACT型电阻解码网络DAC如图9-8所示。,图中7个R和10个2R电阻构成T型电阻解码网络，S0S7为8个电子模拟开关，分别受输入数字量D0D7控制Di1时Si接基准电压VR，Di0时Si接地。AV为求和运算放大器，在反相输入端将各个开关支路的电流叠加起来，转换成低阻抗电压源的输出V0。Rf为外接于运算放大器的反馈电阻。,解码网络上部任一节点Pii07都是由三条支路相交，从任一节点向左、向下、向右的三条支路看过去的等效电阻都为2R，即任一节点对地的等效电阻都是2R∥2R∥2R2/3R；从任一支路Si向上看去的等效电阻都是2R2R∥2R3R；从任一支路Si流进节点Pi的电流都等分为二，向左右两路流出。当Si开关接通基准电压VR时，由Si流经2R的支路电流为VR/3R，流入节点Pi，再等分从左右两条支路流出。由上面的分析不难得到输出电流i0、输出电压v0与输入数字量的关系。输出电流i0是由各数据位Di在解码网络输出端产生的电流分量叠加而成,T型电阻网络DAC的静态转换误差主要受基准电压VR准确性的影响，模拟开关的导通压降、运算放大器的零点漂移对其也有影响。误差的大小与内部电阻比值有关，而与电阻绝对值的大小无关，而这正是集成电路工艺制造的特长每个电阻绝对值精度很难把握，但各个电阻的比值可以做得很准。T型电阻网络DAC转换的动态误差较大。这是因为各位数码变动引起的电压、电流变化到达运算放大器输入端的时间明显不同，从而在输出端可能产生明显的尖锋脉冲；各个模拟开关的断、合时间差异则加剧了尖锋脉冲的影响。为了减少并消除动态误差，可在DAC的输出端附加一个采样-保持电路，采样时间选择在过渡过程结束之后以避开尖锋脉冲。但这样既使电路复杂，又延长了转换时间。,2倒T型电阻解码网络DAC将图9-8中T型电阻解码网络接运算放大器的2R电阻去掉，再把运算放大器和基准电压的两端子对调，即得到倒T型电阻解码网络DAC电路，如图9-9所示。,网络下部每个节点Pii07有三条支路，基准电压VR产生的电流从右边支路流入，向左边和上边的两条支路流出，每条支路的等效电阻均为2R，电流每流过一个节点都均匀分流一次。无论模拟开关Sii07接1还是接0，开关Si所连接的支路电流Iii07都恒定不变接1时Ii流入∑点，经反相端和Rf流过输出端，成为i0的一部分；接0时Ii直接流入地，与i0无关。,由图可知IVR/R，I7I/2，I6I/22,IiI/28-i,I0I/28,结果与T型电阻网络DAC相同，输出的模拟量信号i0及V0都与输入的数字量成正比，实现了数字量到模拟量的转换。倒T型电阻网络DAC转换速度快，这是因为模拟开关在转换过程中流过各支路的电流不变，因此开关状态转换时没有电流的建立和消失时间。而且倒T型电阻网络中各支路的电流都流入运算放大器的输入端，相互间不存在传输时间差，因而动态特性好，尖锋脉冲小。由于这两大优点，倒T型电阻网络DAC已成为目前普遍采用的D/A转换器。DAC输出满刻度值和零值的校正，一般采用调整反馈电阻Rf和基准电压的方法。有的芯片将Rf也做进芯片中，而常在芯片外再串入一个小的可变电阻到Rf支路来进行调整。除上述类型的转换器外，还有将受输入数字量控制的n-1个模拟开关按“树”状排列有log2n层，用n个电阻R构成分压器，把分压器各个节点的电压接入运算放大器的输入端，来实现快速的D/A转换。,2.DAC基本参数,衡量DAC的性能，主要有精度、速度和分辨率三类。1精度Accuracy精度表示D/A转换的精确程度，有绝对精度和相对精度之分，一般用误差的大小表示。在DAC参数手册中，精度常以满量程即满刻度值电压VFS的百分数或以最低有效位LSB的分数形式给出，有时也用二进制位数的形式给出。精度为0.1指的是最大误差为VFS的0.1，若满刻度值VFS为5V，则最大误差为5mV。精度包括了基本参数之外的其它参数如温度系数、馈送误差、电源抑制比等对D/A转换结果的影响。精度为n位指的是最大误差为。2分辨率Resolution分辨率表示DAC对模拟信号大小的分辨能力，它是输入数字量的最低有效位LSB所对应的模拟值。分辨率确定了DAC产生的最小模拟量变化。分辨率常用二进制位数表示，n位DAC的分辨能力为满量程输出电压的1/2n。精度和分辨率是两个完全不同的概念。精度取决于转换器各个组成部分的误差和稳定性，而分辨率取决于转换器的位数。,3转换时间TS转换时间又称建立时间SettingTime，表示转换速度的快慢。它通常定义为输入数字量变为全1满刻度值时，从输入加上全1到输出模拟量达到满刻度值或满刻度值的某一百分比如99所需要的时间。按转换时间TS的长短，DAC可分为四档超高速TS≤100nS，高速100nS＜TS≤10μS，中速10μS＜TS≤100μS，低速100μS＜TS。DAC转换速度除受芯片的工艺影响外，还与电路结构有关。若输出的模拟量为电流无运算放大器，则转换时间很短；若输出的为模拟电压就须采用运算放大器，而运算放大器的响应速度普遍较慢，转化时间TS主要是运算放大器的响应时间。实际选用器件时应注意不同的手册对同一参数术语往往给出不完全相同的定义，定义相同的参数术语也常常应测试条件的不统一而有不同的结果。,9.2.3DAC集成芯片,1.数模转换器DAC分类DAC集成芯片种类繁多，各有特色。按照数字量的输入方式分，有并行输入DAC、串行输入DAC和串/并输入DAC。并行输入的DAC应用普遍，其它的也不少见，串行输入的DAC如AD7543等，串/并输入的DAC如AD7522等。并行输入DAC的速度相对较快。按照输入数字量的字长分，有8位DAC，如DAC0832、AD1408、AD558/559等；10位DAC，如AD561、ADDAC-100等；12位DAC，如DAC1210/1209/1208/1232、AD562/563、AD7520/7521等；16位DAC，如DAC1136/1137、DAC71/72等。输入的位数不同，输出的微分阶梯粗细不同，分辨率不同。按照模拟开关的工艺技术分，有双极型、JFET型、MOS型；它们的速度和精度不同，前者快，后者慢。按照片内输入接口部分的电路分无输入缓冲器的DAC，如AD1408；有单级输入缓冲器的DAC，如AD7524、AD558等；有两级输入缓冲器的DAC，如DAC0832、AD7528、DAC1210等。按照输出模拟量的形态分，有电流输出和电压输出，电流输出的速度快。按照DAC的用途分，有通用DAC芯片，如8位的AD1408/1409，10位的AD561、12位的AD565A/566A等；有与微处理器总线兼容的DAC，如8位的AD558、AD7224、DAC0832等，12位的AD567、AD7541/7542/7545等；有专用DAC，如视频显示用的AD9768等。,DAC集成芯片由大规模集成电路技术LSI实现，生产的公司不少，尤其是美国AD模拟器件公司生产的DAC芯片，就有几十个系列、几百种型号。为了满足实际应用之需，有的芯片中还集成了基本电路之外的特殊功能电路，使其具有更高的性能。虽然DAC种类繁多，但转换原理不外乎前面所述，基本功能和使用方法是相同的。,2.DAC0832,DAC0832是8位CMOS芯片，采用R-2R的T型电阻解码网络，转换结果以一对差分电流I01和I02输出。,1主要性能参数n分辨率8位n转换时间1μSn满刻度误差1LSBn单电源5V15Vn基准电压10V-10Vn输入数据电平TTL,2结构框图内部结构如图9-10所示。,DAC0832由两个寄存器、一个转换器、三个与门和一个反馈电阻等组成。,八位输入寄存器锁存输入的八位数据，由锁存允许信号下跳沿控制锁存，当片选信号和写信号1同为“0”，与门2输出“1”，若输入锁存允许信号ILE为“1”，则为“1”，输入寄存器的Q端跟随输入端D变化，、和ILE三个控制信号任一个变为无效，则变低，该时刻的输入数据立即被锁存。,八位D/A转换器对DAC寄存器的输出进行转换，输出与被转换的数字量成正比的模拟电流。其中I01是为“1”的各位的权电流汇集输出，当DAC寄存器各位为“1”时I01最大，各位全为“0”时I01为0，I02是为“0”的各位的权电流汇集输出，DAC寄存器为全“0”时I02最大，各位全为“1”时I02为0。I01I02为常数恒定不变。,3DAC0832引脚DAC0832有20根引脚，如图9-11所示。DI7DI0数字量，输入，可直接与系统数据总线相连片选信号，输入，低电平有效，接地址译码器的输出,ILE输入锁存允许信号，输入，控制对输入数字信号的锁存,、写控制信号1和2，输入，接法随芯片的工作方式而异见下述传送控制信号，输入，低电平有效,Rfb反馈电阻连接端。芯片内部在端口和I01输出端之间已经接有一个15KΩ的反馈电阻。可将此端和运算放大器OA输出端直接相连，也可串接一个校准电阻约1KΩ左右，用于满度增益校正。I01、I02转换后模拟电流输出端，I01I02常数。VR基准电压输入端，可在-10V10V范围内选择。此电压越稳定模拟输出精度越高。AGND、DGND模拟地、数字地。为防止信号串扰，系统的模拟地应汇接于一点，系统的数字地亦应汇接于一点；这两个地供使用时外接；系统中这两个地再汇总于一点。VCC电源电压，可在5V15V之间选择。,4工作方式DAC0832芯片内有两级八位缓冲寄存器，可控制转换器工作在三种不同的方式下。直通方式ILE控制端为高电平，而、和、同为低电平，八位输入寄存器和DAC寄存器都处于输出端Q跟随输入端D变化的状态，输入数据经过两个寄存器直通送到D/A转换器进行转换，此方式下DAC0832不能直接和CPU数据总线相连因为CPU数据总线上的数据变化太快，DAC0832的转换时间远大于一个CPU总线周期，只能连接缓慢变化的数字信号，故用得很少。,n缓冲方式两级缓冲寄存器中只有一级处于直通状态，另一级处于锁存状态，DAC0832就工作在单缓冲方式，一般将、两引脚固定接地，使第二级DAC寄存器处于直通状态。单缓冲方式下只要一将数据写入DAC芯片，就立即进行D/A转换，与双缓冲方式相比可省去一条输出指令。除非要求多个模拟输出通道同时更新输出，在多数应用场合常采用这种单缓冲工作方式。n双缓冲方式两级寄存器都处于数据锁存状态。需要对两个寄存器设置不同的地址端口，进行两次写操作。为此需将地址译码器的两个译码输出信号分别接到端和端，而和则可一起接到系统的输入/输出写信号控制端。双缓冲方式使多个模拟输出通道同时进行D/A转换成为可能分别将数据写入各通道DAC芯片的输入寄存器，然后用一个写命令同时将各芯片的输入寄存器内数据写到各自芯片的DAC寄存器，同时进行D/A转换。适合要求多个模拟输出通道同时刷新输出的场合。双缓冲方式中，由于接收数据和启动转换可异步进行，因此在D/A转换的同时可进行下一个数据的接收，从而提高了模拟输出通道的转换速度。,5输出模拟量和极性n模拟电流输出DAC0832转换输出的是模拟电流I01与I02，I01与I02之和为常数。n单极性电压输出要得到模拟电压输出，须加一级运算放大器，如图9-12所示。,●双极性电压输出要输出双极性电压，可对单极性电压输出的运算放大器加一个偏移电路，使之抵消半个单极性满量程电流。加偏移电路有两种方法，用得较多的是加一级运算放大器作为偏移电路，如图9-13所示。,图中，作为偏移电路的运算放大器OA2是个反相比例求和电路，对OA1的输出电压V0’的两倍与参考电压VR求和，即,若VR为正，当输入数字量N128时，输出模拟电压为正，V00；N128时，输出模拟电压为零，V00；N128时，输出模拟电压为负，V00。表9-2给出了典型的NV0的对应关系包含单极性输出，供对比。,分析表9-2可知，DAC经两级运算放大器接成双极性电压输出的形式后，输入数码的最高位实际成为符号位，当VR为正时，最高位“1”表示正，“0”表示负，数值尾数只有7位。通常把对应于双极性模拟输出电压的输入数码称为偏移码。,偏移码与补码、反码、原码都属于双极性码，偏移码的符号与后三种码的符号正好相反，而数值与补码的数值尾数完全相同。由于偏移码与补码仅仅是符号位相反，所以把补码表示的数据的符号位经反相后和尾数一起加到偏移码双极性DAC输入端，即可实现对补码的D/A转换。加偏移电路的另一种方法是在图9-12中的运算放大器的求和点接入一个偏移电阻RB到偏移电源VB来实现，如图9-14所示。,偏移电源VB经偏移电阻RB接到求和点，同样可使单极性满量程输出电流偏移一半，从而得到偏移码的双极性输出。为保证转换精度，偏移电源电压VB必须要和DAC芯片的基准电压VREF数值相等、极性相反，并和VREF一样精确稳定。偏移电阻RB必须等于片内T型电阻解码网络的电阻值，以保证输入数码最高位为“1”而其余位全为“0”时输出的模拟电压V0为0，通常RB采用可调电阻串接固定电阻，改变可调电阻进行调零校正。,3.DAC1210,1内部结构DAC1210是12位芯片，基本结构与DAC0832相似，也有两级缓冲寄存器，如图9-15所示。,为了便于同已经广泛应用的八位微处理器接口，片内的第一级寄存器分为两个8位输入寄存器和4位输入寄存器，这样可用8位数据总线分两次将12位数据分别写入。因此DAC1210片内有两级共三个寄存器，需要三组控制信号分别对三个寄存器的锁存允许端进行控制。,2引脚信号,DAC1210引脚有24根，和DAC0832相比，输入数据线增加了4根DI8DI11，ILE输入锁存允许改为B1/，是写字节1和写字节2的控制信号，B1/1时写入8位输入寄存器（也同时写入4位寄存器），B1/0时只写入4位输入寄存器。单电源电压VCC可接5V15V，基准电压VR最大为25V。DAC1210功耗低25mW，输入信号电平与TTL兼容，输出电流建立时间为1μS。,3使用说明,◆因为输入数码要分两次送入片内，因此DAC1210必须工作在双缓冲方式。如果工作在单缓冲方式，只能使12位的DAC寄存器为直通方式，这种场合芯片将有短时间二次输入之间的不确定输入量转换，导致输出紊乱。◆4位寄存器的端只受、控制，每次写入都使4位寄存器内容更新，而8位寄存器的写入与否还受B1/端控制，因此8位微机分两次写入12位数据的顺序必定先写高8位数据到8位输入寄存器，后写低4位数据到4位输入寄存器，,9.2.4DAC通道接口与应用,应根据系统的性能要求和DAC电路结构、应用特点来选择模拟控制通道D/A转换器接口电路，做到接口方便，外围电路简单。接口有两种基本形式。1.DAC芯片直接与系统总线相连,当DAC片内有缓冲寄存器并且缓冲寄存器和D/A转换器位数不大于主机系统数据总线宽度时，一般采用这种方式，这样接口最简单，只需用地址译码器等简单电路提供片内输入寄存器的端口选通信号即可。图9-16所示的DAC0832与微处理器的接口就是这种类型。,2.I/O接口锁存数据后连接,若DAC芯片内没有锁存数据的寄存器，则芯片不能直接与总线相连接，而必须用I/O接口电路锁存CPU输出的数据。因为CPU执行OUT指令向DAC端口输出数据时，数据在总线上的保持时间约为12个时钟周期，而DAC从接收数据量输入到完成转换输出模拟量所需要的时间远大于这个保持时间，更何况输出的模拟量还需要维持一段时间以供测控。,当DAC芯片内有锁存数据的寄存器，但D/A转换的位数多于系统数据总线的位数时，一个待转换的数据需分两次送入DAC中，第一次送入后第二次输入前，输入的数据量不完整而使输出不确定，只有第二次OUT指令后DAC才能得到完整的输入数据从而进行正确的D/A转换。为避免这种不确定输出的出现，必须采用两级缓冲寄存。,1片内无缓存的m位DAC与n位m≤n微处理器的接口接口电路如图9-17所示。这种接口电路较简单，只使用一个m位输入寄存器锁存器即可。,2DAC转换位数多于系统数据总线位数的的接口,该接口须采用两级缓冲寄存器，具体接口方法有两种，如图9-18所示。,图a每级两个锁存器，CPU分两次将输入数据分别送到第一级的两个锁存器，再将第一级两个锁存器中数据一次性送到第二级的两个锁存器，然后立即进行转换。因此需要三个端口地址译码信号来控制。若DAC片内有输入缓冲寄存器，可代替图中第二级两个锁存器。,也可如图b那样，低8位经两级缓冲，另外4位经一级缓冲。图b先写入低8位到第一级锁存器，再写入高4位到4位锁存器，同时将低8位从第一级写入第二级，使12位并行送入DAC进行D/A转换。,3.参考电源配置,若DAC芯片内无参考电压源，则需外接。外接参考电压源电路有多种形式，图9-19为常见的两种。,图a参考电压源由温度补偿的齐纳二极管构成。这种稳压二极管由两个具有正负温度系数的二极管背对背串接而成，具有负温度系数的正向导通二极管和与具有正温度系数反向导通的稳压二极管互相补偿，使温度系数接近于零约为5ppm/℃，稳压值一般在5.5V6.5V之间，如国产的2DW2322DW7C型温度补偿稳压二极管。这种齐纳二极管工作在齐纳击穿区，内部噪音较大。,图b是现在常用的一种能隙恒压源，能隙恒压源采用集成电路，工作在正常线性区域，内部噪音小，稳压精确，输出电压低，一般为1.25V2.5V，而输入电压为5V15V，温度系数为20ppm/℃，典型产品有MC1403等。,4.DAC的编程应用,DAC电路的输出一般用于控制，作为一种简单应用，可用软件改变、控制DAC输入端数字量的大小和时间，使其产生各种波形输出，构成一个程序控制的函数波形发生器。下面以图9-16为例，介绍如何通过编程使DAC0832输出各种波形假定图中译码地址为PORTDAC。1矩形波发生器在输入端连续若干次如255次送0，再连续若干/相同次数送0FFH，循环往复，输出端就出现了高低电平交替的矩形波/方波。┆MOVDX,PORTDACSQUMOVCX,0FFHXORAL,ALDA0OUTDX,ALLOOPDA0MOVCX,0FFHMOVAL,0FFHDA1OUTDX,ALLOOPDA1JMPSQU┆,4.DAC的编程应用（续）,2三角波发生器DAC数字量输入从0开始，逐次加1，连续输入若干次，如255次，再逐次减1，连续输入相同次数，循环重复，DAC输出端即出现三角波波形。┆MOVDX,PORTDACTRIMOVCX,0FFHMOVAL,0TRUPOUTDX,ALINCALLOOPTRUPMOVCX,0FFHTRDWDECALOUTDX,ALLOOPTRDWJUMTRI┆,4.DAC的编程应用（续）,3锯齿波发生器DAC数字量输入从0开始，逐次加1，不断循环，输出端即得到锯齿波。逐次加1产生锯齿波的斜边，加到最大值0FFH后再加1时，输入的八位数字量又回到0，产生锯齿波的垂直跳变。从0开始，逐次减1，不断循环输入，能产生斜率为负的锯齿波。┆MOVDX,PORTDACMOVAL,0SAWOUTDX,ALINCALJMPSAW┆,9.3数据采集通道接口,数据采集通道的核心是对传感器获得的模拟量进行模数转换即A/D转换。A/D转换一般分四步进行采样→保持→量化→编码，前两步在采样-保持电路中完成，后两步在ADC电路中实现。在数据采集通道中，通常用“多到一”的转换开关来分时切换各路信号源，共用一个A/D转换电路对多个模拟信号源进行采样并转换。9.3.1多路转换开关多路转换开关常用于模拟信号回路切换，称多路或多通道模拟开关。用多路开关切换1.多路开关种类检测通道常用的多路开关主要有机械触点式和模拟集成式两种。机械触点开关主要有干簧继电器、水银继电器、机械振子继电器等。它们的共同特点是断开电阻大、导通电阻小，输入电压电流容量大，动态范围宽，寿命长；缺