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Ch.13 模拟量的输入输出 模拟量I/O接口的作用: 实际工业生产环境——连续变化的模拟量 例如:电压、电流、压力、温度、位移、流量 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 13.1 模拟量I/O通道的组成 模拟量输入通道 传感器(Transducer) 非电量→电压、电流 变送器(Transformer) 转换成标准的电信号 信号处理(Signal Processing) 放大、整形、滤波 多路转换开关(Multiplexer) 多选一 采样保持电路(Sample Holder,S/H) 保证变换时信号恒定不变 A/D变换器(A/D Converter) 模拟量转换为数字量 模拟量输出通道 D/A变换器(D/A Converter) 数字量转换为模拟量 低通滤波 平滑输出波形 放大驱动 提供足够的驱动电压,电流 13.2 数/模(D/A)变换器 8.2.1 D/A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 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、R-2R梯形电阻网络 基本结构如图: D/A变换原理 运放的放大倍数足够大时,输出电压Vo与输入电压Vin的关系为: 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: 令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref,则有 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 如果用8位二进制代码来控制图中的S1~S8(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(见下页),它只用两种阻值的电阻(R和2R)。 R-2R梯形电阻网络 D/A转换器的主要技术指标 分辨率(Resolution) 输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。 一般用输入数字量的位数来表示: 如8位、10位 例:一个满量程为5V的10位DAC,±1 LSB的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.004888V=4.888mV 转换精度(误差) 实际输出值与理论值之间的最大偏差。 一般用最小量化阶⊿来度量,如±1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量,如0.05% FSR LSB: Least Significant Bit FSR: Full Scale Range) 转换时间 从开始转换到与满量程值相差±1/2 LSB所对应的模拟量所需要的时间 8.2.2 典型D/A转换器 DAC0832 特性: 8位电流输出型D/A转换器 T型电阻网络 差动输出 引线图见教材p233 DAC0832内部结构 引脚功能 D7~D0:输入数据线 ILE:输入锁存允许 CS#:片选信号 用于把数据写入到输入锁存器 WR1#:写输入锁存器 WR2#:写DAC寄存器 XFER#:允许输入锁存器的数据传送到DAC寄存器 上述二个信号用于启动转换 VREF:参考电压,-10V~+10V,一般为+5V或+10V IOUT1、IOUT2:D/A转换差动电流输出,接运放的输入 Rfb:内部反馈电阻引脚,接运放输出 AGND、DGND:模拟地和数字地 工作时序 D/A转换可分为两个阶段: CS#=0、WR1#=0、ILE=1,使输入数据锁存到输入寄存器; WR2#=0、XFER#=0,数据传送到DAC寄存器,并开始转换。 工作方式 单缓冲方式 使输入锁存器或DAC寄存器二者之一处于直通。CPU只需一次写入即开始转换。控制比较简单。见教材p352图。 双缓冲方式(标准方式) 转换要有两个步骤: 将数据写入输入寄存器 CS#=0、WR1#=0、ILE=1 将输入寄存器的内容写入DAC寄存器 WR2#=0、XFER#=0 优点:数据接收与D/A转换可异步进行; 可实现多个DAC同步转换输出——分时写入、同步转换 直通方式 使内部的两个寄存器都处于直通状态。模拟输出始终跟随输入变化。 不能直接与数据总线连接,需外加并行接口(如74LS373、8255等)。 双缓冲方式——同步转换举例 双缓冲方式的程序段示例 本例中三个端口地址的用途: port1 选择0832-1的输入寄存器 port2 选择0832-2的输入寄存器 port3 选择0832-1和0832-2的DAC
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