第4章 模擬量與控制信號(hào)輸出系統(tǒng)

第4章模擬量與控制信號(hào)輸出系統(tǒng)4.1概述

4.2模擬量輸出與接口

4.3集成DAC及其應(yīng)用

4.4數(shù)字量輸出與接口

4.1概述4.1.1輸出通道的結(jié)構(gòu)智能儀器的輸出通道直接輸出模擬量或數(shù)字量。1、模擬量輸出通道：2、數(shù)字量輸出通道

4.1.2輸出通道的特點(diǎn)

1.模擬量輸出通道一般由數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、多路模擬轉(zhuǎn)換器MUX、保持器等組成。分為：?jiǎn)瓮ǖ篮投嗤ǖ?。多通道的結(jié)構(gòu)通常有2種：每個(gè)通道有獨(dú)自的DAC用于各個(gè)模擬量可分別刷新的快速輸出通道

圖4-1每個(gè)通道有獨(dú)自DAC的結(jié)構(gòu)

1.模擬量輸出通道圖4-2多路通道共享DAC的結(jié)構(gòu)2)多路通道共享DAC：輸出通道不太多、速度要求不太高M(jìn)ux輪流接通保持器，要求每個(gè)通道有足夠的接通時(shí)間，保證穩(wěn)定的輸出。

2.數(shù)字量輸出通道圖4-3數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)一般由輸出鎖存器、數(shù)字光隔離電路、輸出地址譯碼電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路等組成?？刂茢?shù)據(jù)在鎖存器鎖存光耦合電路將控制信號(hào)與被控信號(hào)隔離輸出驅(qū)動(dòng)電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大后傳遞給執(zhí)行裝置

4.1.2輸出通道的特點(diǎn)1)小信號(hào)（微處理器）輸出，大功率（顯示器、繼電器、電磁開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)）控制。微處理器功率受限，控制大功率設(shè)備需要增加功率放大、驅(qū)動(dòng)接口電路。功率器件（晶體管、晶闡管、固態(tài)繼電器）

2)D/A轉(zhuǎn)換。單片機(jī)輸出數(shù)字量控制模擬信號(hào)設(shè)備

3)輸出通道距干擾源近，干擾大。被控對(duì)象是電感設(shè)備，電動(dòng)機(jī)、繼電器等，電磁干擾比較大被控對(duì)象使用交流電，電源干擾大。采用信號(hào)隔離、電源隔離、大功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)零切換。

4.2模擬量輸出與接口4.2.1D/A轉(zhuǎn)換器原理(不講)

4.2.2技術(shù)特性

4.2.2技術(shù)特性(1)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度是指輸入端加上給定的數(shù)字代碼時(shí)所測(cè)得的模擬輸出值與理想輸出值之間的差值。(2)分辨率是指轉(zhuǎn)換器的最低位對(duì)應(yīng)的電壓值與滿度電壓值之比。(3)線性度通常用非線性誤差來(lái)表征轉(zhuǎn)換器的線性度。實(shí)際特性曲線與理想直線的偏離程度。(4)微分非線性它表示在輸入數(shù)碼整個(gè)范圍內(nèi)，相鄰各數(shù)字代碼之間引起的模擬躍變值的差異。(5)穩(wěn)定時(shí)間(建立時(shí)間)這是指輸入數(shù)字代碼產(chǎn)生滿度值的變化時(shí)，其模擬輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值±(1／2)LSB(最低有效位)所需的時(shí)間。(6)溫度系數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)，以溫度每升高1℃引起輸出模擬電壓變化的百分?jǐn)?shù)定義溫度系數(shù)。

4.3集成DAC及其應(yīng)用4.3.1DAC的分類

4.3.2單片集成DAC舉例

4.3.3DAC的應(yīng)用

4.3.1DAC的分類表4-1幾種常用的DAC芯片的技術(shù)指標(biāo)輸出形式分類：電流輸出型電壓輸出型：?jiǎn)螛O性；雙極性位數(shù)分類：8位，10位，12位等

4.3.2單片集成DAC舉例8位并行DACDAC0832NS公司(NationalSemiconductorCorporation)生產(chǎn)

2.10位串行DACMAX515MAXIM公司生產(chǎn)12典型D/A轉(zhuǎn)換DAC0832芯片8位并行、中速(建立時(shí)間1us)、電流型、低廉(10~20元)①

引腳和邏輯結(jié)構(gòu)②

DAC0832與微機(jī)系統(tǒng)的連接③應(yīng)用舉例13

1.引腳和邏輯結(jié)構(gòu)20個(gè)引腳、雙列直插式8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFB14Vcc

芯片電源電壓,+5V～+15VVREF

參考電壓,-10V～+10V

RFB

反饋電阻引出端,此端可接運(yùn)算放大器輸出端AGND

模擬信號(hào)地DGND

數(shù)字信號(hào)地8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFB15DI7~DI0數(shù)字量輸入信號(hào)其中:DI0為最低位，DI7為最高位8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFB168位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFB0011ILE

輸入鎖存允許信號(hào),高電平有效CS

片選信號(hào),低電平有效WR1

寫(xiě)信號(hào)1，低電平有效LE1當(dāng)ILE、CS、WR1同時(shí)有效時(shí),LE=1，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化WR1,LE=0，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器17LE2XFER

轉(zhuǎn)移控制信號(hào)，低電平有效WR2

寫(xiě)信號(hào)2，低電平有效

當(dāng)XFER、WR2同時(shí)有效時(shí),LE2=1DAC寄存器輸出隨輸入而變化；

WR2,LE2=0，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，數(shù)據(jù)進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，開(kāi)始D/A轉(zhuǎn)換VREF8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器IOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器RFB001188位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&&&8位輸入寄存器IOUT1

模擬電流輸出端1

當(dāng)輸入數(shù)字為全”1”時(shí),

輸出電流最大，約為：全”0”時(shí),輸出電流為0IOUT2

模擬電流輸出端2IOUT1+IOUT2=常數(shù)255VREF256RFBRFB1.DAC0832的引腳及結(jié)構(gòu)0832----8位D/ACSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFRDGNDVccILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT2IOUT1DAC08320832引腳功能IOUT2電流輸出2

CS選片

WR1輸入寫(xiě)DI0~DI7數(shù)據(jù)線DAC寫(xiě)

WR2IOUT1電流輸出1數(shù)據(jù)鎖存

ILE數(shù)據(jù)傳送

XFER

1.8位并行DACDAC08324-7.連接圖D:輸入數(shù)字量n:位數(shù)圖4-8DAC0832輸出的鋸齒波形CLRAMOVDPTR,#3000LOOP:INCAMOVX@DPTR,ASJMPLOOPEND21

2.DAC0832與微機(jī)系統(tǒng)的連接1)單緩沖工作方式一個(gè)寄存器工作于直通狀態(tài)，另一個(gè)工作于受控鎖存器狀態(tài)

2)雙緩沖工作方式兩個(gè)寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)，221)單緩沖工作方式

:

一個(gè)寄存器工作于直通狀態(tài)，

一個(gè)工作于受控鎖存器狀態(tài)在不要求多相D/A同時(shí)輸出時(shí)，可以采用單緩沖方式，此時(shí)只需一次寫(xiě)操作，就開(kāi)始轉(zhuǎn)換，可以提高D/A的數(shù)據(jù)吞吐量。23+-Voport數(shù)據(jù)線地址譯碼PC總線IOWA0~A9D0~D7+5VCSDAC0832DI0~DI7IOUT1IOUT2RFBXFER

WR2WR1ILE單緩沖工作方式

:

輸入寄存器工作于受控狀態(tài)DAC寄存器工作于直通狀態(tài)24PC總線I/O寫(xiě)時(shí)序A15~A0CLKIOWT4T1T2T3TwD7~D0port轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data;取數(shù)字量MOVDX,portOUTDX,ALD/A轉(zhuǎn)換IOUT2DI7~DI0LEIOUT1LECSWR1ILE&WR2XFER&輸入寄存RFB-+VoIOWA9~A0D7~D0+5VPC總線port地址譯碼DAC寄存25port數(shù)據(jù)線地址譯碼PC總線IOWA0~A9D0~D7+5VXFERDAC0832DI0~DI7+-VoIOUT1IOUT2RFBCS

WR1WR2ILE單緩沖工作方式

:

輸入寄存器工作于直通狀態(tài)DAC寄存器工作于受控狀態(tài)26PC總線I/O寫(xiě)時(shí)序A15~A0CLKIOWT4T1T2T3TwD7~D0port轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data;取數(shù)字量MOVDX,portOUTDX,ALIOUT2DI7~DI0LECSWR1ILE&輸入寄存VoD7~D0+5VPC總線portWR2IOWA9~A0XFERD/A轉(zhuǎn)換LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址譯碼&27

2)

雙緩沖工作方式:兩個(gè)寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)DAC0832PC總線數(shù)據(jù)線WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2CS地址譯碼A0~A9XFERVREF-5Vport1port2DGNDAGND28轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,data;取數(shù)字量MOVDX，port1OUTDX,AL;打開(kāi)第一級(jí)鎖存MOVDX,port2OUTDX,AL;打開(kāi)第二級(jí)鎖存IOUT2DI7~DI0LECSWR1ILE&輸入寄存VoD7~D0+5VPC總線port2WR2IOWA9~A0XFERD/A轉(zhuǎn)換LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址譯碼&port129當(dāng)要求多個(gè)模擬量同時(shí)輸出時(shí)，可采用雙重緩沖方式。思考：相應(yīng)的程序如何編寫(xiě)？地址譯碼port1XFERWR2CSWR1ILE+D/A轉(zhuǎn)換DI7~DI0Vo1port2XFERWR2CSWR1ILE+D/A轉(zhuǎn)換DI7~DI0Vo2port3DAC0832DAC0832D7~D0A9~A0IOWPC總線+5v+5v30code

SEGMENTASSUMECS:code,DS:codedatav1DB11h,12h,13h,14h,15h,16h,17h,18h,19h,1Ahdatav2DB21h,22h,23h,24h,25h,26h,27h,28h,29h,2Ahstart:MOVAX,code MOVDS,AXLEASI,data_v1 LEABX,data_v2 MOVCX,10next: MOVAL,[SI];取V1的數(shù)據(jù)

OUTport1,AL

;打開(kāi)第一片0832第一級(jí)鎖存

MOVAL,[BX];取V2的數(shù)據(jù)

OUTport2,AL;打開(kāi)第二片0832第一級(jí)鎖存

OUTport3,AL

;打開(kāi)兩片0832的第二級(jí)鎖存

INCSI INCBX LOOPnext MOVAH,4CH INT21Hcode ENDS

END

start編程：利用上圖，將datav1和datav2處的兩組數(shù)據(jù)，一一對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換成模擬量同時(shí)輸出。313.應(yīng)用舉例(調(diào)幅） 例1

連線如圖，計(jì)算當(dāng)數(shù)字量為0CDH時(shí)的輸出Vo。DAC0832PC總線數(shù)據(jù)線WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2DGNDCS地址譯碼A0~A9XFERVREF-5Vport1port2轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)據(jù)的程序段：MOVAL,0CDHMOVDX，port1OUTDX,ALMOVDX,port2OUTDX,AL32調(diào)幅分析：

當(dāng)數(shù)字量為0FFH=255時(shí)，IOUT1=Vo=-IOUT1

×RFB=-

FBREF256R255V256255VREF所以：當(dāng)數(shù)字量為0CDH=205，VREF=-5V時(shí)：

Vo=-=4V256205VREF數(shù)據(jù)線WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2DGNDCS地址譯碼A0~A9XFERVREF-5Vport1port233注意：

Vo的輸出與參考電壓VREF、以及輸出的連接方法（同相還是反相）有關(guān)。數(shù)據(jù)線WR1IOWDI0~DI7D0~D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB

WR2DGNDCS地址譯碼A0~A9XFERVREF-5Vport1port24V上例中，若VREF接的是-10V,則Vo=8V

-10V8V10V若VREF接的是10V,則Vo=-8V-8V34例2

利用上例連線圖，編程輸出一鋸齒波。tVo4V0V35調(diào)頻：codeSEGMENT

ASSUMECS:codestart:MOVCX,8000H;波形個(gè)數(shù)

MOVAL,0;鋸齒谷值next:MOVDX,port1;打開(kāi)第一級(jí)鎖存

OUTDX,ALMOVDX,port2;打開(kāi)第二級(jí)鎖存

OUTDX,AL

CALLdelay

;控制鋸齒波的周期

INCAL;修改輸出值

CMPAL,0CEH;比較是否到鋸齒峰值

JNZnext;未到跳轉(zhuǎn)

MOVAL,0;重置鋸齒谷值

LOOPnext

;輸出個(gè)數(shù)未到跳轉(zhuǎn)

MOVAH,4CH;返回DOSINT21H；子程delay（略）codeENDSENDstart

Vo4V0VCDH364V0VVot實(shí)際輸出的波形圖tVo4V0V不是DAC0832與單片機(jī)的接口----將兩級(jí)寄存器的控制信號(hào)并接在一起，相當(dāng)于控制一級(jí)寄存器。89C51+5VDAC0832P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7D0D1D2D3D4D5D6D7WR1/WR2/CS/XFER/DGNDRfbVrefILEVCCI1I2－＋VoAGND5V741P2.7

2.10位串行DACMAX515圖4-9串行數(shù)字輸入DAC芯片MAX515結(jié)構(gòu)框圖及引腳圖

a)結(jié)構(gòu)框圖b)引腳圖圖4-9串行數(shù)字輸入DAC芯片MAX515結(jié)構(gòu)框圖及引腳圖

a)結(jié)構(gòu)框圖b)引腳圖串行數(shù)字輸入（數(shù)字量輸入端可以使用很少幾個(gè)引腳，從而減小總引腳數(shù)量），接口布線簡(jiǎn)化，上用印刷電路板的面積小，適用于遠(yuǎn)距離傳輸CS,SCLK,DIN配合將輸入數(shù)字量移入移位寄存器。

2.10位串行DACMAX515圖4-10串行數(shù)字輸入DAC芯片MAX515工作時(shí)序圖Cs為低時(shí)，Sclk的上升沿將DIN的串行數(shù)據(jù)移入16位移位寄存器，移入次序：4個(gè)啞位（一般不用），10個(gè)數(shù)據(jù)位，最后結(jié)尾的2位0Cs跳變時(shí)，sclk應(yīng)保持為低Cs上跳時(shí)，移位寄存器中的10位數(shù)據(jù)傳給DAC寄存器，并更新DAX的輸出

2.10位串行DACMAX515圖4-11串行輸入DAC芯片MAX515與89C51接口

4.3.3DAC的應(yīng)用1.數(shù)字可編程的電壓源和電流源

2.可控增益放大器

3.波形發(fā)生器

1.數(shù)字可編程的電壓源和電流源圖4-12數(shù)字可編程的電壓源原理示意圖單極性輸出雙極性輸出

2.可控增益放大器XP為程控增益的二進(jìn)制碼A的輸出接到轉(zhuǎn)換器的15腳并作為轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電阻作為放大器的輸入電阻，Rf=Ri=R;輸入電壓接到16腳。DAC接入反饋回路

3.波形發(fā)生器圖4-14進(jìn)行離散的任意波形

3.波形發(fā)生器圖4-15MDAC任意波形發(fā)生器原理框圖CPU將欲輸出的波形預(yù)先從波形存儲(chǔ)表中送入RAM數(shù)據(jù)區(qū)中通過(guò)鎖存器2及DAC2用數(shù)據(jù)設(shè)定輸出DAC1所需的參考電壓通過(guò)可控程頻率源產(chǎn)生順序地址發(fā)生器件所需要的步進(jìn)觸發(fā)脈沖頻率，從而可對(duì)RAM數(shù)據(jù)區(qū)循環(huán)尋址所需的波形即可經(jīng)鎖存器1及DAC1輸出

4.4數(shù)字量輸出與接口智能儀器通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出通道發(fā)出‘0’或‘1’兩種狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，去接通發(fā)光二極管、控制繼電器或無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)頭等的通斷動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)諸如聲光報(bào)警、雙位式閥門的開(kāi)啟或關(guān)閉，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)或停車等。4.4.1光耦合器及其接口1、工作原理2、接口電路

4.4.2繼電器及其接口1.電磁繼電器原理及接口

2.固態(tài)繼電器原理及接口把發(fā)光器件和光敏器件組件在一起，通過(guò)光線進(jìn)行耦合，構(gòu)成電-光-電的轉(zhuǎn)換器件。電信號(hào)送入光耦合器輸入端的發(fā)光器件時(shí)，發(fā)光器件將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)光接收器接收，并將其還原成電信號(hào)。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。1.光耦合器的工作原理特點(diǎn)電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性

1)輸入特性。發(fā)光二極管的伏安特性。正向死區(qū)較大（0.9-1.1V），反向擊穿電壓很小(6V)。

2)輸出特性。光敏晶體管。以發(fā)光二極管的注入電流為參變量。

3)傳輸特性。

2.光耦合器接口電路(1)晶體管輸出型光耦合器驅(qū)動(dòng)接口晶體管輸出型光耦合器的受光器是光電晶體管。圖4-17光耦合器4N25的接口電路作用：開(kāi)關(guān)管

2.光耦合器接口電路圖4-18電流環(huán)電路較遠(yuǎn)距離的信號(hào)隔離傳送，電源獨(dú)立，可以消除地電位差的影響；電流環(huán)對(duì)噪聲不敏感

圖4-19晶閘管輸出型光耦合器驅(qū)動(dòng)接口(2)晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口晶閘管輸出型光耦合器的輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。工作原理晶閘管T在工作過(guò)程中，它的陽(yáng)極（A）和陰極（K）與電源和負(fù)載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路.晶閘管的工作條件1.晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)2.晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。這時(shí)晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)3.晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽(yáng)極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。門極只起觸發(fā)作用4.晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷雙向可控硅雙向可控硅三個(gè)電極分別是T1、T2、G。因該器件可以雙向?qū)?，故除門極G以外的兩個(gè)電極統(tǒng)稱為主端子，用T1、T2。表示，不再劃分成陽(yáng)極或陰極。其特點(diǎn)是，當(dāng)G極和T2極相對(duì)于T1的電壓均為正時(shí)，T2是陽(yáng)極，T1是陰極。反之，當(dāng)G極和T2極相對(duì)于T1的電壓均為負(fù)時(shí)，T1變成陽(yáng)極，T2為陰極。雙向可控硅由于正、反向特性曲線具有對(duì)稱性，所以它可在任何一個(gè)方向?qū)?/p>

4.4.2繼電器及其接口

1.電磁繼電器原理及接口(1)電磁繼電器工作原理圖4-20繼電器工作原理圖控制電流流過(guò)線圈時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，帶動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作

1.電磁繼電器原理及接口圖4-22直流繼電器接口繼電器動(dòng)作，對(duì)電源有干擾，光耦隔離（超小不用）直流電磁式繼電器一般用功率集成接口電路或晶體管驅(qū)動(dòng)P1低，吸合；高，釋放。9013：晶體管驅(qū)動(dòng)。300mA驅(qū)動(dòng)電流。TIL117：電流傳輸比最小為50%二極管作用保護(hù)VT。（線圈感應(yīng)上負(fù)下正的電壓）

2.固態(tài)繼電器原理及接口(1)固態(tài)繼電器的原理固態(tài)繼電器(SSR)是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷功率型電子開(kāi)關(guān)。施加施發(fā)信號(hào)，其主回路導(dǎo)通；無(wú)信號(hào)時(shí)，阻斷光耦隔離電路