第4章 模拟量与控制信号输出系统

1、 第4章模拟量与控制信号输出系统4.1概述4.2模拟量输出与接口4.3集成DAC及其应用4.4数字量输出与接口 4.1概述4.1.1输出通道的结构智能仪器的输出通道直接输出模拟量或数字量。1、模拟量输出通道：2、数字量输出通道4.1.2输出通道的特点 1.模拟量输出通道一般由数模转换器DAC、多路模拟转换器MUX、保持器等组成。分为：单通道和多通道。多通道的结构通常有2种：1) 每个通道有独自的DAC用于各个模拟量可分别刷新的快速输出通道图4-1每个通道有独自DAC的结构 1.模拟量输出通道图4-2多路通道共享DAC的结构2) 多路通道共享DAC：输出通道不太多、速度要求不太高Mux轮流接通保

2、持器，要求每个通道有足够的接通时间，保证稳定的输出。 2.数字量输出通道图4-3数字量输出通道结构一般由输出锁存器、数字光隔离电路、输出地址译码电路、输出驱动电路等组成。l 控制数据在锁存器锁存l 光耦合电路将控制信号与被控信号隔离l 输出驱动电路对输出信号进行功率放大后传递给执行装置 4.1.2输出通道的特点1)小信号（微处理器）输出，大功率（显示器、继电器、电磁开关、电动机）控制。微处理器功率受限，控制大功率设备需要增加功率放大 、驱动接口电路。功率器件（晶体管、晶阐管、固态继电器）2)D/A转换。单片机输出数字量控制模拟信号设备3)输出通道距干扰源近，干扰大。l 被控对象是电感设备，电动

3、机、继电器等，电磁干扰比较大l 被控对象使用交流电，电源干扰大。l 采用信号隔离、电源隔离、大功率开关实现过零切换。 4.2模拟量输出与接口4.2.1D/A转换器原理(不讲)4.2.2技术特性 4.2.2技术特性(1)转换准确度是指输入端加上给定的数字代码时所测得的模拟输出值与理想输出值之间的差值。(2)分辨率是指转换器的最低位对应的电压值与满度电压值之比。(3)线性度通常用非线性误差来表征转换器的线性度。实际特性曲线与理想直线的偏离程度。(4)微分非线性它表示在输入数码整个范围内，相邻各数字代码之间引起的模拟跃变值的差异。(5)稳定时间稳定时间(建立时间建立时间)这是指输入数字代码产生满度值

4、的变化时，这是指输入数字代码产生满度值的变化时，其模拟输出达到稳态值其模拟输出达到稳态值(12)LSB(最低有效位最低有效位)所需的时间。所需的时间。(6)温度系数温度系数在规定的范围内，以温度每升高1引起输出模拟电压变化的百分数定义温度系数。 4.3集成DAC及其应用4.3.1DAC的分类4.3.2单片集成DAC举例4.3.3DAC的应用 4.3.1DAC的分类表4-1几种常用的DAC芯片的技术指标输出形式分类：电流输出型电压输出型：单极性；双极性位数分类：8位，10位，12位等 4.3.2单片集成DAC举例1. 8位并行位并行DAC DAC0832NS公司(National Semicon

5、ductor Corporation)生产2. 10位串行位串行DAC MAX515MAXIM公司生产公司生产12典型D/A转换DAC0832芯片8位并行中速(建立时间1us)、电流型、低廉 引脚和逻辑结构 DAC0832与微机系统的连接 应用举例13 1. 引脚和逻辑结构 20个引脚、双列直插式8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&RFB14V cc 芯片电源电压, +5V+15VVREF 参考电压, -10V+10V RFB 反馈电阻引出端, 此端可接运算放大器输出端

6、AGND 模拟信号地DGND 数字信号地8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&8位输入寄存器RFB15DI7 DI0 数字量输入信号 其中: DI0为最低位，DI7为最高位8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&8位输入寄存器RFB168位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&

7、;8位输入寄存器RFB0011ILE 输入锁存允许信号, 高电平有效CS 片选信号, 低电平有效WR1 写信号1，低电平有效LE1当 ILE、CS、WR1同时有效时, LE=1，输入寄存器的输出随输入而变化WR1 , LE=0， 将输入数据锁存到输入寄存器17LE2XFER 转移控制信号，低电平有效WR2 写信号2，低电平有效 当XFER、WR2同时有效时, LE2=1 DAC寄存器输出随输入而变化； WR2 , LE2=0， 将输入数据锁存到DAC寄存器， 数据进入D/A转换器，开始D/A转换VREF8位DAC寄存器8位D/A转换器IOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0LEIOU

8、T1LECSWR1WR2XFERILE&8位输入寄存器RFB001188位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&8位输入寄存器IOUT1 模拟电流输出端1 当输入数字为全”1”时, 输出电流最大，约为： 全”0”时, 输出电流为0IOUT2 模拟电流输出端2 IOUT1 + I OUT2 = 常数255VREF256RFBRFB1.1.DAC0832的引脚及结构0832-80832-8位位D/AD/ACSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFRDGNDVccILEWR2

9、XFERDI4DI5DI6DI7IOUT2IOUT1DAC083208320832引脚功能引脚功能I IOUT2OUT2电流输出电流输出2 2 CSCS选片选片 WR1WR1输入写输入写DI0DI0DI7DI7数据线数据线DACDAC写写 WR2WR2I IOUT1OUT1电流输出电流输出1 1数据锁存数据锁存 ILEILE数据传送数据传送 XFERXFER 1. 8位并行DAC DAC08324-7.连接图nREFODVV2-D:输入数字量输入数字量n:位数位数图4-8DAC0832输出的锯齿波形 CLR A CLR A MOV DPTR, #3000 MOV DPTR, #3000LOOP

10、: INC ALOOP: INC A MOVX DPTR,A MOVX DPTR,A SJMP LOOP SJMP LOOP END END21 2. DAC0832与微机系统的连接1)单缓冲工作方式一个寄存器工作于直通状态，另一个工作于受控锁存器状态 2)双缓冲工作方式 两个寄存器均工作于受控锁存器状态，221)单缓冲工作方式 : 一个寄存器工作于直通状态， 一个工作于受控锁存器状态在不要求多相D/A同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高D/A的数据吞吐量。23+-Voport数 据 线地址译码PC总线IOWA0A9D0D7+5VCSDAC0832DI0DI

11、7IOUT1IOUT2RFBXFER WR2WR1ILE单缓冲工作方式 : 输入寄存器工作于受控状态DAC寄存器工作于直通状态24PC 总线I/O写时序A15A0CLKIOWT4T1T2T3TwD7D0port转换一个数据的程序段：MOV AL, data ;取数字量MOV DX, portOUT DX, ALD/A转换IOUT2DI7DI0LEIOUT1LECSWR1ILE&WR2XFER&输入寄存RFB-+VoIOWA9A0D7D0+5VPC总线port地址译码DAC寄存25port数 据 线地址译码PC总线IOWA0A9D0D7+5VXFERDAC0832DI0DI7+-

12、VoIOUT1IOUT2RFBCS WR1WR2ILE单缓冲工作方式 : 输入寄存器工作于直通状态DAC寄存器工作于受控状态26PC 总线I/O写时序A15A0CLKIOWT4T1T2T3TwD7D0port转换一个数据的程序段：MOV AL, data ;取数字量MOV DX, portOUT DX, ALIOUT2DI7DI0LECSWR1ILE&输入寄存VoD7D0+5VPC总线portWR2IOWA9A0XFERD/A转换LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址译码&27 2) 双缓冲工作方式: 两个寄存器均工作于受控锁存器状态DAC0832PC总线数 据 线WR1IOW

13、DI0DI7D0D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB WR2CS地址译码A0A9XFERVREF-5Vport1port2DGNDAGND28转换一个数据的程序段：MOV AL, data ;取数字量MOV DX，port1OUT DX, AL ;打开第一级锁存MOV DX, port2OUT DX, AL ;打开第二级锁存IOUT2DI7DI0LECSWR1ILE&输入寄存VoD7D0+5VPC总线port2WR2IOWA9A0XFERD/A转换LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址译码&port129当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。思考：相应的

14、程序如何编写？地址译码port1XFERWR2CSWR1ILE+D/A转换DI7DI0Vo1port2XFERWR2CSWR1ILE+D/A转换DI7DI0Vo2port3DAC0832DAC0832D7D0A9A0IOWPC总线+5v+5v30code SEGMENT ASSUME CS: code, DS:codedatav1 DB 11h, 12h, 13h, 14h, 15h, 16h, 17h, 18h, 19h, 1Ahdatav2 DB 21h, 22h, 23h, 24h, 25h, 26h, 27h, 28h, 29h, 2Ahstart: MOV AX, codeMOV D

15、S, AX LEA SI, data_v1LEA BX, data_v2MOV CX, 10next:MOV AL, SI ;取V1的数据OUT port1, AL ;打开第一片0832第一级锁存MOV AL, BX ;取V2的数据OUT port2, AL ;打开第二片0832第一级锁存OUT port3, AL ;打开两片0832的第二级锁存INC SIINC BXLOOP nextMOV AH, 4CHINT 21HcodeENDSENDstart编程 ：利用上图，将datav1和datav2处的两组数据， 一一对应转换成模拟量同时输出。313. 应用举例(调幅）例1 连线如图，计算当数

16、字量为0CDH时的输出Vo。DAC0832PC总线数 据 线WR1IOWDI0DI7D0D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB WR2DGNDCS地址译码A0A9XFERVREF-5Vport1port2转换一个数据的程序段：MOV AL, 0CDHMOV DX，port1OUT DX, ALMOV DX, port2OUT DX, AL32调幅分析： 当数字量为0FFH=255时， IOUT1 = Vo = - IOUT1 RFB= - FBREF256R255V256255 VREF所以： 当数字量为0CDH=205，VREF= -5V时： Vo = - = 4V256205V

17、REF数据线WR1IOWDI0DI7D0D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB WR2DGNDCS地址译码A0A9XFERVREF-5Vport1port233注意： Vo的输出与参考电压VREF、 以及输出的连接方法（同相还是反相）有关。数据线WR1IOWDI0DI7D0D7+5VILE+-VoIOUT1IOUT2RFB WR2DGNDCS地址译码A0A9XFERVREF-5Vport1port24V上例中，若VREF接的是-10V, 则 Vo = 8V -10V8V10V若VREF接的是10V, 则 Vo = -8V-8V34例2 利用上例连线图，编程输出一锯齿波。tVo4V0

18、V35调频：code SEGMENT ASSUME CS:codestart: MOV CX, 8000H ;波形个数 MOV AL, 0 ;锯齿谷值next: MOV DX, port1 ;打开第一级锁存 OUT DX, AL MOV DX, port2 ;打开第二级锁存 OUT DX, AL CALL delay ;控制锯齿波的周期 INC AL ;修改输出值 CMP AL, 0CEH ;比较是否到锯齿峰值 JNZ next ;未到跳转 MOV AL, 0 ;重置锯齿谷值 LOOP next ;输出个数未到跳转 MOV AH, 4CH ;返回DOS INT 21H；子程delay （略）c

19、ode ENDS END start Vo4V0VCDH364V0VVot实际输出的波形图tVo4V0V不是DAC0832与单片机的接口-将两级寄存器的控制信号并接在一起，相当于控制一级寄存器。89C51+5VDAC0832P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7D0D1D2D3D4D5D6D7WR1/WR2/CS/XFER/DGNDRfbVrefILEVCCI1I2VoAGND5V741P2.7 2. 10位串行DAC MAX515图4-9串行数字输入DAC芯片MAX515结构框图及引脚图a)结构框图b)引脚图图4-9串行数字输入DAC芯片MAX515结构框图及引脚图

20、a)结构框图b)引脚图串行数字输入（数字量输入端可以使用很少几个引脚，从而减小总引脚数量），接口布线串行数字输入（数字量输入端可以使用很少几个引脚，从而减小总引脚数量），接口布线简化，上用印刷电路板的面积小，适用于远距离传输简化，上用印刷电路板的面积小，适用于远距离传输CS,SCLK,DIN配合将输入数字量移入移位寄存器。配合将输入数字量移入移位寄存器。 2. 10位串行DAC MAX515图4-10串行数字输入DAC芯片MAX515工作时序图CsCs为低时，为低时，SclkSclk的上升沿将的上升沿将DINDIN的串行数据移入的串行数据移入1616位移位寄位移位寄存器，移入次序：存器，移入次

21、序：4 4个哑位（一般不用），个哑位（一般不用），1010个数据位，最个数据位，最后结尾的后结尾的2 2位位0 0CsCs跳变时，跳变时，sclksclk应保持应保持为低为低CsCs上跳时，移位寄存器中的上跳时，移位寄存器中的1010位数据传给位数据传给DACDAC寄存器，寄存器，并更新并更新DAXDAX的输出的输出 2. 10位串行DAC MAX515图4-11串行输入DAC芯片MAX515与89C51接口 4.3.3DAC的应用1. 数字可编程的电压源和电流源2. 可控增益放大器3. 波形发生器 1. 数字可编程的电压源和电流源图4-12数字可编程的电压源原理示意图nREFODVV222R

22、EFnREFOVDVV单极性输出双极性输出 2. 可控增益放大器PnPnREFIOXXRRVV212XP为程控增益的二进制码PniOXVV21A A的输出接到转换器的的输出接到转换器的1515脚并作为转换器的基准电压脚并作为转换器的基准电压转换器内部的电阻作为放大器的输入电阻，转换器内部的电阻作为放大器的输入电阻，Rf=Ri=R;Rf=Ri=R;输入电压接到输入电压接到1616脚。脚。DAC接入反馈回路接入反馈回路 3. 波形发生器图4-14进行离散的任意波形 3. 波形发生器图4-15MDAC任意波形发生器原理框图CPU将欲输出的将欲输出的波形预先从波形波形预先从波形存储表中送入存储表中送入

23、RAM数据区中数据区中通过锁存器通过锁存器2及及DAC2用数据设定输出用数据设定输出DAC1所需的参考电所需的参考电压压通过可控程频率源通过可控程频率源产生顺序地址发生产生顺序地址发生器件所需要的步进器件所需要的步进触发脉冲频率，从触发脉冲频率，从而可对而可对RAM数据区数据区循环寻址循环寻址所需的波形即可经锁存器所需的波形即可经锁存器1及及DAC1输出输出 4.4数字量输出与接口智能仪器通过开关量输出通道发出0或1两种状态的驱动信号，去接通发光二极管、控制继电器或无触点开头等的通断动作，以实现诸如声光报警、双位式阀门的开启或关闭，电动机的起动或停车等。 4.4.1光耦合器及其接口1、工作原理

24、2、接口电路4.4.2继电器及其接口1.电磁继电器原理及接口2.固态继电器原理及接口 把发光器件和光敏器件组件在一起，通过光线进行耦合，构成电-光-电的转换器件。 电信号送入光耦合器输入端的发光器件时，发光器件将电信号转换为光信号，光信号经光接收器接收，并将其还原成电信号。 输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。1.光耦合器的工作原理特点 电信号传输具有单向性等特点， 具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。 光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑

25、制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。 在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性 1)输入特性输入特性。发光二极管的伏安特性。发光二极管的伏安特性。正向死区正向死区较大（较大（0.9-1.1V），），反向击穿电压反向击穿电压很小很小(6V)。2)输出特性。输出特性。光敏晶体管。以发光二极管的光敏晶体管。以发光二极管的注入电流注入电流为参变量。为参变量。3)传输特性。传输特性。%100fcII 2.光耦合器接口电路(1)晶体管输出型光耦合器驱动接口晶体管输晶体管输出型光耦合器驱动接口晶体管输出型光耦合器的受光器是光电晶体管。

26、出型光耦合器的受光器是光电晶体管。图4-17光耦合器4N25的接口电路作用：开关管作用：开关管 2.光耦合器接口电路图4-18电流环电路较远距离的信号隔离传送，电较远距离的信号隔离传送，电源独立，可以消除地电位差的源独立，可以消除地电位差的影响；电流环对噪声不敏感影响；电流环对噪声不敏感 图4-19晶闸管输出型光耦合器驱动接口(2)晶闸管晶闸管输出型光电耦合器驱动接口晶闸管输出型光电耦合器驱动接口晶闸管输出型光耦合器的输出端是光敏晶闸管或光敏输出型光耦合器的输出端是光敏晶闸管或光敏双向晶闸管。双向晶闸管。工作原理工作原理晶闸管晶闸管T在工作过程中，它的在工作过程中，它的阳极（阳极（A）和阴极（

27、）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的的门极门极G与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路控制电路 .晶闸管的工作条件晶闸管的工作条件 1.晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态种电压，晶闸管都处于反向阻断状态 2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态正向导通状态 3.晶闸管在导

28、通情况下，只要有一定的正向阳极晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用用 4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断）减小到接近于零时，晶闸管关断 双向可控硅 双向可控硅三个电极分别是双向可控硅三个电极分别是T1、T2、G。因该器。因该器件可以双向导通，故除门极件可以双向导通，故除门极G以外的两个电极统以外的两个电极统称为主端子，用称为主端子，用T1、T2

29、。表示，不再划分成阳极。表示，不再划分成阳极或阴极。或阴极。 其特点是，当其特点是，当G极和极和T2极相对于极相对于T1的电压均为正的电压均为正时，时，T2是是阳极阳极，T1是是阴极阴极。反之，当。反之，当G极和极和T2极极相对于相对于T1的电压均为负时，的电压均为负时，T1变成阳极，变成阳极，T2为阴为阴极。双向可控硅由于正、反向特性曲线具有对称极。双向可控硅由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通性，所以它可在任何一个方向导通 4.4.2继电器及其接口 1.电磁继电器原理及接口(1)电磁继电器工作原理图4-20继电器工作原理图控制电流流过线圈时，产生磁场，带动触点动作 1

30、.电磁继电器原理及接口图4-22直流继电器接口继电器动作，对电源有干扰，光耦隔离（超小不用）继电器动作，对电源有干扰，光耦隔离（超小不用）直流电磁式继电器一般用功率集成接口电路或晶体管驱动直流电磁式继电器一般用功率集成接口电路或晶体管驱动P1低，吸合；高，释放。低，吸合；高，释放。9013：晶体管驱动。：晶体管驱动。300mA驱动电流。驱动电流。TIL117：电流传输比最小为：电流传输比最小为50%二极管作用保护二极管作用保护VT。（线圈感应上负下正的电压）。（线圈感应上负下正的电压） 2.固态继电器原理及接口(1)固态继电器的原理固态继电器(SSR)是一种无触点通断功率型电子开关。施加施发信

31、号，其主回路导通；无信号时，阻断l光耦隔离电路光耦隔离电路:在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离；在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离；l控制触发电路控制触发电路是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通；通；l电子开关电路电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源；用来接通或关断直流或交流负载电源；l吸收保护电路吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，一般由作或损害，一般由RC串联网络和压敏电阻组成；串联网络和压敏电阻组成；l零压检测电路零压检测电路用于控制开关开通时刻消除射频干扰用于控制开关开通时刻消除射频干扰4端组件端组件5个部分个部分 2.固态继电器原理及接口图4-24SSR输入输出的关系波形a)直流型b)交流过零型c)交流非过零型(2)固态继电器的接口电路根据负载端所加电压的不同，SSR可分为直流型（内部开关元件为功率晶体官）和交流型两种，交流型：交流型：SSR按控制触发方式不同按控制触发方式不同又可分为过零型又可分为过零型（加入控制信号后，交流电压过零