【文章內(nèi)容簡介】 刷新狀態(tài)，根據(jù)需要上下傳信息。 MSCIS 接口系統(tǒng)采用開放式結(jié)構(gòu)，不但系統(tǒng)增減十分容易，而且任何鏈路和任何機(jī)箱都可以隨時從系統(tǒng)中摘除，這對于故障檢測和系統(tǒng)維護(hù)是十分方便的。 模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式 [12][19] 模擬量輸出通道的任務(wù)是把微型機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬量。它主要由數(shù)模（ D/A）轉(zhuǎn)換器和輸出保持器組成。在許 多場合要求具有多路模擬量輸出通道，多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式主要取決于輸出保持器的結(jié)構(gòu)形式。輸出保持器的作用主要是在新的控制信號到來前，使本次控制信號不變，保持器一般有數(shù)字保持方案和模擬保持方案兩種，這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 一、一個通道設(shè)置一個 D/A 轉(zhuǎn)換器 圖 為這種形式的結(jié)構(gòu)圖。在這種形式中， CPU 和通道之間通過獨立的接口緩沖器傳達(dá)信息，因此這是數(shù)字保持的方案。它的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠，每條輸出通路相互獨立，不會由于某一路 D/A 轉(zhuǎn)換故障而影響其它通路的工作。但使用了較多 的 D/A 轉(zhuǎn)換器，因而成本較高，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，成本將不成問題。 通路 1 通路 n 圖 一個通道設(shè)置一個 D/A 轉(zhuǎn)換器 二、多個通道共用一個 D/A 轉(zhuǎn)換器 這種形式的原理圖如圖 。因為共用一個數(shù) /模轉(zhuǎn)換器，故它必須在 CPU 控制下分 時工作。即依次把 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓（或電流） ,通過多路模擬開關(guān)傳送給輸出采樣保持器，這種結(jié)構(gòu)節(jié)省了 D/A 轉(zhuǎn)換器，但因為分時工作，只適用于通道數(shù)量多且速率要求不高的場合。由于需要多路轉(zhuǎn)換器，且要求輸出采樣保持的保持時間與采樣時間之比必要大，因而其可靠性需要從硬軟件兩方面認(rèn)真解決。 通道 1 通道 n 圖 多通道共用一個 D/A 轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) 接口 D/A D/A 單 片 機(jī) 接 口 D/A 多 路 開 關(guān) 采樣保持器 采樣保持器 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 13 D/A 轉(zhuǎn)換器原理 [12][21] D/A 轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的裝置，其轉(zhuǎn)換方式有并行轉(zhuǎn)換和串行轉(zhuǎn)換兩種。并行轉(zhuǎn)換是把轉(zhuǎn)換的各位數(shù)字代碼同時送到轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的輸入端，轉(zhuǎn)換速度快。串行轉(zhuǎn)換速度慢，但適用于遠(yuǎn)距離信號傳輸。 D/A 轉(zhuǎn)換器型號很多，但都包括 R2R 電阻加權(quán)網(wǎng)絡(luò)（ T 型網(wǎng)絡(luò)）、 MOS或 TTL 型的電流開關(guān)、基準(zhǔn)電源和運算放大器四部分，如圖 所示。 R R R Rf ?? U0 + 2R 2R ?? 2R 2R K Kn2 Kn1 UR 002a 222?? nna 112?? nna 圖 T 型網(wǎng)絡(luò)組成的 D/A 轉(zhuǎn)換器 R2R 式 T 型網(wǎng)絡(luò)只用兩種數(shù)值的電阻 R 和 2R 組成，該電路的特點是，任何一個節(jié)點的 3 個分支，其等效電阻是相等的。如從節(jié)點 a 向左、向右、向下看，等效電阻都是 2R；從節(jié)點 a、 b 或 c 等向上看，等效電阻都是 3R。該電路為線性網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用疊加原理。根據(jù)疊加原理，可以寫出流經(jīng)負(fù)載電阻 fR 的電流 1I 的表達(dá)式： ? ?0022111 22232 aaaRUI nnnnn R ???? ???? ? 運算放大器輸出的模擬電壓為： ? ?00221110 22232 aaaRRURIU nnnnn fRf ??????? ???? ? 可見，輸出電壓 0U 與輸入的二進(jìn)制數(shù)成比例，從而實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要特性參數(shù) [23][24] 衡量一個 D/A 轉(zhuǎn)換器的性能，可以采用許多參數(shù)。生產(chǎn) D/A 轉(zhuǎn)換芯片的廠家提供了芯片的各種參數(shù)供用戶選擇，現(xiàn)就一些主要參數(shù)介紹如下： 一、 靜態(tài)參數(shù) （ 1）分辨率 分辨率即輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時，所對應(yīng)輸出模擬量（電壓或電流）的變化量。在實際使用中，表示分辨率高低更常用 的方法是采用輸入數(shù)字量的位數(shù)或最大輸入碼的個數(shù)表示。例如， 8 位二進(jìn)制 D/A 轉(zhuǎn)換器，其分辨率位 8 位。顯然，位數(shù)越多，分辨率就越高。 （ 2）精度 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與 D/A 轉(zhuǎn)換集成芯片的結(jié)構(gòu)和接口配置的電路有關(guān)。一般說來，不考慮其它 D/A 轉(zhuǎn)換誤差時， D/A 轉(zhuǎn)換器的分辨率即為其轉(zhuǎn)換精度。 在實際使用時，常將精度分為絕對精度和相對精度。絕對精度指對應(yīng)于給定的滿刻度數(shù)字量， D/A 轉(zhuǎn)換后實際輸出與理論值之間的誤差。相對精度是指滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，在整個刻度范圍內(nèi)，對應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與理論值之差。有兩種表示 方法，一種是將偏差用數(shù)字量最低有效位的位數(shù) LSB 表示，一種是用該偏差相對滿刻度的百分比表示。對于線性的 D/A轉(zhuǎn)換器，相對精度就是非線性度。 （ 3）失調(diào)誤差 失調(diào)誤差是指數(shù)字輸入全為 0 碼時，模擬輸出值與理論值之偏差。對于單極性 D/A 轉(zhuǎn)換，模擬輸出的理想值為 0V；對于雙極性 D/A 轉(zhuǎn)換，此理想值為負(fù)域滿量程。一定溫度下的失調(diào)誤差可以通過外部調(diào)整措施進(jìn)行補(bǔ)償。有些 D/A 集成芯片設(shè)計有調(diào)零端進(jìn)行調(diào)零；有些轉(zhuǎn)換器不設(shè)置專門的調(diào)零端，要求用戶采用外接校正偏置電路加到運算放大器求和端來消除。 （ 4）增益誤差 增益誤差是指實 際轉(zhuǎn)換的增益與理論增益之間的偏差值。在一定的溫度下，該誤差也可以通過外部調(diào)整措施實現(xiàn)補(bǔ)償。 （ 5）溫度系數(shù) 溫度系數(shù)是指在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)，溫度每變化 1℃，增益、零點、精度等參數(shù)的變化量。 （ 6）饋送誤差 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 15 饋送誤差是指雜散信號通過 D/A 器件內(nèi)部電路耦合到輸出端而造成的誤差。 （ 7）線性誤差 D/A 轉(zhuǎn)換的理想特征應(yīng)是線性的，但實際上存在誤差，模擬輸出偏離理想輸出的最大值稱為線性誤差。 二、 動態(tài)參數(shù) （ 1）建立時間 建立時間是描述 D/A 轉(zhuǎn)換速率快慢的一個重要參數(shù)，一般指的是輸入數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應(yīng) 數(shù)值范圍內(nèi)經(jīng)歷的時間。 （ 2）毛刺 當(dāng)數(shù) /模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量快速變化時，輸出模擬量可能出現(xiàn)的尖峰稱為毛刺。產(chǎn)生毛刺的原因主要有兩個。一個是由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的模擬開關(guān)動作時間不一致，因而在開關(guān)工作過程中，轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于接收到短時間的虛假代碼，因而在輸出端形成瞬變尖峰脈沖。另一個是由于數(shù)字信號變化速度很快，這種快速變化通過內(nèi)部電路饋送到輸出。 （ 3）轉(zhuǎn)換速率 數(shù) /模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率是指大信號工作狀態(tài)下模擬輸出電壓的最大變化率。通常以 V / s? 為單位表示。轉(zhuǎn)換速率反映了電壓型輸出的轉(zhuǎn)換器中輸出運算放大器的特性。對輸出運算放大器需要用戶外接的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速率由用戶選擇的運算放大器決定。 最后還要說明兩點： 芯片參數(shù)手冊和一些教科書可能在上述幾種參數(shù)之外還給出了一些其它參數(shù)，如失調(diào)誤差、微分線性誤差、電源抑制比（或電源敏感度）等，一般說來，那些參數(shù)所帶來的影響基本上包含在上述基本參數(shù)（特別是精度參數(shù)）中。 不同廠家對同一參數(shù)術(shù)語往往給出不完全相同的定義；不同教材給出的定義也不統(tǒng)一。作者上面介紹的是通常使用的定義。即使對于定義 相同的參數(shù)，不同廠家給出的參數(shù)值也常常是在不同規(guī)定條件下測試的結(jié)果。所以為了選用合適的器件去查閱性能說明書和參數(shù)手冊時，要多加注意。 D/A 轉(zhuǎn)換接口設(shè)計的一般性問題 模擬量輸出通道不論采用何種形式，都要取決于數(shù) /模轉(zhuǎn)換器和與 CPU的接口，在 D/A 轉(zhuǎn)換器接口設(shè)計中，主要考慮的問題是 D/A 轉(zhuǎn)換芯片的選擇、武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 數(shù)字量碼的輸入及模擬量的極性輸出、參考電壓電流源、模擬電量輸出的調(diào)整與分配等。 一、 D/A 轉(zhuǎn)換芯片的選擇原則 選擇 D/A 轉(zhuǎn)換芯片時，主要考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。在性能上必須滿足 D/A 轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求， 在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性上滿足接口方便、外圍電路簡單、價格低廉等要求。 D/A 轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)包括靜態(tài)指標(biāo)（各項精度指標(biāo)）、動態(tài)指標(biāo)（建立時間、尖峰等）、環(huán)境指標(biāo)（使用的環(huán)境溫度范圍、各種溫度系數(shù)）。這些指標(biāo)通過查閱手冊可以得到。 D/A 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用特性主要表現(xiàn)為芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配置狀態(tài)，它對接口電路設(shè)計影響很大。主要的特性有： 數(shù)字輸入特性：包括接收數(shù)碼制、數(shù)據(jù)格式及邏輯電平等。 D/A 轉(zhuǎn)換器一般只能接收二進(jìn)制數(shù)碼，當(dāng)輸入數(shù)字代碼為偏置碼或補(bǔ)碼等雙極性數(shù)碼時，應(yīng)外接適當(dāng)偏置電路才能實現(xiàn)。 D/A 轉(zhuǎn)換器一般采用 并行碼和串行碼兩種數(shù)據(jù)形式，采用的邏輯電平多為 TTL 或低壓 CMOS 電平。 數(shù)字輸出特性：指 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出電量特性（電壓還是電流），多數(shù) D/A 轉(zhuǎn)換器采用電流輸出。對于輸出特性具有電流源性質(zhì)的 D/A 轉(zhuǎn)換器，用輸出電壓允許范圍來表示由輸出電路（包括簡單電阻或運算放大器）造成輸出電壓的可變動范圍，只要輸出端電壓在輸出電壓允許范圍內(nèi)，輸出電流與輸入數(shù)字間保持正確的轉(zhuǎn)換關(guān)系，而與輸出電壓的大小無關(guān)，對于輸出特性為非電流源特性的 D/A 轉(zhuǎn)換器，無輸出電壓允許范圍指標(biāo)，電流輸出端應(yīng)保持公共端電流或虛地，否則將破壞其轉(zhuǎn) 換關(guān)系。 鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制： D/A 轉(zhuǎn)換器對輸入數(shù)字量是否具有鎖存功能，將直接影響與 CPU 的接口設(shè)計。若無鎖存功能，通過 CPU 數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)字量時，必須外加鎖存器。同時有些 D/A 轉(zhuǎn)換器對鎖存的數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換為模擬量要施加控制，即施加外部轉(zhuǎn)換控制信號才能轉(zhuǎn)換和輸出，這種 D/A 轉(zhuǎn)換器在分時控制多路 D/A 轉(zhuǎn)換器時，可實現(xiàn)多路 D/A 轉(zhuǎn)換的同步輸出。 參考源： D/A 轉(zhuǎn)換中，參考電壓源是影響輸出結(jié)果的模擬參量，它是重要的接口電路。對接口電路的工作性能、電路結(jié)構(gòu)有很大影響。使用內(nèi)部帶有參考電壓源的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片不 僅能保證有較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡化接口電路。 二、 參考電壓源的配置 目前多數(shù) D/A 轉(zhuǎn)換器不帶參考電壓源，因而設(shè)計 D/A接口電路時要配置武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 17 參考電源。目前參考電壓源主要有帶溫度補(bǔ)償?shù)凝R納二極管、能隙電壓源，由于能隙電壓源工作在正常線性區(qū)域，因而內(nèi)部噪聲小，工作穩(wěn)定性好，在制作精密參考電壓源時經(jīng)常采用。 外接參考電壓源可以采用簡單的穩(wěn)壓電路形式，也可以采用帶運算放大器的穩(wěn)壓電路，簡單穩(wěn)壓電路提供的參考電壓恒定，帶運算放大器的參考電壓源具有驅(qū)動能力強(qiáng)、負(fù)載變化對輸出參考電壓沒有影響，所以參考電壓可以調(diào)節(jié)等性能，目前已 有帶緩沖運算放大器的精密參考電源可供使用。 三、 數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的極性 目前絕大多數(shù) D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量均為電流量，需要通過一個反相輸入的運算放大器才能轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，在這種情況下，模擬輸出電壓0V 與輸入數(shù)字量 A 和參考電壓 RV 的關(guān)系為 RAVV ??0 ( A?0 1) 這是一種工作范圍為二象限的 D/A 轉(zhuǎn) 換接口，即單值數(shù)字量 A 和正負(fù)參考電壓177。 RV (模擬二象限 )，或單值模擬參考電壓 RV 和數(shù)字量 A（數(shù)字二象限）。輸出模擬電壓 0V 的極性完全取決于模擬參考電壓的極性。當(dāng)參考電壓極性不變時，只能獲得單極性的模擬電壓輸出，但如果 RV 是交流電壓參考源時，也可以實現(xiàn)數(shù)字量與交流輸出模擬電壓的 D/A 轉(zhuǎn)換。 在實時控制系統(tǒng)中，工業(yè)現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制有時要求雙極 性電壓信號，這時模擬輸出通道必須雙極性輸出。 采用偏移二進(jìn)制碼方法實現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出比較容易，而且與計算機(jī)輸出兼容，因為只需將最高位求反，就可將二進(jìn)制的補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換為偏移碼。雙極性輸出的一般原理是在單極性輸出（常常為運算放大器反相輸出）之后，再加上