【文章內(nèi)容簡介】 UR 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(diǎn)是，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的3個(gè)分支，其等效電阻是相等的。如從節(jié)點(diǎn)a向左、向右、向下看，等效電阻都是2R；從節(jié)點(diǎn)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)載電阻的電流的表達(dá)式：運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓為： 可見，輸出電壓與輸入的二進(jìn)制數(shù)成比例，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。 D/A轉(zhuǎn)換器的主要特性參數(shù)[23][24]衡量一個(gè)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(shí)，所對(duì)應(yīng)輸出模擬量（電壓或電流）的變化量。在實(shí)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(gè)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(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率即為其轉(zhuǎn)換精度。在實(shí)際使用時(shí)，常將精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度指對(duì)應(yīng)于給定的滿刻度數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換后實(shí)際輸出與理論值之間的誤差。相對(duì)精度是指滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)，對(duì)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(duì)滿刻度的百分比表示。對(duì)于線性的D/A轉(zhuǎn)換器，相對(duì)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(shí)，模擬輸出值與理論值之偏差。對(duì)于單極性D/A轉(zhuǎn)換，模擬輸出的理想值為0V；對(duì)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(jì)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(yùn)算放大器求和端來消除。（4）增益誤差增益誤差是指實(shí)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(shí)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(diǎn)、精度等參數(shù)的變化量。（6）饋送誤差饋送誤差是指雜散信號(hào)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(shí)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(dòng)態(tài)參數(shù)（1）建立時(shí)間建立時(shí)間是描述D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個(gè)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(shí)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(shí)，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(gè)。一個(gè)是由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的模擬開關(guān)動(dòng)作時(shí)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(shí)間的虛假代碼，因而在輸出端形成瞬變尖峰脈沖。另一個(gè)是由于數(shù)字信號(hào)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(hào)工作狀態(tài)下模擬輸出電壓的最大變化率。通常以/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(yùn)算放大器的特性。對(duì)輸出運(yùn)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(yùn)算放大器決定。最后還要說明兩點(diǎn)：芯片參數(shù)手冊(cè)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(duì)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(duì)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(cè)時(shí)，要多加注意。 D/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)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(jì)中，主要考慮的問題是D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇、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(shí)，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(jià)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(xiàng)精度指標(biāo)）、動(dòng)態(tài)指標(biāo)（建立時(shí)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(cè)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(duì)接口電路設(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)外接適當(dāng)偏置電路才能實(shí)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(duì)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(yùn)算放大器）造成輸出電壓的可變動(dòng)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(duì)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(duì)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(jì)。若無鎖存功能，通過CPU數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)字量時(shí)，必須外加鎖存器。同時(shí)有些D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)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(hào)才能轉(zhuǎn)換和輸出，這種D/A轉(zhuǎn)換器在分時(shí)控制多路D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，可實(shí)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(duì)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(jì)D/A接口電路時(shí)要配置參考電源。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(shí)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(yùn)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(yùn)算放大器的參考電壓源具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、負(fù)載變化對(duì)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(yùn)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(gè)反相輸入的運(yùn)算放大器才能轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，在這種情況下，模擬輸出電壓與輸入數(shù)字量A和參考電壓的關(guān)系為 (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。(模擬二象限)，或單值模擬參考電壓和數(shù)字量A（數(shù)字二象限）。輸出模擬電壓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(shí)，只能獲得單極性的模擬電壓輸出，但如果是交流電壓參考源時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量與交流輸出模擬電壓的D/A轉(zhuǎn)換。在實(shí)時(shí)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(shí)要求雙極性電壓信號(hào)，這時(shí)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(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出比較容易，而且與計(jì)算機(jī)輸出兼容，因?yàn)橹恍鑼⒆罡呶磺蠓矗涂蓪⒍M(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(yùn)算放大器反相輸出）之后，再加上一級(jí)運(yùn)算放大器反相輸出。 12位D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC1210DAC1210是電流輸出型，電流穩(wěn)定時(shí)間為1，參考電壓－10V +10V,工作電源＋5V－＋15V,功耗20m W,采用24引腳雙列直插式封裝的12位D/A轉(zhuǎn)換器，它由四部分組成，一個(gè)8位和一個(gè)4位的數(shù)字輸入寄存器，一個(gè)12位的DAC數(shù)字寄存器，一個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器和控制邏輯電路組成。其D/A轉(zhuǎn)換器采用的是T型R2R權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)有兩級(jí)可控制的數(shù)據(jù)緩沖寄存器。其引腳信息意義如下：CS:片選信號(hào)（低電平有效）；WR1:寫信號(hào)（低電平有效）；WR2:輔助寫信號(hào)（低電平有效），該信號(hào)與XFER相結(jié)合，當(dāng)XFER與WR2同時(shí)為低電平時(shí)，把鎖存器中數(shù)據(jù)輸入D/A寄存器。當(dāng)WR2為高電平時(shí)，D/A寄存器中的數(shù)據(jù)被鎖存起來；BYTE1/BYTE2:字節(jié)順序控制信號(hào)，該信號(hào)為高電平時(shí)，開啟高8位和低4位兩個(gè)鎖存器，將12位全部輸入鎖存器，該信號(hào)為低電平時(shí)，則開啟低4位輸入鎖存器；XFER:傳送控制信號(hào)（低電平有效）。該信號(hào)與WR2信號(hào)相結(jié)合，用將輸入鎖存器中的12位數(shù)據(jù)送至D/A寄存器； DI0DI11:12位數(shù)據(jù)輸入端，其中的高8位DI11DI4直接和單片機(jī)的DI7DI0相連，低4位DI3DI0分別和單片機(jī)的DI7DI4相連； IOUT1:D/A電流轉(zhuǎn)換輸出1，D/A寄存器全“1”時(shí)，輸出電流最大，全“0”時(shí)輸出為0； IOUT2:D/A電流轉(zhuǎn)換輸出2，并滿足IOUT1+IOUT2=常數(shù)； Rf:反饋電阻； VREF:參考電壓輸入端（－10V +10V）； VCC:電源電壓輸入端（＋5V +15V）； DGND:數(shù)字地；AGND:模擬地。 DAC1210芯片的內(nèi)部原理圖 DAC1210的工作過程如下：首先使BYTE1/BYTE2為高電平，CS和WR1為低電平，最高8位數(shù)字量（DI4DI11）輸入到8位輸入鎖存器，同時(shí)4位輸入鎖存器也將改變，但該值是無效數(shù)值，接著令BYTE1/BYTE2為低電平，CS和WR1為低電平，低4位數(shù)字量（DI0DI3）輸入到低4位輸入鎖存器，同時(shí)高8位數(shù)字量被鎖存，隨后當(dāng)CS和WR變高電平時(shí)，低四位數(shù)據(jù)也被鎖存。完成上述步驟后，令XFER和WR2同時(shí)為低電平，8位輸入鎖存器和4位輸入鎖存器的共12位數(shù)字量輸出同時(shí)輸入到12位DAC寄存器輸出端，使D/A轉(zhuǎn)換器刷新輸出，當(dāng)XFER和WR2變高電平時(shí)，數(shù)字量被鎖存在12位DAC寄存器中。 智能化多通道模擬量輸出接口卡總體設(shè)計(jì)方案模擬信號(hào)輸出接口根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的要求，在選定D/A轉(zhuǎn)換器芯片后進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要目的是達(dá)到CPU向D/A轉(zhuǎn)換器傳送數(shù)據(jù)信息，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再將D/A輸出信號(hào)變成符合驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器所要求的信號(hào)。要達(dá)到此目的，模擬輸出接口應(yīng)包括兩部分的設(shè)計(jì)，一是CPU與D/A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號(hào)傳輸接口部分的硬件、軟件設(shè)計(jì)，二是D/A轉(zhuǎn)換器與執(zhí)行器之間模擬信號(hào)傳輸接口的接口硬件設(shè)計(jì)。智能化多通道模擬量輸出卡以高性能、高速微控制器80C196KB為核心，集數(shù)據(jù)通信和數(shù)模轉(zhuǎn)換于一體來實(shí)現(xiàn)多路模擬量輸出。智能化多通道模擬量輸出卡的硬件電路主要包括：80C196KB單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、程序存儲(chǔ)器ROM、D/A轉(zhuǎn)換控制電路、16路采樣保持電路、機(jī)箱總線接口電路、邏輯譯碼電路及上電復(fù)位電路等。為實(shí)現(xiàn)對(duì)EPROM和RAM的片選，采用雙列直插20腳可編程邏輯芯片GAL16V8。EPROM 27256片選地址為：0000H7FFFH, RAM 6264片選地址為：8000H9FFFH。本板采用12位DAC1210作為數(shù)模擬轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)單、雙極性的模擬量輸出。輸出電壓范圍:單極性:0～+5V和0～+10V，雙極性:5V～+5V,10V～+10V，并且可在軟件控制下任意設(shè)定。為實(shí)現(xiàn)16路模擬量的輸出，采用共用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的形式，由兩片可編程邏輯芯片GAL16V8作為16路模擬開關(guān)在80C196KB單片機(jī)的控制下分時(shí)工作。即依次把單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)DAC1210轉(zhuǎn)換后得到模擬電流，然后由16路模擬開關(guān)將模擬電流分配到相應(yīng)通道的采樣保持器LF398，通過16路采樣保持器LF398進(jìn)行各路刷新，每路模擬量輸出通過LF356緩沖輸出，其最大負(fù)載電流可達(dá)10mA。圖 模擬量輸出卡（AO）總體框圖80C196系列單片機(jī)D/A多路開 關(guān)采樣/保 持緩沖輸出模擬量輸出濾波44芯輸出插頭譯碼器譯碼器并行通訊接口工作指示燈機(jī)箱內(nèi)部總線ROMRAM模擬量輸出本板帶有內(nèi)部數(shù)據(jù)總線接口，可直接插入接口機(jī)箱槽中工作，本板通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線讀取PC傳送來的數(shù)據(jù)（通過機(jī)箱控制卡），PC經(jīng)串行通信至機(jī)箱控制卡內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，可設(shè)定各通道的輸出屬性（單/雙極性，輸出量程）。為了便于了解單片機(jī)的工作狀態(tài)，，使LED閃爍，指示卡上單片機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)紅燈亮?xí)r，上位機(jī)正在給本卡傳輸轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和各個(gè)通道的屬性字；當(dāng)綠燈亮?xí)r，表示本卡與上位機(jī)通信結(jié)束，執(zhí)行主程序初始化各參數(shù)，進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換并等待上位機(jī)下傳數(shù)據(jù)和各個(gè)通道的屬性字。因此，雙色發(fā)光二極管的閃爍，有利于開發(fā)人員對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行分析和仿真調(diào)試。第3章 智能化模擬量輸出卡硬軟件設(shè)計(jì)技術(shù) CPU的選型[1][3]CPU的選型是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先遇到的問題，它決定系統(tǒng)的構(gòu)成和性能。MSCIS接口系統(tǒng)是采用80C196KB單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，除通用數(shù)字量輸入輸出板卡外，其它各板卡均采用80C196KB