第三章 过程通道和数据采集系统之五

杨根科杨根科上海交通大学自动化系上海交通大学自动化系

20072007 年年 33 月月

内容提要 概述 模拟量输入通道 D/A 与 A/D 转换技术 数据采集系统 模拟量输出通道 过程通道的抗干扰措施 小结

模拟量输出通道 任务：把微型计算机输出的数字量转换成模拟量 核心部件： D/A 转换器 要求：

◆ 可靠性高，满足一定的精度

◆ 具有保持功能

模拟量输出通道（ 2 ） 多路模拟量输出通道的结构形式 ◆ 主要取决于输出保持器的构成方式 — 输出保持器的作用：在新的控制信号到来之

前，使本次控制信号维持不变 ◆ 两种基本结构形式： 一个通路设置一个 D/A 转换器 多个通路共用一个 D/A 转换器

模拟量输出通道（ 3/ ）

◆ 一个通路设置一个 D/A 转换器 — 优点：转换速度快，工作可靠

— 缺点：使用较多的 D/A 转换器

模拟量输出通道（ 4 ）◆ 多个通路共用一个 D/A 转换器 — 优点：节省了 D/A 转换器

— 缺点：微机分时工作，工作可靠性差

模拟量输出通道（ 5 ） 8 位 D/A 转换器 DAC0832 ：电流输出型 ◆ 主要特点： — 可与各种微处理器直接接口 — 输入为 8 位二进制码， 所有引脚 (20 个 ) 与 TTL 兼容 — 具有双缓冲、单缓冲和直通数据输入 3 种工作方式 — 电流稳定时间 1 µS ，满量程误差为 ±1LSB — ＋ 5V ～＋ 15V 单一电源，低功耗 20 mW — 参考电压为－ 10V ～＋ 10V

模拟量输出通道（ 5+ ） D/A 有两种类型

1. 内部有数据寄存器 , 带有片选与写信号引脚 ; 作为 I/O 扩展槽与微处理器连接 .

2. 内部无寄存器 , 必须外加锁存器才能与微处理器接口

模拟量输出通道（ 5++ ） D/A 有 3 种工作方式

1. 双缓存方式 : 用于同时输出多个模拟信号的多个 DAC0832系统 . WR1 CS 先有效 , 控制输入数据锁存到 8 位输入寄存器 ; WR Xfer( 传递控制有效 ), 数据锁存入 8 位 DAC 寄存器 , 并同时输出多个模拟信号 .

2. 单缓存方式 : 只用输入寄存器锁存数据 , 另一级 DAC 接成直通方式 , 即 Wr2 和 Xfer 接地 , 或者两个寄存器同时锁存 ,wr1 和wr2 接在一起 , 而把 Xfer 接地 .

3. 直通方式 : cs,wr1,wr2,xfer 接地 ,ILE 接 +5v

模拟量输出通道（ 6 ）

◆ 内部结构D7

D6

D0

D1

D2

D3

D4

D58位输入寄存器

8 DAC位寄存器

8 D/A位转换电路

Rf

VREF

I out2

I out1

Rf

I LE

CSWR1

WR2

XFER

DAC0832

AGND

VCC

DGND

LE1 LE2M1

M3

M2

模拟量输出通道（ 7/ ）◆ 引脚结构： 20 引脚，双列直插式封装 — 数 字 量 输 入 线 D7~D0

（ 8 条） — 控制线（ 5 条） — 输出线（ 3 条） Iout1,I

out2,Rf

— 电源线（ 4 条）

CS

WR1

AGND

D7

D6D0

D1

D2

D3

D4

D5

VREF

Rf

DGND

Vcc

I LE

WR2

XFER

I out2

I out1

DAC0832

1

10

9

8

7

6

5

4

3

2

20

14

15

16

17

18

19

13

12

11

模拟量输出通道（ 8/ ）◆ 引脚功能说明： ★ 输入信号 D7~D0

★ 输出信号 IOUT1 ，且 IOUT1 ＋ IOUT2 为常量， Rfb 为反馈信

号输入端，反馈电阻在片内

★ 控制信号： 为允许输入锁存信号， 和 分别为输

入寄存器和 DAC 寄存器的写信号， 为传送控制信号， 为片选信号

★ 电源信号： VCC 为主电源， VREF为基准电压， AGND 和 DGND 分别为模拟地和数字地

1WR 2WRLEI

XFER

CS

模拟量输出通道（ 9/ ） ◆ 因为 DAC0832是电流输出型 D/A 转换芯片，为了取得

电压输出，需在电流输出端接运算放大器， Rf 为运算

放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如下图所示：

-

+

OA .

Vout

Rf

I out1

I out2

模拟量输出通道（ 10/ ）◆ 单极性输出方式

-

+

OAVout

Rf

I out1

I out2

.

. VREF

DAC0832

.

2

?2

REFout fb out fb n

REFn

VV R I R D

VD

模拟量输出通道（ 11 ）◆ 双极性输出方式

I 1

I 3

I 2

OA1OA2+

+

__

2R 2R

R

Vout1Vout

A

VREF8031

VREF

Rf

Iout 1

Iout 2

. .

.

.

.

.

1 1( 2 ) ( 1)

2out REF out REFn

DV V V V

模拟量输出通道（ 11 ）◆ 双极性输出方式

I 1

I 3

I 2

OA1OA2+

+

__

2R 2R

R

Vout1Vout

A

VREF8031

VREF

Rf

Iout 1

Iout 2

. .

.

.

.

.

11 1

( )2 ( 2 ) ( 1)2 2

outREFout REF out REFn

VV DV R V V V

R R

模拟量输出通道（ 12 ） ★运算放大器 OA2 的作用是将运算放大器 OA １的单向输出转变为双向输出，用图形表示如下：

V

Vout

+VREF

-VREF

00H FFH80H

B

模拟量输出通道（ 13 ） ★ 用偏移二进制码方法，实现 D/A 转换器的双极性输出比

较容易实现 (?) ，而且与微型计算机输出兼容，只要把最高位取反，就可以将 2 的补码转换成偏移二进制码

双极性时 , LSB=? (2 * 1/2^n)

注记：常用的双极性编码 /1-2数 正基准 富基准 符号 -数值码 2 的补码 偏移 2 进制码

+7 +7/8 -7/8 0111 0111 1111

+6 +6/8 -6/8 0110 0110 1110

+5 +5/8 -5/8 0101 0101 1101

+4 +4/8 -4/8 0100 0100 1100

+3 +3/8 -3/8 0011 0011 1011

+2 +2/8 -2/8 0010 0010 1010

+1 +1/8 -1/8 0001 0001 1001

+0 +0 -0 0000 0000 1000

-0 -0 +0 1000 （ 0000 ） （ 1000 ）

-1 -1/8 +1/8 1001 1111 0111

-2 -2/8 +2/8 1010 1110 0110

-3 -3/8 +3/8 1011 1101 0101

-4 -4/8 +4/8 1100 1100 0100

-5 -5/8 +5/8 1101 1011 0011

-6 -6/8 +6/8 1110 1010 0010

-7 -7/8 +7/8 1111 1001 0001

-8 -8/8 +8/8 1000 0000

模拟量输出通道（ 14 ） ★ 在双极性接法时，如果再改变基准电源的极性，就可实现完整的 4 个象限的乘积输出。实现正负两组基准电源的切换有如下两种接法：

模拟量输出通道（ 15 ）

DAC0832 与MCS-51 的接口

◆ 直通方式： — 指 DAC0832 内部的两个寄存器都处于不锁存状态，数据一旦到达输入端就直接被送到 D/A 转换器转换成模拟量

— 所有控制信号都接成有效形式， ， ， 和 接地， 接 +5V 电源 LEI

1WR

2WR

CS

XFER

模拟量输出通道（ 16 ）◆ 单缓冲方式：指 DAC0832 的两个寄存器中有一个处

于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式；或者两级寄存器同时锁存

-

+

OAVout.

...

...

.

P0

P2.7

WR

8051

D7～D0

DAC0832 +5V

VCC

I LE

VREF

Rf

I out1

I out2

AGNDDGND

CS

XFER

WR1

WR2

模拟量输出通道（ 17 ）◆ 上述 DAC0832 采用的是单缓冲单极性的接线方式，它的

选通地址为 7FFFH 实现 D/A 转换的程序如下：

MOV DPTR ， #7FFFH ；输入 0832 口地址 MOV A ， #data；读取数据 MOVX @DPTR ， A ；执行 D/A 转换 SJMP $

模拟量输出通道（ 18 ）◆ 双缓冲方式：把 DAC0832 的两个寄存器都接成受控

锁存方式

AO1

AO2++

__

2R 2R

Vout

.

.

.

.

.

+5VI LE

Vcc

VREF

Rf

Iout 1

Iout 2

WR1

DI0

WR2

XFER

CS

DI7~

P0.0 P0.7~

ALE

EA

8031

WR

锁

存

器

译

码

器

FFH

FEH

.

DAC0832

R .

模拟量输出通道（ 19）◆ 上述 DAC0832 采用的是双缓冲双极性的接线方式，输入寄

存器的地址为 FEH， DAC 寄存器的地址为 FFH 实现 D/A 转换的程序如下： MOV R0 ， #0FEH ；输入寄存器地址 MOVX @R0 ， A ；转换数据送输入寄存器 INC R0 ；产生 DAC 寄存器地址 MOVX @R0 ， A；数据送入 DAC 寄存器并进行 D/A 转换

SJMP $

模拟量输出通道（ 20/ ） 12 位 D/A 转换器 DAC1208

4位输入寄存器

8位输入寄存器

12位DAC

寄存器

12位D/A

转换器

Iout 1

Iout 2

VREF

Rfb

DI11

DI4

DI3

DI0

BYTE1/BYTE2

CS

WR1

WR2XFER

LE1

LE2 LE3

M3

M2

M1

LE=1，输出跟随输入

LE=0，输入数据锁存

.

.

.

模拟量输出通道（ 21 ）◆ 12 位电流输出型 D/A 转换器◆ 内部有两个输入锁存器（一个 8 位，一个 4 位），和 12

位 DAC 锁存器，分别由 控制。◆ BYTE1/BYTE2 输入控制端

— 高电平： DI4-DI11 同时锁存到输入寄存器

— 低电平： DI0-DI3 锁存到 4 位输入寄存器

◆ DAC 寄存器的锁存控制端 — 高电平： Q＝ D ，输入寄存器与 DAC 寄存器直通 — 低电平： DAC 寄存器锁存

iLE

模拟量输出通道（ 22 ）◆ 引脚结构 24 引脚，双列直插式封装 — 数字量输入线 DI11~DI0

（ 12 条） — 控制线（ 5 条） — 输出线（ 3 条） — 电源线（ 4 条）

CS

WR1

AGND

DI9

DI8DI2

DI3

DI4

DI5

DI6

DI7

VREF

Rfb

DGND

Vcc

BYTE1/BYTE2

WR2

XFER

I out2

I out1

DAC1208

1

10

9

8

7

6

5

4

3

2

20

14

15

16

17

18

19

1312

11

24

23

22

21

(LSB)DI0

DI1

DI11(MSB)

DI10

模拟量输出通道（ 23 ） DAC1208 与MCS-51 的接口

-

+OA

8031

EA

ALE

P0.3 P 0.0~

P0.7 P 0.4~

WR地址锁存器

Q0

Q1

Q7 译码器

1111111B1111110B

BYTE1/BYTE2

XFERCS

WR1WR2 Rfb

Iout1

Iout2

Vout

DI 11 DI 8

DI 7 DI 4

DI 3 DI 0~~

~

DAC1208

.

模拟量输出通道（ 24 ）◆ DAC1208 采用的是单极性的输出方式， 8 位输入寄存器的地址为 FFH， 4

位输入寄存器的地址为 FEH。设内部 RAM的 20H和 21H单元内存放一个12 位数字量（ 20H单元中为低 4 位， 21H单元中为高 8 位），实现 D/A转换的程序为：

ORG 0000H MOV R0 ， #0FFH ； 8 位输入寄存器地址 MOV R1 ， #21H MOV A ，@R1 ；高 8 位数字量送 A MOVX @R0 ， A ；高 8 位数字量送 8 位输入寄存器 DEC R0 DEC R1 MOV A ，@R1 ；低 4 位数字量送 A SWAP A ； A中高低 4 位互换 MOVX @R0 ， A ；低 4 位数字量送 4 位输入寄存器 DEC R0 MOVX @R0 ， A ；启动 D/A 转换 END