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1/72§1.5后向通道與接口技術(shù)2/72§1.5后向通道與接口技術(shù)后向通道后向通道中的常用器件及電路后向通道中的D/A轉(zhuǎn)換及接口3/72一、后向通道后向通道是CPU或計算機對控制對象實現(xiàn)控制操作的輸出通道。1、后向通道的特點2、后向通道的結(jié)構(gòu)3、后向通道應(yīng)解決的問題4/721、后向通道的特點(1)小信號輸出、大功率控制。
根據(jù)目前CPU輸出功率的限制,不能輸出控制對象所要求的功率信號。(2)是一個輸出通道。
輸出伺服驅(qū)動控制信號,而伺服驅(qū)動系統(tǒng)中的狀態(tài)反饋信號通常是作為檢測信號輸入前向通道。(3)接近控制對象,環(huán)境惡劣。
控制對象多為大功率伺服驅(qū)動機構(gòu),電磁、機械干擾較為嚴重。后向通道是一個輸出通道,而且輸出電平較高,不易受到直接損害;但這些干擾易從系統(tǒng)的前向通道竄入。5/722、后向通道的結(jié)構(gòu)CPU或計算機在完成控制處理后,總是以數(shù)字信號通過I/O口或數(shù)據(jù)總線送給控制對象。這些數(shù)字信號形態(tài)主要有開關(guān)量、二進制數(shù)字量和頻率量,可直接用于開關(guān)量、數(shù)字量系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng),但對于一些模擬量控制系統(tǒng),則應(yīng)通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換變換成模擬量控制信號。根據(jù)CPU的輸出信號形式和控制對象的特點,后向通道結(jié)構(gòu)如圖所示。6/72什么叫開關(guān)量、數(shù)字量?7/723、后向通道應(yīng)解決的問題(1)功率驅(qū)動。將單片機輸出的信號進行功率放大,以滿足伺服驅(qū)動的功率要求。(2)干擾防治。主要防治伺服驅(qū)動系統(tǒng)通過信號通道、電源以及空間電磁場對計算機系統(tǒng)的干擾。通常采用信號隔離、電源隔離和對大功率開關(guān)實現(xiàn)過零切換等方法進行干擾防治。(3)數(shù)/模轉(zhuǎn)換。對于二進制輸出的數(shù)字量采用D/A變換器;對于頻率量輸出則可以采用F/V轉(zhuǎn)換器變換成模擬量。8/72二、后向通道中的常用器件及電路后向通道中常用的器件及電路主要有數(shù)/模轉(zhuǎn)換、功率驅(qū)動和干擾防治器件及電路。(一)功率開關(guān)接口器件及電路在CPU輸出開關(guān)量后,需進行功率放大,才能驅(qū)動開關(guān)量外設(shè)。實際的應(yīng)用系統(tǒng)中,大量使用的是開關(guān)量的驅(qū)動、控制。常用的功率開關(guān)接口器件及電路有:功率開關(guān)驅(qū)動電路、功率型光電耦合器、集成驅(qū)動芯片及固態(tài)繼電器等。9/721、大功率I/O接口電路在CPU應(yīng)用系統(tǒng)中,開關(guān)量都是通過單片機的I/O口或擴展I/O口輸出的。這些I/O口的驅(qū)動能力有限。例如標準的TTL門電路在0電平時吸收電流的能力約為16mA,常常不足以驅(qū)動一些功率開關(guān)(如繼電器、電機、電磁開關(guān)等),因此,需要一些大功率開關(guān)接口電路10/721、大功率I/O接口電路功率晶體管驅(qū)動典型的開關(guān)功率管具有高速、中等功率特性,其驅(qū)動電流可達800mA,擊穿電壓為40V。如在500mA和10V處,典型的正向電流增益為30,要開關(guān)500mA負載電流時,其Ib至少需供給17mA。11/72在晶體管驅(qū)動電路中,開關(guān)晶體管的驅(qū)動電流IC必須足夠大,否則晶體管會增加其管壓降來限制其負載電流,從而有可能使晶體管超過允許功耗而損壞。12/722.達林頓驅(qū)動電路對于典型的開關(guān)晶體管電路,輸出電流是輸入電流乘以晶體管的增益。要保證有足夠大的輸出電流必須采取增大輸入驅(qū)動電流,多級放大和提高晶體管增益。13/722.達林頓驅(qū)動電路采用達林頓驅(qū)動電路主要是采用多級放大和提高晶體管增益,避免加大輸入驅(qū)動電流。這種結(jié)構(gòu)形式具有高輸入阻抗和極高的增益。單個達林頓晶體管:14/72IC達林頓晶體管驅(qū)動器:ULN206815/7216/72IC達林頓晶體管驅(qū)動器:ULN200317/7218/723.閘流晶體管(可控硅整流器)在開關(guān)工作應(yīng)用中,可控硅整流器只工作在導(dǎo)通或截止狀態(tài)。由于SCR通常用來控制交流大電壓開關(guān)負載,故不宜直接與數(shù)字邏輯電路相連。在實際使用時應(yīng)采取隔離措施,如光電耦合隔離。雙向可控硅19/7220/724.機械繼電器在數(shù)字邏輯電路中最常使用的機械繼電器有簧式繼電器?;墒嚼^電器由兩個磁性簧片組成,受磁場作用時,兩個簧片相接觸而導(dǎo)通。這種簧式繼電器控制電流要求很小,而簧式觸點可開關(guān)較大的電流。例如,控制線圈為380Ω時,可直接由5V輸入電壓驅(qū)動,驅(qū)動電流為13mA,而簧片觸點可通過500mA至幾十A。但與邏輯電路相配用的簧式繼電器一般小于1A?;墒嚼^電器的接口電路如圖所示。觸點兩端的齊納二極管用來防止產(chǎn)生觸點電弧。21/7222/72機械繼電器的開關(guān)響應(yīng)時間較大,計算機應(yīng)用系統(tǒng)中使用機械繼電器時,控制程序中必須考慮開關(guān)響應(yīng)時間的影響。23/725.功率場效應(yīng)管(MOSFET)中功率、大功率場效應(yīng)管構(gòu)成的功率開關(guān)驅(qū)動器件可高頻工作,輸入電流小,并能隨意地截止,兼有晶體管開關(guān)和SCR的全部優(yōu)點。由于場效應(yīng)管(FET)是電荷控制器件,只在開關(guān)的過程中才需要電流,而且只要求微安級的輸入電流??刂频妮敵鲭娏骺梢院艽?。例如VN84GA在低頻時耗散功率為80W,而在30MHz時可耗散50W,控制電流可達12.5A,圖為VMOSFET電機控制電路,其中VN66AF為小功率VMOSFET。24/726、固態(tài)繼電器(SOLIDSTATERELAYS--SSR)固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷功率型電子開關(guān),又名固態(tài)開關(guān)。當施加觸發(fā)信號后其主回路呈導(dǎo)通狀態(tài),無信號時呈阻斷狀態(tài)。它利用了分立器件和集成器件及微電子技術(shù)實現(xiàn)了控制回路(輸入端)與負載回路(輸出端)之間的電隔離及信號耦合,沒有任何可動部件或觸點。實現(xiàn)了具有相當于電磁繼電器一樣的功能。25/72①固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)原理固態(tài)繼電器通常是一個四端組件,兩個為輸入端,兩個為輸出端。圖為其結(jié)構(gòu)框。它至少由三個部分組成,即輸入電路、隔離部分和輸出電路。26/7227/72單相直流電路板式固態(tài)繼電器直流控制直流控制回路與負載回路之間光電隔離??煽毓栎敵?,零電流關(guān)斷。電壓過零開啟內(nèi)設(shè)阻容吸收回路控制信號與TTL邏輯兼容外形長方型,環(huán)氧樹脂灌封(模塊)阻燃工程塑料外殼。輸入電壓:3—32VDC輸入電流:大于5mA輸出電壓:5~60VDC,5~110VDC輸出最小導(dǎo)通電流:50mA輸出電流:1A、2A、3A、4A、5A輸出通態(tài)壓降:小于1.5V28/72單相交流電路板式固態(tài)繼電器直流控制交流控制回路與負載回路之間光電隔離??煽毓栎敵?,零電流關(guān)斷。電壓過零開啟內(nèi)設(shè)阻容吸收回路控制信號與TTL邏輯兼容外形長方型,環(huán)氧樹脂灌封(模塊)阻燃工程塑料外殼。輸入電壓:3—32VDC輸入電流:大于5mA輸出電壓:24~240VAC,40~480VAC輸出最小導(dǎo)通電流:50mA輸出電流:1A、2A、3A、4A、5A輸出通態(tài)壓降:小于1.5V29/72固態(tài)繼電器有許多類型可供用戶選擇:按品種分有軍品、民品、I/O模塊;按輸出功能分有直流型、過零型、非過零型;按隔離方式分有光隔離和變壓器隔離;按封裝結(jié)構(gòu)形式分有塑封型和金屬殼全密封型固態(tài)繼電器,以及各種特殊用途的固態(tài)繼電器。②固態(tài)繼電器的優(yōu)點由于固態(tài)繼電器是由固態(tài)開關(guān)元件組成的無觸點開關(guān)器件。這種結(jié)構(gòu)特點決定了它比電磁繼電器工作可靠,壽命長,對外界干擾小,能與邏輯電路兼容,抗干擾能力強,開關(guān)速度快,使用方便。30/72③固態(tài)繼電器的應(yīng)用特性根據(jù)產(chǎn)品的功能不同,輸出電路可接交流或直流。對交流負載的控制有過零不過零控制功能。其控制波形如圖所示。由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時,將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng),為此特設(shè)“過零控制電路”。所謂“過零”是指,當加入控制信號,交流電壓過零時,SSR即為通態(tài);而當斷開控制信號后,SSR要等待交流電的正半周與負半周的交界點(零電位)時,SSR才為斷態(tài)。這種設(shè)計能防止高次諧波的干擾和對電網(wǎng)的污染。31/7232/72③固態(tài)繼電器的應(yīng)用特性吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌(電壓)對開關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動作)而設(shè)計的,一般是用“R-C”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。
33/72由于固態(tài)繼電器是一種電子開關(guān),故有一定的通態(tài)壓降和斷態(tài)漏電流,其數(shù)值與產(chǎn)品型號規(guī)格有關(guān)。(如前面的型號中的通態(tài)壓降)負載短路易造成SSR的損壞,應(yīng)特別注意避免。必須考慮瞬態(tài)過電壓和斷態(tài)dV/dt對SSR的影響。部分SSR產(chǎn)品內(nèi)部已含有瞬態(tài)抑制網(wǎng)絡(luò)。必要時可在外部加以適當?shù)乃矐B(tài)抑制電路。直流型的SSR與交流型的SSR相比,無過零控制電路,也不必設(shè)置吸收電路.34/72④固態(tài)繼電器的應(yīng)用固態(tài)繼龜器不僅實現(xiàn)了小信號對大電流功率負載的開關(guān)控制,而且還具有隔離功能。35/7236/72(二)光電隔離與接口驅(qū)動器件光電耦合器件能可靠地實現(xiàn)信號的隔離,并易構(gòu)成各種功能狀態(tài),如信號隔離、隔離驅(qū)動、遠距離傳送等。一、信號隔離用光電耦合器件最普通的信號隔離用光電耦合器件如圖(a)所示。以發(fā)光二極管為輸入端,光敏三極管為輸出端。這種器件一般用在100kHz以下的頻率信號。如果基極有引出線則可滿足溫度補償、檢測及調(diào)制要求。圖(b)是高速光電耦合器的結(jié)構(gòu)形式,輸出部分采用PIN型光敏二極管和高速開關(guān)管組成復(fù)合結(jié)構(gòu),具有較高的響應(yīng)速度.37/722、隔離驅(qū)動用光電耦合器件①達林頓輸出光電耦合器件。輸出部分以光敏三極管和放大三極管構(gòu)成達林頓輸出。具有達林頓輸出的一切特性,可直接用于驅(qū)動較低頻率的負載。②可控硅輸出光電耦合器件。輸出部分為光控晶閘管,光控晶閘管有單向、雙向兩種形式。這種光電耦合器件常用在交流大功率的隔離驅(qū)動中。38/723、遠距離的隔離傳送目的:應(yīng)用系統(tǒng)遠離工業(yè)現(xiàn)場下圖是利用光電耦合器件進行遠距離隔離傳送的電路。輸入部分為雙鉸線的20mA電流環(huán)遠距離傳送。輸出部分通過TTL門進行電平調(diào)整。39/72(三)線性功率驅(qū)動接口器件及電路在應(yīng)用系統(tǒng)的直流伺服控制中,經(jīng)常要用到線性功率驅(qū)動。線性功率驅(qū)動接口將單片機通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換后的模擬電壓轉(zhuǎn)換成伺服控制系統(tǒng)所要求的功率輸出。通常線性功率驅(qū)動接口器件主要使用集成功率運算放大器。在后向通道的直流伺服系統(tǒng)中,采用集成功率運算放大器可大大簡化電路,并提高系統(tǒng)的可靠性。美國B-B公司推出的大功率運算放大器有OPA501、OPA511/512、OPA541,輸出電流可達10~15A。右圖為OPA501,其性能特點如下:
·電源電壓范圍寬±10~±40V;
·輸出電流大±10A(峰值);
·輸出功率大260W(峰值);
·最大差動輸入電壓±Vcc-3V;
·工作溫度范圍-55~+125℃。40/72(四)F/V轉(zhuǎn)換接口器件及電路計算機輸出信號為頻率F信號,在設(shè)備現(xiàn)場將F轉(zhuǎn)換為V信號。頻率信號輸出占用總線數(shù)量少,易于遠距離傳送,抗干擾能力強。將頻率信號轉(zhuǎn)換成與頻率量成正比的模擬電壓,可采用F/V轉(zhuǎn)換器。通常沒有專門用于F/V的轉(zhuǎn)換集成器件,而是使用V/F轉(zhuǎn)換器在特定的外接電路下構(gòu)成F/V轉(zhuǎn)換電路。一般的集成V/F轉(zhuǎn)換器都具有F/V轉(zhuǎn)換功能。下圖是由LM331V/F轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的兩種F/V轉(zhuǎn)換電路。41/72輸入頻率脈沖fIN經(jīng)過C-R網(wǎng)絡(luò)接入比較器閾值端6腳上,脈沖的下降沿引起輸入比較器觸發(fā)定時電路。與V/F轉(zhuǎn)換器相同,1腳流出的平均電流IAvE=i(1.1RtCt)fIN。將此電流經(jīng)過R、C網(wǎng)絡(luò)濾波即可獲得與fIN信號頻率成正比的直流電壓。圖(a),網(wǎng)絡(luò)RL=100kΩ及CL=1μF對電流進行濾波,紋波峰值小于10mV。對于0.1s的時間常數(shù),0.1%精度下的建立時間為0.7s。圖6(b),由運算放大器提供緩沖輸出,并實現(xiàn)雙極點濾波器的作用,對于所有高于1kHz的頻率,紋波峰值小于5mV,響應(yīng)時間比圖(a)要快得多。然而對于低于200Hz的輸入頻率,電路輸出的紋波將比圖(a)更差。要對濾波時間常數(shù)進行調(diào)整,以滿足響應(yīng)和足夠小的紋波需要。圖(a)簡單的F/V轉(zhuǎn)換(10kHz±0.06%)(b)精密F/V轉(zhuǎn)換(10kHz±O.01%)42/72三、后向通道中的D/A轉(zhuǎn)換及接口(一)D/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計的一般性問題(二)D/A轉(zhuǎn)換性能指標與集成芯片43/72(一)D/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計的一般性問題1、D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇原則
D/A轉(zhuǎn)換芯片的主要特性主要考慮的是以位數(shù)表現(xiàn)的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間。數(shù)字輸入特性。D/A轉(zhuǎn)換芯片一般都只能接收自然二進制數(shù)字代碼。模擬輸出特性。有些D/A轉(zhuǎn)換器件屬電流輸出器件。需加運算放大器以轉(zhuǎn)換為電壓。鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制。如果D/A轉(zhuǎn)換器沒有輸入鎖存器,通過CPU數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)字量時,必須外加鎖存器,否則只能通過具有輸出鎖存功能的I/O口給D/A送入數(shù)字量。44/72有些D/A轉(zhuǎn)換器并不是對鎖存的輸入的數(shù)字量立即進行D/A轉(zhuǎn)換,而是只有在外部施加了轉(zhuǎn)換控制信號后才開始轉(zhuǎn)換和輸出。具有這種輸入鎖存及轉(zhuǎn)換控制功能的D/A轉(zhuǎn)換器(如0832),在CPU分時控制多路D/A輸出時,可以做到多路D/A轉(zhuǎn)換的同步輸出。參考電壓源。D/A轉(zhuǎn)換中,參考電壓源是唯一影響輸出結(jié)果的模擬參量。是D/A轉(zhuǎn)換接口中的重要電路,對接口電路的工作性能,電路的結(jié)構(gòu)有很大影響。使用內(nèi)部帶有低漂移精密參考電壓源的D/A轉(zhuǎn)換器(如AD563/565A)不僅能保證有較好的轉(zhuǎn)換精度,而且可以簡化接口電路。45/722、參考電壓源的配置有些D/A轉(zhuǎn)換器不帶有參考電壓源。有時為了方便地改變輸出模擬電壓范圍、極性,須要配置相應(yīng)的參考電壓源。故在D/A接口設(shè)計中經(jīng)常要進行參考電壓源的配置設(shè)計。46/72帶溫度補償?shù)凝R納二極管帶溫度補償?shù)凝R納二極管就是兩個不同特性、相背串接的齊納二極管,以具有負溫度系數(shù)正向?qū)ǖ亩O管補償正溫度系數(shù)反向?qū)ǖ姆€(wěn)壓二極管,使溫度系數(shù)近于零。這類穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值一般在5.5~6.5V間,溫度系數(shù)為±5ppm/℃,如國產(chǎn)的2DW232(2DW7C)型溫度補償穩(wěn)壓二極管。帶運算放大器的參考電壓源具有驅(qū)動能力強,負載變化對輸出參考電壓沒有直接影響47/72
能隙恒壓源----精密參考電壓源。這種集成化的精密穩(wěn)壓電源的特點是輸出電壓低,一般為1.25V或2.5V,而輸入電壓為5~15V,溫度系數(shù)為士20ppm/℃。國外型號有MC1403(美Motorala)、LM185—1.2/2.5(美NationalSemiconductor)。與齊納二極管相比,能隙恒壓源工作在正常線性區(qū)域,內(nèi)部噪聲小,而齊納二極管工作在齊納擊穿區(qū),內(nèi)部噪聲較大。48/723、數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的變換特性所有的D/A轉(zhuǎn)換器件的輸出模擬電壓Vo,都可以表達成為輸入數(shù)字量D(數(shù)字代碼)和模擬參考電壓VR的乘積:Vo=D·VR二進制代碼D可以表示如下,式中a1為最高有效位(MSB),an為最低有效位(LSB)。有些D/A輸出的模擬量為電流量,這個電流量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,如圖所示(圖中以7520為例)。在這種情況下,模擬輸出電壓Vo與輸入數(shù)字量D和參考電壓VR的關(guān)系為:Vo=-D·VR(0≤D≤1)49/7250/72D—A對應(yīng)情況51/72(二)D/A轉(zhuǎn)換性能指標與集成芯片1、D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標有靜態(tài)指標、動態(tài)指標以及環(huán)境和工作條件指標。(1)D/A轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)指標①分辨率。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為:當輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時,即LSB位產(chǎn)生一次變化時,所對應(yīng)輸出模擬量(電壓或電流)的變化量。對于線性D/A轉(zhuǎn)換器來說,其分辨率△與數(shù)字量輸出的位數(shù)n呈下列關(guān)系52/72在實際使用中,表示分辨率高低的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位二進制D/A轉(zhuǎn)換器,其分辨率為8位,△=1/256FS=0.39%FS(FullScale)。BCD碼輸入的,用其最大輸入碼個數(shù)表示,例如4字位9999D/A轉(zhuǎn)換器,其分辨率為△=1/9999FS=0.01%FS。顯然,位數(shù)越多,分辨率就越高。53/72②標稱滿量程與實際滿量程。標稱滿量程(NFS)是指相應(yīng)于數(shù)字量標稱值2n的模擬輸出量。但實際數(shù)字量最大為2n-1,要比標稱值小1個LSB,因此,實際滿量程(AFS)要比標稱滿量程(NFS)小1個LSB增量。即例如,1個8位D/A轉(zhuǎn)換器,參考電壓為-5V時,其標稱滿量程為+5V,而實際滿量程為(255/256)×(+5V)=+4.98V。54/72③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的轉(zhuǎn)換精度即為其分辨率的大小,故要獲得高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果,首先要保證選擇有足夠分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器。但是D/A轉(zhuǎn)換精度還與外電路的配置有關(guān),當外電路的器件或電源誤差較大時,會造成較大的D/A轉(zhuǎn)換誤差,當這些誤差超過一定程度時,會使增加D/A轉(zhuǎn)換位數(shù)失去意義。在D/A轉(zhuǎn)換中,影響轉(zhuǎn)換精度的主要誤差因素有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。55/72失調(diào)誤差(或稱零點誤差)失調(diào)誤差定義為數(shù)字輸入為全0碼時,其模擬輸出值與理想輸出值之偏差值。對于單極性D/A轉(zhuǎn)換,模擬輸出的理想值為零伏點,對于雙極性D/A轉(zhuǎn)換,此理想值為負滿量程。偏差值的大小一般用LSB的份數(shù)或用偏差值相對于滿量程的百分數(shù)表示。一定溫度下的失調(diào)誤差可以通過外部調(diào)整措施進行補償。有些D/A集成芯片設(shè)置有調(diào)零端,外接電位器調(diào)零。有些轉(zhuǎn)換器不設(shè)置專門的調(diào)零端,要求用戶采取外接校正用偏置電路加到運算放大器求和端的辦法來消除輸出失調(diào)電壓或電流。56/72增益誤差(或稱標度誤差)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出與輸入傳遞特性曲線的斜率稱為D/A轉(zhuǎn)換增益或標度系數(shù),實際轉(zhuǎn)換的增益與理想增益之間的偏差值稱為增益誤差。增益誤差在消除失調(diào)誤差后用滿碼(全1)輸入時,其實際輸出值與理想輸出值(實際滿量程)之間的偏差表示,一般也用LSB增益量的份數(shù)或偏差值相對于滿量程的百分數(shù)來度量。57/72一定溫度下的增益誤差也可以通過外部調(diào)整措施實現(xiàn)補償。如果校正前D/A的傳遞特性只存在有失調(diào)誤差和增益誤差,如上圖所示,消除失調(diào)誤差后,零點滿足理想輸出,再消除增益誤差時,傳遞特性為理想狀態(tài)。具體的調(diào)整方法是先對D/A轉(zhuǎn)換器輸入全0碼,通過電位器W2加入偏置,將輸出失調(diào)電壓補償?shù)?;然后輸入?碼,再通過調(diào)整電位器W1改變IR大小,使輸出模擬電壓達到理想值。圖(a)是一種典型的單極性D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差和增益誤差校正電路。58/72非線性誤差
D/A轉(zhuǎn)換的非線性誤差定義為實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線(通過兩端的直線)之間的最大偏差,并以該偏差相對于滿量程的百分數(shù)度量。在轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計中,一般都要求非線性誤差不大于±1/2LSB。D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差一般不能采用簡單的外部校正辦法實現(xiàn)完全補償。但是可以通過調(diào)整零點或增益使非線性偏差值均勻散布在理想特性曲線的兩側(cè)而使非線性誤差大大減小。59/72(2)D/A轉(zhuǎn)換器的動態(tài)指標D/A轉(zhuǎn)換器的動態(tài)指標有模擬電壓的建立時間等。建立時間(ts)。建立時間ts是描述D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個重要參數(shù),一般所指的建立時間是指輸入數(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)(穩(wěn)定值±ε,通常ε=1/2LSB)所經(jīng)歷的時間。如圖所示。60/72D/A轉(zhuǎn)換器中的電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)及驅(qū)動電路均非理想電阻性器件,各種寄生參量及開關(guān)電路的延遲響應(yīng)特性均會造成有限的轉(zhuǎn)換速率,從而使轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生過渡過程。實際建立時間的長短不僅與轉(zhuǎn)換器本身的轉(zhuǎn)換速率有關(guān),還與數(shù)字量變化的大小有關(guān)。輸入數(shù)字從全0變到全1(或從全1變到全0)時,建立時間最長,稱為滿量程變化的建立時間。一般手冊上給出的都是滿量程變化建立時間。根據(jù)建立時間ts的長短,D/A轉(zhuǎn)換器分成以下幾檔:超高速<100ns
較高速1us~100ns
高速10~1us
中速100~10us
低速≥100us61/72(3)環(huán)境及工作條件影響指標一般情況下,影響D/A轉(zhuǎn)換精度的主要環(huán)境和工作條件因素是溫度和電源電壓變化。D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度按產(chǎn)品等級分為軍級、工業(yè)級和普通級,標準軍級品可工作于-55~+125℃工業(yè)級工作溫度為-25~+85℃普通級工作溫度為0~70℃多數(shù)器件其靜、動態(tài)指標均為25℃的環(huán)境溫度下測得的,環(huán)境溫度對各項精度指標的影響用其溫度系數(shù)來描述,例如失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)、微分非線性誤差的溫度系數(shù)等。D/A轉(zhuǎn)換器受電源變化影響的指標為電源變化抑制比(PSRR),它用電源變化1V時所產(chǎn)生的輸出誤差相對滿量程的比值來描述,以ppm/V表示。62/722、D/A轉(zhuǎn)換集成芯片為了簡化D/A轉(zhuǎn)換接口,提高接口的可靠性及穩(wěn)定性,D/A轉(zhuǎn)換集成芯片不斷地將一些D/A轉(zhuǎn)換外圍器件集成到芯片內(nèi)部。主要結(jié)構(gòu)特征是:內(nèi)部帶有參考電壓源;大多數(shù)芯片有輸出放大器,可實現(xiàn)模擬電壓的單極性或雙極性輸出;由于帶有參考電壓源和輸出放大器,芯片的工作電源大多使用雙極性電源。這類系列芯片主要有:(1)AD558。AD558是能完全與微處理器兼容的廉價8位D/A轉(zhuǎn)換芯片,片內(nèi)帶有精密的能隙基準電壓,總線接口簡單,無須外加器件及微調(diào)即可與單片機8位數(shù)據(jù)總線相連。該芯片可以使用單一+5V電源工作,但在這種狀態(tài)下只能輸出0~+2.56V模擬電壓,要獲得雙極性電壓輸出時,要外接偏置電路。(2)DAC82。DAC82是B-B公司生產(chǎn)的8位能完全與微處理器兼容的D/A轉(zhuǎn)換芯片,片內(nèi)帶有基準電壓和調(diào)節(jié)電阻。無須外接器件及微調(diào)即可與單片機8位數(shù)據(jù)總線相連。芯片工作電壓為±15V,可以直接輸出單極性或雙極性的電壓(0~+10v,±10V)和電流(0~1.6mA,±0.8mA)。63/72(3)DAC811。DAC811是B-B公司生產(chǎn)的微機兼容12位D/A轉(zhuǎn)換器,其內(nèi)部有精密的基準電壓、微機接口邏輯、雙緩沖鎖存器和電壓輸出放大器。輸出模擬電壓為±10V、±5v、+10v??焖俚碾娏鏖_關(guān)和激光微調(diào)薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)提高了轉(zhuǎn)換器的精度和速度。在整個工作溫度范圍內(nèi)非線性誤差小于士1/2LSB。(4)DAC708/709。DAC708/709是B-B公司生產(chǎn)的16位微機完全兼容的D/A轉(zhuǎn)換芯片,具有雙緩沖輸入寄存器,片內(nèi)有基準電源及電壓輸出放大器。數(shù)字量可并行或串行輸入,模擬量可電壓或電流輸出。
64/72四、D/A實例(一)串行輸入D/A芯片TLC5615接口技術(shù)(二)并行輸入D/A芯片及接口技術(shù)(略,本科知識)65/72(一)串行輸入D/A芯片TLC5615接口技術(shù)TLC5615是具有3線串行接口的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。其輸出為電壓型,最大輸出電壓是基準電壓值的兩倍。帶有上電復(fù)位功能,上電時把DAC寄存器復(fù)位至全0。TLC5615的性能價格比較高,市場售價比較低。66/721.TLC5615的特點10位CMOS電壓輸出;
5V單電源工作;與微處理器3線串行接口(SPI);最大輸出電壓是基準電壓的2倍;輸出電壓具有和基準電壓相同的極性;建立時間12.5μs;內(nèi)部上電復(fù)位;低功耗,最高為1.75mW;引腳與MAX515兼容。67/722.功能方框圖TLC5615的功能方框圖如圖所示。圖TLC5615功能方框圖68/723.引腳排列及功能TLC5615的引腳排列及功能說明分別見圖及表。圖TLC5615引腳圖引腳I/O說明名稱序號DIN1I串行數(shù)據(jù)輸入SCLK2I串行時鐘輸入/CS3I芯片選擇。低有效DOUT4O用于菊花鏈(daisychaining)的串行數(shù)據(jù)輸出AGND5模擬地REFIN6I基準電壓輸入OUT7ODAC模擬電壓輸出VDD8正電源(
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