后向通道及接口.ppt

1,1.5 后向通道与接口技术,2,1.5 后向通道与接口技术,后向通道后向通道中的常用器件及电路后向通道中的D/A转换及接口,3,一、后向通道,后向通道是CPU或计算机对控制对象实现控制操作的输出通道。1、后向通道的特点 2、后向通道的结构3、后向通道应解决的问题,4,1、后向通道的特点(1)小信号输出、大功率控制。根据目前CPU输出功率的限制，不能输出控制对象所要求的功率信号。(2)是一个输出通道。输出伺服驱动控制信号，而伺服驱动系统中的状态反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道。(3)接近控制对象，环境恶劣。控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为严重。后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不易受到直接损害；但这些干扰易从系统的前向通道窜入。,5,2、后向通道的结构 根据CPU的输出信号形式和控制对象的特点，后向通道结构如图所示。单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过IO口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数模转换变换成模拟量控制信号。,6,7,3、后向通道应解决的问题(1)功率驱动。将单片机输出的信号进行功率放大，以满足伺服驱动的功率要求。(2)干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道、电源以及空间电磁场对计算机系统的干扰。通常采用信号隔离、电源隔离和对大功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。(3)数模转换。对于二进制输出的数字量采用DA变换器；对于频率量输出则可以采用FV转换器变换成模拟量。,8,二、后向通道中的常用器件及电路,后向通道中常用的器件及电路主要有数模转换、功率驱动和干扰防治器件及电路。（一）功率开关接口器件及电路 在CPU输出开关量后，需进行功率放大，才能驱动开关量外设。实际的应用系统中，大量使用的是开关量的驱动、控制。常用的功率开关接口器件及电路有：功率开关驱动电路、功率型光电耦合器、集成驱动芯片及固体继电器等。,9,1、大功率IO口接口电路 在CPU应用系统中，开关量都是通过单片机的IO口或扩展IO口输出的。这些IO口的驱动能力有限。例如标准的TTL门电路在0电平时吸收电流的能力约为16mA，常常不足以驱动一些功率开关(如继电器、电机、电磁开关等)，因此，需要一些大功率开关接口电路。功率晶体管驱动 典型的开关功率管具有高速、中等功率特性，其驱动电流可达800mA，击穿电压为40V。如在500mA和10V处，典型的正向电流增益为30，要开关500mA负载电流时，其Ib至少需供给17mA。在晶体管驱动电路中，开关晶体管的驱动电流IC必须足够大，否则晶体管会增加其管压降来限制其负载电流，从而有可能使晶体管超过允许功耗而损坏。,10,2达林顿驱动电路 对于典型的开关晶体管电路，输出电流是输入电流乘以晶体管的增益。要保证有足够大的输出电流必须采取增大输入驱动电流，多级放大和提高晶体管增益。采用达林顿驱动电路主要是采用多级放大和提高晶体管增益，避免加大输入驱动电流。这种结构形式具有高输入阻抗和极高的增益。单个达林顿晶体管：,11,IC达林顿晶体管驱动器:ULN2608,ULN2003,12,13,ULN2003,14,15,3闸流晶体管(可控硅整流器)在开关工作应用中，可控硅整流器只工作在导通或截止状态。由于SCR通常用来控制交流大电压开关负载，故不宜直接与数字逻辑电路相连。在实际使用时应采取隔离措施，如光电耦合隔离。双向可控硅,16,17,4机械继电器在数字逻辑电路中最常使用的机械继电器有簧式继电器。簧式继电器由两个磁性簧片组成，受磁场作用时，两个簧片相接触而导通。这种簧式继电器控制电流要求很小，而簧式触点可开关较大的电流。例如，控制线圈为380时，可直接由5V输入电压驱动，驱动电流为13mA，而簧片触点可通过500mA至几十A。但与逻辑电路相配用的簧式继电器一般小于1A。簧式继电器的接口电路如图所示。触点两端的齐纳二极管用来防止产生触点电弧。机械继电器的开关响应时间较大，计算机应用系统中使用机械继电器时，控制程序中必须考虑开关响应时间的影响。,18,5功率场效应管(MOSFET)中功率、大功率场效应管构成的功率开关驱动器件可高频工作，输入电流小，并能随意地截止，兼有晶体管开关和SCR的全部优点。由于场效应管(FET)是电荷控制器件，只在开关的过程中才需要电流，而且只要求微安级的输入电流。控制的输出电流可以很大。例如VN84GA在低频时耗散功率为80W，而在30MHz时可耗散50W，控制电流可达1 2.5A，图为VMOSFET电机控制电路，其中 VN66AF为小功率VMOSFET。,19,6、固态继电器(SSR)固态继电器是一种无触点通断功率型电子开关，又名固态开关。当施加触发信号后其主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。它利用了分立器件和集成器件及微电子技术实现了控制回路(输入端)与负载回路(输出端)之间的电隔离及信号耦合，没有任何可动部件或触点。实现了具有相当于电磁继电器一样的功能。,20,固态继电器的结构原理固态继电器通常是一个四端组件，两个为输入端，两个为输出端。图为其结构框。它至少由三个部分组成，即输入电路、隔离部分和输出电路。,21,22,固态继电器有许多类型可供用户选择：按品种分有军品、民品、IO模块；按输出功能分有直流型、过零型、非过零型；按隔离方式分有光隔离和变压器隔离；按封装结构形式分有塑封型和金属壳全密封型固态继电器，以及各种特殊用途的固态继电器。固态继电器的优点由于固态继电器是由固态元件组成的无触点开关器件。这种结构特点决定了它比电磁继电器工作可靠，寿命长，对外界干扰小，能与逻辑电路兼容，抗干扰能力强，开关速度快，使用方便。固态继电器的应用特性(1)根据产品的功能不同，输出电路可接交流或直流。对交流负载的控制有过零不过零控制功能。其控制波形如图所示。,23,24,(2)由于固态继电器是一种电子开关，故有一定的通态压降和断态漏电流，其数值与产品型号规格有关。(3)负载短路易造成SSR的损坏，应特别注意避免。(4)必须考虑瞬态过电压和断态dVdt对SSR的影响。部分SSR产品内部已含有瞬态抑制网络。必要时可在外部加以适当的瞬态抑制电路。,25,固态继电器的应用 固态继龟器不仅实现了小信号对大电流功率负载的开关控制，而且还具有隔离功能。,26,27,（二）光电隔离与接口驱动器件 光电耦合器件能可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能状态，如信号隔离、隔离驱动、远距离传送等。一、信号隔离用光电耦合器件 最普通的信号隔离用光电耦合器件如图(a)所示。以发光二极管为输入端，光敏三极管为输出端。这种器件一般用在100kHz以下的频率信号。如果基极有引出线则可满足温度补偿、检测及调制要求。图(b)是高速光电耦合器的结构形式，输出部分采用PIN型光敏二极管和高速开关管组成复合结构，具有较高的响应速度。,28,2、隔离驱动用光电耦合器件 达林顿输出光电耦合器件。输出部分以光敏三极管和放大三极管构成达林顿输出。具有达林顿输出的一切特性，可直接用于驱动较低频率的负载。可控硅输出光电耦合器件。输出部分为光控晶闸管，光控晶闸管有单向、双向两种形式。这种光电耦合器件常用在交流大功率的隔离驱动中。,29,3、远距离的隔离传送 目的：应用系统远离工业现场 下图是利用光电耦合器件进行远距离隔离传送的电路。输入部分为双铰线的20mA电流环远距离传送。输出部分通过TTL门进行电平调整。,30,（三）线性功率驱动接口器件及电路 在应用系统的直流伺服控制中，经常要用到线性功率驱动。线性功率驱动接口将单片机通过数模转换后的模拟电压转换成伺服控制系统所要求的功率输出。通常线性功率驱动接口器件主要使用集成功率运算放大器。在后向通道的直流伺服系统中，采用集成功率运算放大器可大大简化电路，并提高系统的可靠性。美国B-B公司推出的大功率运算放大器有OPA501、OPA511512、OPA541，输出电流可达1015A。,右图为OPA501，其性能特点如下：电源电压范围宽 104 0V；输出电流大 1 0A(峰值)；输出功率大2 6 0W(峰值)；最大差动输入电压 Vcc-3V；工作温度范围-55+125。,31,（四）FV转换接口器件及电路 计算机输出信号为频率F信号，在设备现场将F转换为V信号。频率信号输出占用总线数量少，易于远距离传送，抗干扰能力强。将频率信号转换成与频率量成正比的模拟电压，可采用FV转换器。通常没有专门用于FV的转换集成器件，而是使用VF转换器在特定的外接电路下构成FV转换电路。一般的集成VF转换器都具有FV转换功能。下图是由LM331 VF转换器构成的两种FV转换电路。,32,输入频率脉冲fIN经过C-R网络接入比较器阈值端6脚上，脉冲的下降沿引起输入比较器触发定时电路。与VF转换器相同，1脚流出的平均电流IAvE=i(11RtCt)fIN。将此电流经过 R、C网络滤波即可获得与fIN信号频率成正比的直流电压。图(a)，网络RL=100k及CL=1F对电流进行滤波，纹波峰值小于10mV。对于0.1s的时间常数，0.1精度下的建立时间为0.7s。图6(b)，由运算放大器提供缓冲输出，并实现双极点滤波器的作用，对于所有高于1kHz的频率，纹波峰值小于5mV，响应时间比图(a)要快得多。然而对于低于200Hz的输入频率，电路输出的纹波将比图(a)更差。要对滤波时间常数进行调整，以满足响应和足够小的纹波需要。,图(a)简单的FV转换(1 0kHz0.06),(b)精密FV转换(1 0kHzO01),33,三、后向通道中的D/A转换及接口,（一）DA转换接口设计的一般性问题（二）DA转换性能指标与集成芯片,34,（一）DA转换接口设计的一般性问题 1、DA转换芯片的选择原则 DA转换芯片的主要特性 主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时间。数字输入特性。DA转换芯片一般都只能接收自然二进制数字代码。模拟输出特性。目前多数DA转换器件均属电流输出器件。需加运算放大器以转换为电压。锁存特性及转换控制。DA转换器对输入数字量是否具有锁存功能将直接影响与 CPU的接口设计。如果DA转换器没有输入锁存器，通过CPU数据总线传送数字量时，必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的IO口给DA送入数字量。,35,有些DA转换器并不是对锁存的输入的数字量立即进行DA转换，而是只有在外部施加了转换控制信号后才开始转换和输出。具有这种输入锁存及转换控制功能的DA转换器(如08 32)，在CPU分时控制多路DA输出时，可以做到多路DA转换的同步输出。参考电压源。DA转换中，参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量。是DA转换接口中的重要电路，对接口电路的工作性能，电路的结构有很大影响。使用内部带有低漂移精密参考电压源的DA转换器(如AD563565A)不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。2、参考电压源的配置 目前在DA转换接口中常用到的DA转换器大多不带有参考电压源。有时为了方便地改变输出模拟电压范围、极性，须要配置相应的参考电压源。故在DA接口设计中经常要进行参考电压源的配置设计。,36,带温度补偿的齐纳二极管 带温度补偿的齐纳二极管就是两个不同特性、相背串接的齐纳二极管，以具有负温度系数正向导通的二极管补偿正温度系数反向导通的稳压二极管，使温度系数近于零。这类稳压管的稳压值一般在5.56.5V间，温度系数为5ppm，如国产的2DW232(2DW7C)型温度补偿稳压二极管。带运算放大器的参考电压源具有驱动能力强，负载变化对输出参考电压没有直接影响,37,能隙恒压源-精密参考电压源。这种集成化的精密稳压电源的特点是输出电压低，一般为1.25V或2.5V，而输入电压为515V，温度系数为士20ppm。国外型号有MC1403(美Motorala)、LM1851.22.5(美National Semiconductor)。与齐纳二极管相比，能隙恒压源工作在正常线性区域，内部噪声小，而齐纳二极管工作在齐纳击穿区，内部噪声较大。,38,3、数字输入码与模拟输出电压的变换特性 所有的DA转换器件的输出模拟电压Vo，都可以表达成为输入数字量D(数字代码)和模拟参考电压VR的乘积：Vo=DVR二进制代码D可以表示如下，式中a1为最高有效位(MSB)，an为最低有效位(LSB)。,由于目前绝大多数DA输出的模拟量均为电流量，这个电流量要通过一个反相输入的运算放大器才能转换成模拟电压输出，如图所示(图中以7520为例)。在这种情况下，模拟输出电压Vo与输入数字量D和参考电压VR的关系为：Vo=-DVR(0D1),39,40,DA对应情况,41,（二）DA转换性能指标与集成芯片,1、DA转换器的主要性能指标 DA转换器的主要性能指标有静态指标、动态指标以及环境和工作条件指标。（1）DA转换器的静态指标分辨率。DA转换器的分辨率定义为：当输入数字发生单位数码变化时，即LSB位产生一次变化时，所对应输出模拟量(电压或电流)的变化量。对于线性DA转换器来说，其分辨率与数字量输出的位数n呈下列关系,42,在实际使用中，表示分辨率高低的更常用的方法是采用输入数字量的位数或最大输入码的个数表示。例如，8位二进制DA转换器，其分辨率为8位，=1256FS=0.39FS。BCD码输入的，用其最大输入码个数表示，例如4字位9 9 9 9DA转换器，其分辨率为=19 9 9 9FS=0.01FS。显然，位数越多，分辨率就越高。,43,标称满量程与实际满量程。标称满量程(NFS)是指相应于数字量标称值2n的模拟输出量。但实际数字量最大为2n-1，要比标称值小1个LSB，因此，实际满量程(AFS)要比标称满量程(NFS)小1个LSB增量。即,例如，1个8位DA转换器，参考电压为-5V时，其标称满量程为+5V，而实际满量程为(255/256)(+5V)=+4.98V。,44,精度。DA转换器的转换精度与DA转换集成芯片的结构和接口配置的电路有关。一般说来，不考虑其它DA转换误差时，DA的转换精度即为其分辨率的大小，故要获得高精度的DA转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的DA转换器。但是DA转换精度还与外电路的配置有关，当外电路的器件或电源误差较大时，会造成较大的DA转换误差，当这些误差超过一定程度时，会使增加DA转换位数失去意义。在DA转换中，影响转换精度的主要误差因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。,45,失调误差(或称零点误差)失调误差定义为数字输入为全0码时，其模拟输出值与理想输出值之偏差值。对于单极性DA转换，模拟输出的理想值为零伏点，对于双极性DA转换，此理想值为负域满量程。偏差值的大小一般用LSB的份数或用偏差值相对于满量程的百分数表示。一定温度下的失调误差可以通过外部调整措施进行补偿。有些DA集成芯片设置有调零端，外接电位器调零。有些转换器不设置专门的调零端，要求用户采取外接校正用偏置电路加到运算放大器求和端的办法来消除输出失调电压或电流。,46,增益误差(或称标度误差)DA转换器的输出与输入传递特性曲线的斜率称为DA转换增益或标度系数，实际转换的增益与理想增益之间的偏差值称为增益误差。增益误差在消除失调误差后用满码(全1)输入时，其实际输出值与理想输出值(实际满量程)之间的偏差表示，一般也用LSB增益量的份数或偏差值相对于满量程的百分数来度量。,47,一定温度下的增益误差也可以通过外部调整措施实现补偿。如果校正前DA的传递特性只存在有失调误差和增益误差，如上图所示，消除失调误差后，零点满足理想输出，再消除增益误差时，传递特性为理想状态。具体的调整方法是先对DA转换器输入全0码，通过电位器W2加入偏置，将输出失调电压补偿掉；然后输入全1码，再通过调整电位器W1改变IR大小，使输出模拟电压达到理想值。,图(a)是一种典型的单极性DA转换器的失调误差和增益误差校正电路。,48,非线性误差 DA转换的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线(通过两端的直线)之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。在转换器电路设计中，一般都要求非线性误差不大于12LSB。DA转换器的非线性误差一般不能采用简单的外部校正办法实现完全补偿。但是可以通过调整零点或增益使非线性偏差值均匀散布在理想特性曲线的两侧而使非线性误差大大减小。,49,(2)DA转换器的动态指标 DA转换器的动态指标有模拟电压的建立时间等。建立时间(ts)。建立时间ts是描述DA转换速率快慢的一个重要参数，一般所指的建立时间是指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内(稳定值，通常=1/2LSB)所经历的时间。如图所示。,50,DA转换器中的电阻网络、模拟开关及驱动电路均非理想电阻性器件，各种寄生参量及开关电路的延迟响应特性均会造成有限的转换速率，从而使转换器产生过渡过程。实际建立时间的长短不仅与转换器本身的转换速率有关，还与数字量变化的大小有关。输入数字从全0变到全1(或从全1变到全0)时，建立时间最长，称为满量程变化的建立时间。一般手册上给出的都是满量程变化建立时间。根据建立时间ts的长短，DA转换器分成以下几档：超高速 100ns 较高速 1 us 100ns 高 速 101 us 中 速 10010 us 低 速 100 us,51,(3)环境及工作条件影响指标一般情况下，影响DA转换精度的主要环境和工作条件因素是温度和电源电压变化。DA转换器的工作温度按产品等级分为军级、工业级和普通级，标准军级品可工作于-5 5+1 2 5，工业级工作温度为-2 5+8 5，而普通级工作温度为070。多数器件其静、动态指标均为2 5的环境温度下测得的，环境温度对各项精度指标的影响用其温度系数来描述，例如失调温度系数、增益温度系数、微分非线性误差的温度系数等。DA转换器受电源变化影响的指标为电源变化抑制比(PSRR)，它用电源变化1V时所产生的输出误差相对满量程的比值来描述，以ppmV表示。,52,2、DA转换集成芯片为了简化DA转换接口，提高接口的可靠性及稳定性，DA转换集成芯片不断地将一些DA转换外围器件集成到芯片内部。主要结构特征是：内部带有参考电压源；大多数芯片有输出放大器，可实现模拟电压的单极性或双极性输出；由于带有参考电压源和输出放大器，芯片的工作电源大多使用双极性电源。这类系列芯片主要有：(1)AD558。AD558是能完全与微处理器兼容的廉价8位DA转换芯片，片内带有精密的能隙基准电压，总线接口简单，无须外加器件及微调即可与单片机8位数据总线相连。该芯片可以使用单一+5V电源工作，但在这种状态下只能输出0+25 6V模拟电压，要获得双极性电压输出时，要外接偏置电路。(2)DAC82。DAC82是B-B公司生产的8位能完全与微处理器兼容的DA转换芯片，片内带有基准电压和调节电阻。无须外接器件及微调即可与单片机8位数据总线相连。芯片工作电压为1 5V，可以直接输出单极性或双极性的电压(O+1 0v，1 0V)和电流(01.6mA，.8mA)。,53,(3)DAC8 1 1。DAC8 1 1是B-B公司生产的微机兼容1 2位DA转换器，其内部有精密的基准电压、微机接口逻辑、双缓冲锁存器和电压输出放大器。输出模拟电压为1 0V、5v、+10v。快速的电流开关和激光微调薄膜电阻网络提高了转换器的精度和速度。在整个工作温度范围内非线性误差小于士12LSB。(4)DAC7 08709。DAC708709是B-B公司生产的1 6位微机完全兼容的DA转换芯片，具有双缓冲输入寄存器，片内有基准电源及电压输出放大器。数字量可并行或串行输入，模拟量可电压或电流输出。,54,四、D/A实例,（一）串行输入D/A芯片TLC5615接口技术（二）并行输入芯片及接口技术（略，本科知识）,55,（一）串行输入D/A芯片TLC5615接口技术,TLC5615是具有3线串行接口的数/模转换器。其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，上电时把DAC寄存器复位至全0。TLC5615的性能价格比较高，市场售价比较低。,56,1.TLC5615的特点,10位CMOS电压输出；5 V单电源工作；与微处理器3线串行接口（SPI）；最大输出电压是基准电压的2倍；输出电压具有和基准电压相同的极性；建立时间12.5 s；内部上电复位；低功耗，最高为1.75 mW；引脚与MAX515兼容。,57,2.功能方框图,TLC5615的功能方框图如图所示。,图 TLC5615功能方框图,58,3.引脚排列及功能,TLC5615的引脚排列及功能说明分别见图及表。,图TLC5615引脚图,表引脚功能,59,4.TLC5615的时序分析,TLC5615的时序图如图941所示。,图941 时序波形图,60,5.TLC5615的输入/输出关系,图的D/A输入/输出关系如表所列。,图942 TLC5615与89C51接口电路,表99 D/A转换关系,61,因为TCL5615芯片内的输入锁存器为12位宽，所以要在10位数字的低位后面再添上两位数字。为不关心状态。串行传送的方向是先送出高位MSB，后送出低位LSB。,如果有级联电路，则应使用16位的传送格式，即在最高位MSB的前面再加上4个虚位，被转换的10位数字在中间。,MSB,LSB,62,6.TLC5615与89C51的串行接口电路,图942为TLC5615和89C51单片机的接口电路。将89C51要输出的12位数据存在R0和R1寄存器中，其D/A转换程序如下：CLR P3.0；片选有效MOV R2,#4；将要送入的前4位数据位数MOV A，R0；前4位数据送累加器低4位SWAP A；A中高4位和低4位互换（4位数在高位）LCALL WRdata；由DIN输入前4位数据MOV R2，#8；将要送入的后8位数据位数MOV A，R1；8位数据送入累加器ALCALL WRdata；由DIN输入后8位数据CLR P3.1；时钟低电平SETB P3.0；片选高电平，输入的12位数据有效RET；结束送数子程序如下：WRdata：NOP；空操作LOOP：CLR P3.1；时钟低电平RLC A；数据送入进位位CYMOV P3.2，C；数据输入TLC5615有效SETB P3.1；时钟高电平DJNZ R2，LOOP；循环送数RET,63,END,