计算机控制系统课设.docx

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计算机控制系统课设

课程设计（综合实验）报告

（2011--2012年度第学期）

名称：

计算机控制技术与系统

题目：

数字控制系统I/O通道方案设计与实现

院系：

自动化

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

设计周数：

1

成绩：

日期：

2012年月日

《计算机控制技术与系统》课程设计

任务书

一．目的与要求

1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；

2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；

3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；

4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用任务的要求，进行方案的总体设计和分析评估；

5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。

二、设计正文

（一）、相关基础知识回顾：

1、DA转换功能定义：

随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。

由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。

这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。

将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器）；A/D转换器和D/A转换器已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。

本报告中采用的设计是51单片机与4个DAC0832组成一个4路同步D/A转换输出电路，可以将4组不同的数字信号进行同步转换输出，再将小信号通过放大器进行放大输出，得到所需要的可以观察的模拟信号。

2、D/A器件性能参数：

　　⑴分辨率。

分辨率是指最小输出电压（对应于输入数字量最低位增1所引起的输出电压增量）和最大输出电压（对应于输入数字量所有有效位全为1时的输出电压）之比，

　　例如，4位DAC的分辨率为1/（24-1）=1/15=6.67%（分辨率也常用百分比来表示）。

8位DAC的分辨率为1/255=0.39%。

显然，位数越多，分辨率越高。

　　⑵转换精度。

如果不考虑D/A转换的误差，DAC转换精度就是分辨率的大小，因此，要获得高精度的D/A转换结果，首先要选择有足够高分辨率的DAC。

　　D/A转换精度分为绝对和相对转换精度，一般是用误差大小表示。

DAC的转换误差包括零点误差、漂移误差、增益误差、噪声和线性误差、微分线性误差等综合误差。

绝对转换精度是指满刻度数字量输入时，模拟量输出接近理论值的程度。

它和标准电源的精度、权电阻的精度有关。

相对转换精度指在满刻度已经校准的前提下，整个刻度范围内，对应任一模拟量的输出与它的理论值之差。

它反映了DAC的线性度。

通常，相对转换精度比绝对转换精度更有实用性。

⑶非线性误差。

D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。

⑷转换速率/建立时间。

从发出启动转换开始直至获得稳定的二进代码所需的时间称为转换时间，转换时间与转换器工作原理及其位数有关，同种工作原理的转换器，通常位数越多，其转换时间越长。

转换速率实际是由建立时间来反映的。

建立时间是指数字量为满刻度值（各位全为1）时，DAC的模拟输出电压达到某个规定值（比如，90%满量程）时所需要的时间。

　建立时间是D/A转换速率快慢的一个重要参数。

很显然，建立时间越大，转换速率越低。

不同型号DAC的建立时间一般从几个毫微秒到几个微秒不等。

若输出形式是电流，DAC的建立时间是很短的；若输出形式是电压，DAC的建立时间主要是输出运算放大器所需要的响应时间。

（5）、量程是指输入模拟电压的变化范围。

例如某转换器具有10V的单极性范围或-5～+5V的双极性范围。

则它们的量程都为10V。

满刻度只是个名义值，实际的A/D，D/A转换器的最大输出值总是比满刻度值小1/2n，n为转换器的位数。

例如12位的A/D转换器，其满刻度值为10V，而实际的最大输出值为:

3、D/A转换的工作原理：

为了将数字量转换为模拟量，需要将每位代码按照其“权”值转换为相应的模拟量（仅指模拟电压），然后再把对应于各位代码的模拟量加起来，所得模拟量的总和，就是与被转换数字量相对应的模拟量。

 D／A转换器的具体电路有多种形式，其中解码网络是普通采用的形式，解码网络的主要形式是T型电阻网络。

推广到n位，输出模拟量与输入数字量之间关系的一般表达式为：

　上式表明，输出电压V0除了和待转换的二进制数成比例外，还和网络电阻R、运算放大器反馈电阻R0、标准参考电压VREF有关。

4、DAC芯片类型及接口方法

各种类型的DAC芯片都具有数字量输入端和模拟量输出端及基准电压端。

数字输入端有以下几种类型：

①无数据锁存器，②带单数据锁存器，③带双数据锁存器，④可接收串行数字输入。

第1种在与单片机接口时，要外加锁存器，第2种和第3种可直接与单片机接口，第4种与单片机接口十分简单，接收数据较慢，适用于远距离现场控制的场合。

模拟量输出有两种方式：

电压输出及电流输出。

电压输出的DAC芯片相当于一个电压源，其内阻很小，选用这种芯片时，与它匹配的负载电阻应较大。

电流输出的芯片相当于电流源，其内阻较大，选用这种芯片时，负载电阻不可太大。

在实际应用中，常选用电流输出的DAC芯片实现电压输出，如图所示：

5、典型D／A转换器的芯片DAC0832结构与接口方式

DAC0832是一个8位D/A转换器芯片，单电源供电，从+5V～+15V均可正常工作，基准电压的范围为±10V，电流建立时间为1µs，CMOS工艺，低功耗20mm。

其内部结构由1个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成。

（1）芯片的技术特性。

DAC0832采用双列直插式20条引脚的封装，主要特性如下：

    ①单一的电源电压（十5V），功耗20mW。

    ②输入／输出电平与TTL兼容。

    ③分辨率8位。

    ④电流稳定时间l㎲。

    ⑤可采用双缓冲、单缓冲或直通输入方式。

    ⑥可直接与一般通用的微处理机相连。

⑦只需在满量程下调整其线性度。

（2）芯片引脚功能

　CS——片选信号，和允许锁存信号ILE组合来决定是否起作用，低有效。

　　ILE——允许锁存信号，高有效。

　　WR1——写信号1，作为第一级锁存信号，将输入数据锁存到输入寄存器（此时必须和CS、ILE同时有效），低有效。

　　WR2——写信号2，将锁存在输入寄存器中的数据送到DAC寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号XFER必须有效），低有效。

　　XFER——传输控制信号，低有效。

　　DI7~DI0——8位数据输入端。

　　IOUT1——模拟电流输出端1。

当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为0时，输出电流为0。

　　IOUT2——模拟电流输出端2。

IOUT1+IOUT2=常数。

　　Rfb——反馈电阻引出端。

DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端。

相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。

　　VREF——参考电压输入端。

可接电压范围为±10V。

外部标准电压通过VREF与T型电阻网络相连。

　　VCC——芯片供电电压端。

范围为+5V~+15V，最佳工作状态是+15V。

　　AGND——模拟地，即模拟电路接地端。

　　DGND——数字地，即数字电路接地端。

（3）芯片结构：

芯片主要由三部分组成：

    一部分是信号控制逻辑；另一部分是D／A转换器，输出的方式为电流输出形式；第三部分是由两个8位的数据锁存器构成双缓冲形式，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号是ILE，第二级锁存器也称为DAC寄存器。

它的锁存信号XFER。

有了两级锁存器，芯片可工作在双锁存器的工作方式，即在输出模拟信号的同时，送入下一个数据，这样可有效地提高转换速度。

     另外，有了两级锁存器以后，可以在多个DAC同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个DAC的同时输出。

（4）、工作原理简介：

DAC0832是典型的带内部双数据缓冲器的8位D/A芯片。

图中LE是寄存命令，当LE=1时，寄存器输出随输入变化，当LE=0时，数据锁存在寄存器中。

当ILE端为高电平，CS与WR1同时为低电平时，使得LE1=1；当WR1变为高电平时，输入寄存器便将输入数据锁存。

当XFER与WR2同时为低电平时，使得LE2=1，DAC寄存器的输出随寄存器的输入变化，WR2上升沿将输入寄存器的信息锁存在该寄存器中。

（5）、DAC0832的三种工作方式：

DAC0832利用WR1、WR2、ILE、XFER控制信号可以构成三种不同的工作方式。

1）直通方式——WR1=WR2=0时，数据可以从输入端经两个寄存器直接进入D/A转换器。

2）单缓冲方式——两个寄存器之一始终处于直通，即WR1=0或WR2=0，另一个寄存器处于受控状态。

3）双缓冲方式——两个寄存器均处于受控状态。

这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。

1）单缓冲方式

此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形。

方法是单缓冲方式就是使0832的两个输入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，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。

为使DAC寄存器处于直通方式，应使WR2=0和XFER=0。

为此可把这两个信号固定接地，或如电路中把WR2与WR1相连，把XFER与CS相连。

为使输入寄存器处于受控锁存方式，应把WR1接8051的WR，ILE接高电平。

此外还应把CS接高位地址线或地址译码输出，以便于对输入寄存器进行选择。

2）双缓冲方式

此方式适用于多个DAC0832同时输出的情形。

在多路D/A转换的情况下，若要求同步转换输出，必须采用双缓冲方式。

DAC0832采用双缓冲方式时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步进行的。

方法是先分别使这些DAC0832的输入寄存器接收数据，再控制这些DAC0832同时传送数据到DAC寄存器以实现多个D/A转换同步输出。

第一，CPU分时向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中。

第二，CPU对所有的D/A转换器发出控制信号，使各路输入寄存器中的数据进入DAC寄存器，实现同步转换输出。

下图为两片DAC0832与8031接实现的双缓DI冲方式连接电路，能实现两路同步输出。

实现两路同步输出的程序如下：

MOVDPTR，#0DFFFH；送0832

（1）输入锁存器地址

MOVA，#data1；data1送0832

（1）输入锁存器

MOVX@DPTR，A；

MOVDPTR，#0BFFFH；送0832

（2）输入锁存器地址

MOVA，#data2；data2送0832

（2）输入锁存器

MOVX@DPTR，A；

MOVDPTR，#7FFFH；送两路DAC寄存器地址

MOVX@DPTR，A；两路数据同步转换输出

3〕直通方式

此方式适用于连续反馈控制线路中。

方法是：

数据不通过缓冲器，即WR1,WR2,XFER,CS均接地，ILE接高电平。

此时必须通过I/O接口与微处理器连接，以匹配微处理器与D/A的转换。

（6）、DA