模擬輸出通道

2.2模擬輸出通道學(xué)院：電子信息與自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)：信號(hào)分析處理姓名：----

微機(jī)化測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)輸出通道數(shù)字信號(hào)輸出通道模擬信號(hào)輸出通道測(cè)試結(jié)果的數(shù)字記錄（數(shù)字磁記錄或光記錄、打印紙記錄）測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)傳輸主要用于對(duì)連續(xù)變量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制測(cè)試結(jié)果的數(shù)字顯示（LED、LCD顯示、CRT）2.2.1模擬輸出通道的基本理論一、零階保持與平滑濾波模擬信號(hào)數(shù)字化三環(huán)節(jié)：數(shù)字信號(hào)模擬化兩環(huán)節(jié)：量化采樣編碼由采樣開關(guān)或多路開關(guān)完成由A/D轉(zhuǎn)換器完成D/A保持討論：與“采樣”相反的“保持”是什么意思？怎樣實(shí)現(xiàn)？

1.如何填補(bǔ)采樣點(diǎn)之間的空白？

方法一：把相鄰采樣點(diǎn)之間用直線連接起來(lái)，稱為“一階保持”方式。方法二：每個(gè)采樣點(diǎn)的幅值保持到下一個(gè)采樣點(diǎn)，稱為“零階保持”方式。這種方式很容易用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。（a）一階保持（b）零階保持圖2-2-1一階保持與零階保持零階保持的電路實(shí)現(xiàn)寄存器寄存器寄存器D/AD/AD/AD/AS/HS/HS/H………(a)數(shù)字保持方式(b)模擬保持方式圖2-2-2零階保持器的兩種形式數(shù)據(jù)保持方式,模擬保持方式

上圖a為數(shù)據(jù)保持方式，即在D/A之間加設(shè)一個(gè)寄存器，讓每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)在該寄存器中一直寄存到本路信號(hào)的下個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)到來(lái)為止，這樣D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形就不是離散的脈沖電壓，而是連續(xù)的臺(tái)階電壓。上圖b為模擬保持方式，即在公用的D/A之后每路加一個(gè)采樣保持器，保持器將D/A轉(zhuǎn)換器輸出子樣電壓保持到本路信號(hào)的下一個(gè)采樣電壓產(chǎn)生時(shí)為止。這樣采樣保持器輸出波形也是連續(xù)的臺(tái)階電壓。圖中的采樣保持器都起到零階保持的作用。g02TsTs3Ts4Ts5Tstf1(t)f(t)圖2-2-3零階保持器的輸出波形0ωs

ω2ωs

3ωs

Ts-πΦ(ω)Tst0(a)(b)圖2-2-4零階保持器的單位沖激響應(yīng)（a）和頻率響應(yīng)（b）模擬輸出通道的基本理論可以通過(guò)推導(dǎo)得:其中:稱為基帶頻譜稱為調(diào)制頻譜由下圖可知,保持器的頻譜響應(yīng)具有突出基帶作用,可以部分阻止調(diào)制分量通過(guò),所以,零階保持器輸出是階梯狀.為了平滑處理,引入一低通濾波器.

F(ω)

稱為基帶頻譜，F(xiàn)’(ω)稱為調(diào)制頻譜。為了使這些階梯變平滑，就需要一個(gè)低通濾波器將漏過(guò)的調(diào)制頻譜F’(ω)濾掉，而將基帶頻譜F(ω)保留下來(lái)。具有這種功能的低通濾波器成為平滑濾波器。

平滑濾波器H1（ω）H(ω)ω2ωsωsωc10Ts圖2-2-5零階保持和平滑濾波器的作用二、保持周期的確定

零階保持器的保持周期Ts為Ts=mt0，如果輸出通道中設(shè)定的保持周期Ts與模擬信號(hào)輸入通道中設(shè)定的采樣周期T相等，即Ts=T，則經(jīng)零階保持和平滑濾波后恢復(fù)的信號(hào)波形理論上與輸入保持相同。但若不滿足以上條件，而只保持固定的比例關(guān)系，即Ts/T=a(常數(shù))，則恢復(fù)的模擬信號(hào)f0(t)=f(t/a)。

三、數(shù)字自動(dòng)增益控制（AGC）討論：為什么要采用數(shù)字自動(dòng)增益控制（AGC）？簡(jiǎn)單的說(shuō)--就是把輸出信號(hào)取出一部分處理之后返回輸入端控制放大器或者處理電路的增益,使之保持在一個(gè)水平之內(nèi).比如我們說(shuō)話的音量,說(shuō)出去之后耳朵會(huì)取樣,告訴大腦我們現(xiàn)在說(shuō)話的聲音有多大,再由大腦控制說(shuō)話的音量.耳朵在這個(gè)過(guò)程中就是AGC電路輸出就是嘴,放大器和處理電路就是大腦.2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)寄存器D/A調(diào)理電路記錄器顯示器模擬輸出通道終端圖2-2-6模擬輸出通道的基本組成模擬信號(hào)輸出通道基本結(jié)構(gòu)單通道多通道數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分配同時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模擬分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)比較和選擇一、數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換電路此電路不適合于要求多參量同步控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)寄存器R1數(shù)據(jù)寄存器R1數(shù)據(jù)寄存器R1控制邏輯D/AD/AD/A調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)…………圖2-2-7數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換電路二、數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換電路D/AD/AD/A調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)………數(shù)據(jù)寄存器R1數(shù)據(jù)寄存器R1數(shù)據(jù)寄存器R1…數(shù)據(jù)寄存器R1數(shù)據(jù)寄存器R1數(shù)據(jù)寄存器R1…計(jì)算機(jī)控制邏輯圖2-2-8數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換電路三、模擬分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)……采樣保持器采樣保持器采樣保持器…D/A轉(zhuǎn)換器寄存器控制邏輯（a）調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)……跟隨保持放大器跟隨保持放大器跟隨保持放大器…模擬多路切換器控制邏輯D/A轉(zhuǎn)換器寄存器計(jì)算機(jī)（b）圖2-2-9分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu)四、比較和選擇1.比較：模擬分配方案因受存儲(chǔ)電容漏電因素的影響，通道輸出的穩(wěn)定性不易做得很好，但是由于存儲(chǔ)電容的積分平滑作用，通道的輸出不會(huì)出現(xiàn)大幅度的突跳現(xiàn)象，同時(shí)整個(gè)通道的成本較低；相比之下，數(shù)字分配方案電路復(fù)雜，成本較高，且通道的輸出存在突跳現(xiàn)象。但這種通道的輸出十分穩(wěn)定，輸出的精度和平滑程度僅由DAC的線性誤差和分辨力決定。2.選擇：1）對(duì)于中等分辨力（8位到10位）的輸出通道，采用2-2-8的方案能獲得較好的性能，成本與模擬不相上下。2）高于12位的輸出通道由于當(dāng)前存儲(chǔ)電容的介質(zhì)吸附效應(yīng)指標(biāo)不夠理想，要使S/H滿足高分辨力和高速度的要求還比較困難，故雖然成本較高，但仍須采用2-2-8方案。2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用一、D/A轉(zhuǎn)換器1.D/A位數(shù)的確定儀表精度δ應(yīng)與D/A位數(shù)相匹配，即δ=2-n,若模擬執(zhí)行元件的分辨率為VTH,它所需要的控制信號(hào)的最大擺幅為Vmax,,則用來(lái)提供這一模擬信號(hào)的DAC的位數(shù)應(yīng)該滿足下式：閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)其分辨力的要求比開環(huán)系統(tǒng)低。2.主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇（1）數(shù)字輸入特性，應(yīng)外接適當(dāng)?shù)钠秒娐泛蟛拍軐?shí)現(xiàn)雙極性D/A轉(zhuǎn)換。（2）模擬輸出特性（3）鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制（4）參考源，不僅能保持較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡(jiǎn)化接口電路。（1）數(shù)字輸入特性

D/A轉(zhuǎn)換器芯片一般都只能接收自然二進(jìn)制數(shù)字代碼。因此，當(dāng)輸入數(shù)字代碼為偏移二進(jìn)制碼或2的補(bǔ)碼等雙極性數(shù)碼時(shí)，應(yīng)外接適當(dāng)?shù)钠秒娐泛蟛拍軐?shí)現(xiàn)雙極性D/A轉(zhuǎn)換。輸入數(shù)據(jù)格式一般為并行碼，對(duì)于芯片內(nèi)部配置有移位寄存器的D/A轉(zhuǎn)換器，可以接收串行碼輸入。不同的D/A芯片輸入邏輯電平要求不同。對(duì)于固定閾值電平的D/A轉(zhuǎn)換器一般只能和TTL或低壓CMOS電路相連，而有些邏輯電平可以改變的D/A轉(zhuǎn)換器可以滿足與TTL、高低壓CMOS、PMOS等各種器件直接連接的要求。（2）模擬輸出特性

對(duì)于輸出特性具有電流源性質(zhì)的D/A轉(zhuǎn)換器(如DAC08)，用輸出電壓允許范圍來(lái)表示由輸出電路(包括簡(jiǎn)單電阻負(fù)載或者運(yùn)算放大器電路)造成輸出端電壓的可變動(dòng)范圍。只要輸出端的電壓小于輸出電壓允許范圍，輸出電流和輸入數(shù)字之間就會(huì)保持正確的轉(zhuǎn)換關(guān)系，而與輸出端的電壓大小無(wú)關(guān)。對(duì)于輸出特性為非電流源特性的D/A轉(zhuǎn)換器，如AD7520，DAC1020等，無(wú)輸出電壓允許范圍指標(biāo)，電流輸出端應(yīng)保持公共端電位或虛地，否則將破壞其轉(zhuǎn)換關(guān)系。（3）鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制圖2-2-8

若D/A轉(zhuǎn)換器沒(méi)有輸入鎖存器，通過(guò)CPU數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)字量時(shí)，必須外加鎖存器，否則只能通過(guò)具有輸出鎖存功能的I/O口給D/A送入數(shù)字量。有些D/A轉(zhuǎn)換器并不是對(duì)輸入的數(shù)字量立即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，而是在外部施加了轉(zhuǎn)換控制信號(hào)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(shí)控制多路D/A輸入時(shí)，可做到多路D/A轉(zhuǎn)換的同步輸出，如上圖228所示。（4）參考電源

參考電壓源是惟一影響輸出結(jié)果的模擬參量，是D/A轉(zhuǎn)換接口中的重要電路，對(duì)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)，不僅能保持較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡(jiǎn)化接口電路。二、調(diào)理電路：輸出通路中的調(diào)理電路有濾波、電壓/電流轉(zhuǎn)換和放大等幾種形式。

1、濾波器：平滑濾波器可以采用截頻為的低通濾波器。2、V/I轉(zhuǎn)換和F/V轉(zhuǎn)換電流有利于長(zhǎng)距離傳輸，電動(dòng)單元組合儀表DDZ-Ⅱ型以0-10毫安為標(biāo)準(zhǔn)，DDZ-Ⅲ型4-20毫安為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電流。大多數(shù)D/A電路的輸出為電壓信號(hào)，通常設(shè)置了電壓/電流(V/I)轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。頻率量輸入通道和頻率量輸出通道：占用總線數(shù)量少，易于遠(yuǎn)距離傳送，抗干擾能力強(qiáng)。常用V/F轉(zhuǎn)換器、F/V轉(zhuǎn)換電路。3、線性功率放大器

直流伺服控制中經(jīng)常要用到線性功率放大器，在用于開關(guān)量控制的輸出通道中大量使用開關(guān)型功率放大器。