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1,2.2模拟输出通道,,,,微机测控技术,2,测控系统的信号输出通道的类型,1、数字信号输出通道2、模拟信号输出通道,微机测控技术,3,数字信号输出通道的功能,1、测量结果的数字显示（LED、LCD显示、CRT显示）；2、测量结果的数字记录数字磁记录或光记录、打印纸记录等；3、测量结果的数据传输。,微机测控技术,4,模拟信号输出通道的功能,1、测量系统模拟信号输出通道是将测量获得的数据转换成模拟信号并经必要信号调理后送到模拟显示器或模拟记录装置形成测量信号的模拟显示或模拟记录。2、控制系统模拟输出通道的输出模拟信号主要用于对连续变量的执行机构进行驱动，完成序列控制动作。,微机测控技术,5,模拟输出通道的设计,一、模拟输出通道的基本理论二、模拟输出通道的基本结构三、模拟输出通道组成电路的选用,微机测控技术,6,一、模拟输出通道的基本理论,1、零阶保持与平滑滤波2、保持周期的确定3、数字自动增益控制AGC,微机测控技术,7,1、零阶保持与平滑滤波,模拟信号数字化一般包括以下三个环节1、采样由采样开关或多路开关完成的；2、量化由A/D转换器完成3、编码由A/D转换器完成模拟信号数字化，实际上只包括采样和A/D转换两道环节。相应的，如果要从控制器中输出的数字信号序列恢复出模拟信号也必须经过两个与上述过程相反的环节，即1、D/A转换2、保持,微机测控技术,8,保持的内容及实现,保持的内容将信号的当前值维持其大小至下一个周期。保持的实现采用各种类型的信号保持器。,微机测控技术,9,保持与采样的特点,1、保持是与采样相反的过程2、模拟信号数字化所得到的数据是模拟信号在各个采样时刻瞬时幅值的A/D转换结果。3、A/D转换结果再经过D/A转换后，也只能得到模拟信号各采样时刻近似幅值且与原幅值存在一定的量化误差。4、D/A转换后，得到了模拟信号波形上的若干非连续的采样点的值，并不能得到在时间上连续存在的波形。5、下级电路的驱动往往需要连续信号。,微机测控技术,10,保持的方式,保持方法在模拟输出通道中，为获得时间上连续的模拟信号，就必须采用一定的方法来填补相邻采样点之间的空白。这就是保持的实现。1、这种连接两个点来获得连续的模拟信号的保持方法，一般而言，有很多种方法，如，用折线、直线、抛物线等2、最常用也最简单最容易实现的两种方法就是一阶保持及零阶保持,微机测控技术,11,一阶保持及零阶保持的实现,根据实现时采用方程的阶次来定义一阶保持把相邻采样点之间用直线连接起来，如图a零阶保持把每个采样点的幅值保持到下一个采样点，如图b；,,微机测控技术,12,零阶保持的实现,零阶保持结构简单，便于硬件实现，这儿以零阶保持器为例进行说明。零阶保持电路的实现方式数字保持方式模拟保持方式,微机测控技术,13,数字保持方式,在D/A转换前加一个寄存器D/A或外电路中，各采样点的数据在该寄存器中一直保存到本路信号的下个采样点数据到来为止，D/A转换器输出不是离散的脉冲电压而是连续的台阶电压，如图上述电路中，也可采用一公用的D/A转换器，此时电路输出会有时间上延时，不能达到同步输出。,微机测控技术,14,模拟保持方式,在公用的D/A之后每路加一个采样保持器，采样保持器将D/A转换器输出的电压保持到本路信号的下一个采样电压产生时为止，采样保持器输出波形也是连续的台阶电压。如下图,微机测控技术,15,模拟及数字保持方式的特点,1、数字保持法保持数字信号，模拟保持法保持模拟电压信号；2、对于模拟保持方式，采样保持器的保持电容有漏电，因此保持电压会发生跌落；3、对于数字保持方式，数据寄存器在保持期间数据不会变化；,微机测控技术,16,,4、模拟保持的电路结构比数字保持的电路结构简单，成本较低；5、对于单通道的电路，采用数字保持的方式将优于采用模拟保持方式；,微机测控技术,17,平滑滤波,多数的实际控制系统中，执行机构往往需要连续的模拟信号来驱动，通道最终输出的模拟信号都具有连续特性的平滑信号，如ft。实际零阶保持器输出波形如图实线所示阶梯形状，有必要在D/A转换后或零阶保持器输出以后的电路中，设计合适电路，得到具有平滑输出的控制信号，满足系统输出要求。,,微机测控技术,18,平滑滤波的功能,为获得如上图中ft的光滑输出曲线，通常在电路中，在零阶保持器后加上合适的平滑滤波器。,微机测控技术,19,平滑滤波器的设置,通常取平滑滤波器的截止频率fh等于信号最高频率fc且等于保持频率的四分之一，即下式成立根据频谱分析，零阶保持器后接平滑滤波器，基本上可以从D/A转换器输出的离散脉冲序列中恢复出光滑的信号波形ft。,,微机测控技术,20,2、保持周期的确定,假设电路中共有m路模拟信号输出通道，微机每隔时间t0送出一个数据到输出通道，那么，对于前述的两种零阶保持电路，其保持周期TS都为TSmt0,微机测控技术,21,保持周期对输出波形的影响,1、如果模拟信号输出通道中设定的保持周期TS，与模拟信号输入通道中设定的采样周期T相等，即TST那么在输出通道中，经零阶保持和平滑滤波后恢复出来的模拟信号的波形f0t，从理论上与输入通道中被采样的模拟信号波形ft是相同的，即f0tft,微机测控技术,22,保持周期对输出波形的影响,2、保持周期与采样周期保持固定比例关系，即TS/Ta常数恢复出来的模拟信号应为f0tft/a也即输出波形与输入波形ft的形状是相似的，只不过时间轴刻度不同罢了。对波形显示并无影响。但是如果是语音回放，则应要求a＝1，否则将产生声音的音调变化，即a1会使音调变低，a1会使音调变高。,微机测控技术,23,二、模拟输出通道的基本结构,模拟输出通道的组成1、输出数据寄存器2、D／A转换器3、调理电路如下图所示,,微机测控技术,24,模拟信号输出通道的基本结构,模拟输出通道的分类，按信号输出路数来分1、单通道输出如上图所示2、多通道输出多通道的输出结构是在单通道输出结构的基础上演变而成的，主要包括以下三种1、数据分配分时转换结构2、数据分配同步转换结构3、模拟分配分时转换结构,微机测控技术,25,1、数据分配分时转换结构,数据分配分时转换结构如下图所示,,微机测控技术,26,数据分配分时转换结构的特点,1每个输出通道各配置一个数据寄存器和D/A转换器，经微机处理后的数据通过数据总线，分时选通送至各个通道数据寄存器；2当第i路数据寄存器选通的同时，第i路D/A即实现数字信号到模拟信号的转换。寄存器往往在DAC内部3各通道在D/A转换之后，一般都设有信号调理电路，使输出模拟信号满足模拟仪表或控制元件的要求。4分时输出结构由于各通道输出的模拟信号存在时间偏斜，不适合于要求多参量同步控制执行机构的系统。,微机测控技术,27,2、数据分配同步转换结构,,,,微机测控技术,28,数据分配同步转换结构的特点,1多路输出通道中D/A转换器的操作是同步进行的，信号可以同时到达记录仪器或执行部件。2在各数据寄存器R1与D/A转换器之间增设了一个数据寄存器R2。3数据总线分时选通主机的输出数据先后被各路数据寄存器R1接收，然后在同一命令控制下将数据由R1传送到R2，同时进行D/A转换并输出模拟量。R1、R2在DAC内，也可采用2级缓冲的外接电路4各通道输出的模拟信号不存在时间偏斜，主机分时送出的各信号之间的时间差，由第二个数据寄存器的同步作用所消除。,微机测控技术,29,3、模拟分配分时转换结构,,,,,微机测控技术,30,模拟分配分时转换结构的特点,1各通道共用一个D/A转换器和一个数据寄存器。2微机处理后的数据通过数据总线依通道顺序分时传送至数据寄存器并进行D/A转换，产生相应通道的模拟输出值。3微机输出在第i道数据给D/A转换器进行D/A转换的同时，微机也命令第i道的采样保持器进入采样状态；4在该通道D/A转换完成准备接收下一道数据进行D/A转换时，微机让该通道采样保持器进入保持状态。5只有正在进行D/A转换的那一通道的采样保持器是采样状态，而其它通道的采样保持器都处于保持状态。,微机测控技术,31,,上图中，输入端并联的多路采样保持器也可以简单地用一个模拟多路切换器MUX和多个存储电容及电压跟随器或跟随保持放大器来代替，如图所示,,,微机测控技术,32,模拟输出通道结构的分类,数字保持方案；分时转换结构与同步转换结构；模拟保持方案如上图所示。,微机测控技术,33,4、通道结构方案选择的特点,1、性能因素；2、成本因素,微机测控技术,34,性能因素,模拟分配方案的特点1、受存储电容漏电因素的影响，通道输出的稳定性不易做得很好；2、由于存储电容的积分平滑作用，通道的输出不会出现大幅度的突跳现象。3、只使用一个高质量的DAC，因此整个通道的成本较低。,微机测控技术,35,,数字分配方案的特点1、电路比较复杂，所以成本较高；2、通道的输出存在突跳现象。3、输出十分稳定，输出电压或电流的精度和平滑程度仅由DAC的线性误差和分辨力决定。,微机测控技术,36,成本因素,1、对中等分辨力8位到10位的DAC，由于价格较低，采用数据分配方案如可选用具有双缓冲输入寄存器的10位DAC，如AD7522能获得较好的性能，而成本与模拟分配方案不相上下。2、对于采用高分辩率10位至12位DAC的模拟输出通道，模拟分配方案在目前看来还占有成本比较低的优势。3、高于12位的输出通道由于当前存储电容的介质吸附效应指标不够理想，要使S/H满足高分辨力和高速度的要求还比较困难，因此虽然成本较高，仍然必须采用同步转换结构的方案。,微机测控技术,37,,4、当负载位置非常分散时，不宜采用同步转换结构的方案并行传输所用电缆数目多，成本高。5、为了减少数据传输线的数目，微机最好采用串行传输把数据，在地址指令控制下把串行数据变换为并行数据，接着刷新指令，控制该通道的输入寄存器R2从缓冲寄存器R1中并行取入数据进行D/A转换。,微机测控技术,38,三、模拟输出通道组成电路的选用,模拟输出通道通常由以下三部分电路组成1、D/A转换器2、反多路开关和采样保持器3、调理电路,微机测控技术,39,1、D/A转换器,D/A转换器是模拟信号输出通道的第一道环节，也是必不可少的核心环节。选用D/A转换器时，一般涉及到以下一些问题1、D/A转换的位数；2、D/A转换的速度；3、输入数据的格式；4、输入逻辑电平的形式；,微机测控技术,40,1D/A位数的确定,模拟信号输出通道中所用D/A转换器的位数取决于输出模拟信号所需要的动态范围。a、如果输出通道是为不失真再现模拟输入信号例如语音回放，那么输出通道所用D/A的位数应与输入通道中所用A/D的位数相同。b、如果输出通道只是为了形成监视波形，那么选57位D/A就够了，但在D/A转换之前须进行数字AGC控制。c、如果输出通道只是驱动指针式仪表，那么仪表精度指标应与D/A位数n相匹配，即满足下式,,,微机测控技术,41,,d、在开环控制系统中，若模拟执行元件的分辨力电压为VTH，它所需要的控制信号的最大摆幅为VMAX，则用来提供这一模拟信号的DAC的位数应该满足下式e、在闭环控制系统中，在任一时刻DAC输出的是误差信号，因此，对其分辨力的要求比开环系统低，其位数主要根据系统要求的线性范围来确定。根据经验，一般比所用的ADC位数少两位就能满足要求。f、如果负载并没有明确要求，通常取DAC位数等于系统输出数字的位数8位处理器。,,微机测控技术,42,2数字输入特性,D/A转换器的数字输入特性包括接收数码的码制、数据格式以及逻辑电平等。码制D/A转换器芯片一般都只能接收自然二进制码。当输人数字代码为偏移二进制码或2的补码等双极性数码时，应外接适当的偏置电路后才能实现双极性D／A转换。数据格式输入数据格式一般为并行码，对于芯片内部配置有移位寄存器的D/A转换器，可以接收串行码输入。,微机测控技术,43,逻辑电平,a、不同的D/A芯片输入逻辑电平要求不同。b、对于固定阈值电平的D/A转换器一般只能和TTL或低压CMOS电路相连；c、逻辑电平可变的D/A转换器可以满足与TTL、高低压CMOS、PMOS等各种器件直接连接的要求。这些器件往往为此设置了“逻辑电平控制”或者“阈值电平控制端”，用户要按手册规定，通过外电路给这一端以合适的电平才能工作。,微机测控技术,44,3模拟输出特性,a、多数D/A转换器件属电流输出器件。手册上通常给出在规定参考电压及参考电阻之下的满码全1输出电流I0。另外还给出最大输出短路电流以及输出电压允许范围。大部分D/A转换器后接高速运放电路电压输出AD558、DAC7612,微机测控技术,45,,b、输出允许电压D/A转换器输出电压允许范围表示由输出电路包括简单电阻负载或者运算放大器电路造成输出端电压的可变动范围。只要输出端的电压小于输出电压允许范围，输出电流和输入数字之间就会保持正确的转换关系，而与输出端的电压大小无关。c、电流输出端应保持公共端电位或虚地，否则将破坏转换关系。,微机测控技术,46,4锁存特性及转换控制,D/A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。DAC与CPU接口设计的注意点1、如果D/A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I/O口给D/A送入数字量。,微机测控技术,47,,2、部分D/A转换器并不对锁存的输入的数字量立即进行D/A转换，只有在外部施加了转换控制信号后才开始转换和输出。3、具有输入锁存及转换控制功能的DAC，在CPU分时控制多路D/A输入时，可以做到多路D/A转换的同步输出，如图同步转换结构所示。0832,,微机测控技术,48,5参考源,D/A转换器中，参考电压源是惟一影响输出结果的模拟参量，是D/A转换接口中的重要电路；电压基准的选择1、由于基准电压源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DACAD563/565A，不仅能保持较好的转换精度，而且可以简化接口电路。2、对只外接基准电压的D/A转换电路，选择稳定性好、温漂系数小的电压基准，并设计必要的稳压电路。,微机测控技术,49,2、反多路开关和采样保持器,反多路开关在多路模拟输出通道结构中，图中的MUX则是把多个开关的输入端并在一起，其功能是把单路串行输出的D/A转换电压按通道分离开来，变为多路并行分时输出的模拟电压。这与输入通道中的MUX功能有所区别，称之为反多路开关。,,微机测控技术,50,,采样保持器多路模拟输出通道结构中输出通道中的采样保持器与通常采集输入通道中采样保持器功能也是不一样的，在上图中，保持电路保持的是D/A转换后的模拟电压；而对于常用数据采集电路中，保持电路保持的是保持供A/D转换所需的模拟电压。,,微机测控技术,51,跌落误差,当D/A转换第i个通道数据时，第i个通道采样保持器便处于采样状态，其它时间均处于保持状态。每路采样保持器的保持时间tH均为m输出通道数，t0时间间隔。保持期间因保持电压跌落速率造成的跌落误差为根据采样保持器的误差计算式得,,,,,,微机测控技术,52,减少跌落误差的方法,1、精度要求较高应用中，应减少存储电容的漏电电流ID，增大存储电容CH，减少通道数m，缩短输出数据的时间间隔t0。2、如各路模拟通道负载有惯性储能性质，省去采样保持器，反多路开关直接驱动惯性元件或仪表。指针式仪表具有较大惯量，只要数据刷新率足够高，指针就不会出现抖动，平均指示值取决于脉动模拟输入值的占空比每刷新周期中开关闭合时间与刷新周期的比值。,微机测控技术,53,3、调理电路,模拟信号输出通路中的调理电路的组成1滤波、2电压/电流转换3放大调理电路并不是必不可少的，取决于输出通道负载的要求。,,,微机测控技术,54,1滤波器,如果输出通道负载要求较为平滑的电压输出，例如，要显示连续光滑的信号波形，则DAC输出端不仅要接S/H，而且S/H之后还要接平滑滤波器。平滑滤波器应为低通滤波器，截频fh应满足下式上式中，保持周期TS由下式决定,微机测控技术,55,平滑滤波器设置的前提,1、有些数据采集系统，为尽可能多地保留信号信息，模拟输入通道中设置的滤波器通频带很宽，难免混入各种干扰。在信号回放时，为突出有效信号压制干扰信号，通常在模拟输出通道中设置通频带很窄的滤波器，以滤除低频干扰和高频干扰。例如数字地震仪主要是把地震信号不失真地以数字形式记录下来,微机测控技术,56,,2、有些测量系统因模拟输入通道中已有高、低通滤波器滤除干扰，所以，模拟输出通道中只有平滑滤波器而无其它滤波器；3、有些并不要求平滑电压输出的场合，平滑滤波也可以不要。很高的输出频率时,微机测控技术,57,2电压/电流转换及频率/电压转换,电压/电流转换电流传输的优点1、有利于长距离传输；2、不易引入干扰；多数D/A电路的输出为电压信号，因此在测控系统的输出通道中常设置电压/电流V/I转换电路，以便将D/A电路输出的电压信号转换成电流信号。注DAC为电流输出器件，但D/A电路一般输出为电压信号,微机测控技术,58,,频率/电压转换频率信号传输的优点1、输出占用总线数量少；2、易于远距离传送；3、抗干扰能力强；,微机测控技术,59,,在有些测控系统中，常采用频率量输入/输出通道。频率量输入通道中使用V/F转换器，频率量输出通道中使用F/V转换器。通常没有专门用于F/V转换的集成器件，而是使用V/F转换器在特定的外接电路下构成F/V转换电路。一般的集成V/F转换器都具有F/V转换的功能。电压的大小与频率的大小成正比。,微机测控技术,60,3线性功率放大器,1、模拟信号输出通道中为了驱动模拟显示或记录装置，有时需要使用电压放大器，2、在用于模拟量控制的输出通道例如直流伺服控制中经常要用到线性功率放大器，3、在开关量控制的输出通道中大量使用开关型功率放大器。,微机测控技术,61,,4、线性功率放大器通常由分立元件或集成功率运放构成。在输出通道的直流伺服控制系统中，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。,微机测控技术,62,小结,,