第3课模拟信号输出通道

1、北航自动化学院北航自动化学院 计算机测控技术计算机测控技术第二单元第二单元 计算机测控接口计算机测控接口于劲松于劲松检测与自动化工程系检测与自动化工程系 新主楼新主楼 E9021北航自动化学院 第二节第二节 模拟输出通道模拟输出通道v 模拟量输出通道的任务模拟量输出通道的任务把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号：或电流信号：1)1)实现对连续变量的执行机构进行控制；实现对连续变量的执行机构进行控制； 2)2)送到模拟显示器或模拟记录装置形成测试信号送到模拟显示器或模拟记录装置形成测试信号的模拟显示或模拟记录。的模拟显示或模拟记录。2北航

2、自动化学院 2.2.1 模拟量输出通道的基本理论模拟量输出通道的基本理论2.2.2 模拟量输出通道的基本结构模拟量输出通道的基本结构2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用第二节第二节 模拟输出通道模拟输出通道3北航自动化学院 2.2.1 模拟量输出通道的基本理论模拟量输出通道的基本理论 1. 零阶保持与平滑滤波零阶保持与平滑滤波模拟信号数字化得到数据是模拟信号在各个采样时刻模拟信号数字化得到数据是模拟信号在各个采样时刻瞬时幅值的瞬时幅值的A/D转换结果，再进行转换结果，再进行D/A转换也只能得到转换也只能得到模拟信号各个采样时刻的近似幅值（存在量化误差）模拟信号各个采

3、样时刻的近似幅值（存在量化误差）。易采用电易采用电路实现路实现4北航自动化学院 2.2.1 模拟量输出通道的基本理论模拟量输出通道的基本理论通常采用输出锁存器实现零阶保持(a)数据保持方式数据保持方式，加寄存器，稳定性好。，加寄存器，稳定性好。(b)模拟保持方式模拟保持方式，共用的，共用的D/A后每路加采样保后每路加采样保持器持器,在保持期间保持电压会因保持电容漏电而在保持期间保持电压会因保持电容漏电而跌落。稳定性差跌落。稳定性差,但形式简单但形式简单,成本低成本低零阶保持器的两种形式零阶保持器的两种形式5北航自动化学院 2.2.1 模拟量输出通道的基本理论模拟量输出通道的基本理论6北航自动化

4、学院 2.2.1 模拟量输出通道的基本理论模拟量输出通道的基本理论 2. 保持周期的确定保持周期的确定对输入信号对输入信号f(t) 和模拟输出信号和模拟输出信号f0(t)存在如下存在如下关系：关系：TS/T=a(常数常数)TS 保持周期保持周期T 采样周期采样周期则：则： f0(t)= f(t/a) a的取值视情况而定，如语音回放，要求的取值视情况而定，如语音回放，要求=17北航自动化学院 2.2.1 模拟量输出通道的基本理论模拟量输出通道的基本理论 3.数字自动增益控制：数字自动增益控制： 如果希望模拟输出信号与模拟输入信号动态范围不同，如果希望模拟输出信号与模拟输入信号动态范围不同，可采用

5、变增益的数字自动增益控制技术。可采用变增益的数字自动增益控制技术。GdD2其中：其中：d 为输出通道送去记录的子样数据（如第为输出通道送去记录的子样数据（如第i道第道第j次）次）D 为定点二进制数送到为定点二进制数送到D/A转换器进行转换转换器进行转换8北航自动化学院 2.2.2 模拟量输出通道的基本结构模拟量输出通道的基本结构寄存器寄存器 D/A 调理电路调理电路 显示器显示器(1)寄存器寄存器: 与高速的计算机总线接口，实现零阶保持与高速的计算机总线接口，实现零阶保持器作用器作用(2)D/A转换器转换器: 模拟信号输出的核心模拟信号输出的核心(3)调理电路调理电路: 低通滤波、隔离、信号功

6、率放大等低通滤波、隔离、信号功率放大等(4)执行机构、显示器、记录器执行机构、显示器、记录器: 如直流电机等与测控如直流电机等与测控对象联结对象联结9执行机构执行机构 记录器记录器 北航自动化学院 多通道模拟量输出三种基本结构形式：多通道模拟量输出三种基本结构形式：v1. 数据分配分时转换结构数据分配分时转换结构寄存器寄存器 D/A 调理电路调理电路 执行机构执行机构 寄存器寄存器 D/A 调理电路调理电路 执行机构执行机构 寄存器寄存器 D/A 调理电路调理电路 执行机构执行机构 控制逻辑控制逻辑。计算机计算机2.2.2 模拟量输出通道的基本结构模拟量输出通道的基本结构10分时结构，各通道输

7、出模拟分时结构，各通道输出模拟信号存在时间偏斜，不同步信号存在时间偏斜，不同步数字保持数字保持:稳定稳定北航自动化学院 v2. 2. 数据分配同步转换结构数据分配同步转换结构寄存器寄存器 D/A 调理电路调理电路 执行机构执行机构 控制逻辑控制逻辑寄存器寄存器 寄存器寄存器 D/A 调理电路调理电路 执行机构执行机构 寄存器寄存器 寄存器寄存器 D/A 调理电路调理电路 执行机构执行机构 寄存器寄存器 。计算机计算机2.2.2 模拟量输出通道的基本结构模拟量输出通道的基本结构11信号间的时间差由第二个数信号间的时间差由第二个数据寄存器的同步作用所消除据寄存器的同步作用所消除数字保持数字保持:稳

8、定稳定北航自动化学院 v3.3.模拟分配分时转换结构模拟分配分时转换结构寄存器寄存器D/A调理电路调理电路采样保持器采样保持器执行机构执行机构采样保持器采样保持器采样保持器采样保持器调理电路调理电路执行机构执行机构调理电路调理电路执行机构执行机构控制逻辑控制逻辑2.2.2 模拟量输出通道的基本结构模拟量输出通道的基本结构(a)12只有正在进行转换的那个通道的采样保持器是采样状态只有正在进行转换的那个通道的采样保持器是采样状态, ,而其它通道的而其它通道的采样保持器处于保持状态采样保持器处于保持状态。北航自动化学院 寄存器寄存器D/AD/A调理电路调理电路跟随保持跟随保持放大器放大器执行机构执行

9、机构跟随保持跟随保持放大器放大器跟随保持跟随保持放大器放大器调理电路调理电路执行机构执行机构调理电路调理电路执行机构执行机构控制逻辑控制逻辑模拟多路开模拟多路开关关2.2.2 模拟量输出通道的基本结构模拟量输出通道的基本结构(b)13模拟保持模拟保持:稳定性不好，成本低，电路简单稳定性不好，成本低，电路简单（a)a)中的多路采样保持器可简单用中的多路采样保持器可简单用MUXMUX和多个跟随保持放大器代替和多个跟随保持放大器代替。北航自动化学院 1. D/A转换器转换器2. 反多路开关和采样保持器反多路开关和采样保持器3. 输出调理电路输出调理电路2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通

10、道组成电路的选用14北航自动化学院 1. D/A转换器转换器输入：数字量，输出：模拟量输入：数字量，输出：模拟量转换过程：转换过程：送到送到DACDAC的各位二进制数按其的各位二进制数按其权的大小转换为相应的模拟分量，再把各权的大小转换为相应的模拟分量，再把各模拟分量叠加，其和就是模拟分量叠加，其和就是D/AD/A转换的结果。转换的结果。2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用15北航自动化学院 加权电阻网络D/A转换器运算放大器Vref位切换开关0位1位2位3位VARfR2R4R8R二进制数据输入+-A模拟量输出2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电

11、路的选用16（1 1）加权电阻网络）加权电阻网络D/AD/A转换转换D/AD/A转换器工作原理：转换器工作原理：)2222(2)(0011223340123ddddVIIIIRVreffo2/:RRf如果北航自动化学院 (2)(2)倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换电路原理转换电路原理图中 D3 D2 D1 D0是4位二进制数字量输入，当D3 D2 D1 D0中的某一位状态为1时，图中开关打向右方，为0 时，开关打向左方。图（a）倒T型电阻网络D/A转换原理图R2R2R2R2RRRRRD0D1D2D3节点3节点2节点1节点0IVREF+-VOUTI3I2I1I0RFIOUT1IOU

12、T22.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用17北航自动化学院 VREF为基准电压输入，Vout是电压模拟量输出。由运算放大器概念可知：Vout=-RFIout1Iout1 是开关打向右端的各支路电流 Ii之和，实际上（其中 就是数字量D3 D2 D1 D0的某一位）Di301iOUTDiIiI2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用18北航自动化学院 等效电路图(b)R2R2R2R2RRRRRD0D1D2D3节点3节点2节点1节点0IVREFI3I2I1I0由等效电路图（b）可知，各支路电流分别为： RVREFI42RVREFI81RVREFI

13、160RVREFI232.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用19北航自动化学院 iiiRVFOUTDRVREF30162上式右边iiiD302表示的就是数字量D3 D2 D1 D0的值（按权展开），而左边是模拟量输出值，可见模拟量输出正比于数模拟量输出正比于数字量输入，即实现了字量输入，即实现了D/AD/A转换。转换。请思考请思考：倒T型电阻网络相对于权电阻网络有什么优势？ 2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用20北航自动化学院 D/A转换器使用注意事项：转换器使用注意事项：两种输出形式两种输出形式:电压输出电压输出形式与形式与电流输出电流

14、输出形式。形式。电流输出的电流输出的D/A转换器，如需模拟电压输出，转换器，如需模拟电压输出，可在其输出端加一个可在其输出端加一个I-V转换转换电路。电路。(1) (1) 输出形式输出形式 使用使用D/A转换器时，要注意区分转换器时，要注意区分:* D/A转换器的输出形式转换器的输出形式 * 内部是否带有锁存器内部是否带有锁存器(2) D/A(2) D/A转换器内部是否带有锁存器转换器内部是否带有锁存器2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用21北航自动化学院 D/A转换需要一定时间且测控计算机接口总线不转换需要一定时间且测控计算机接口总线不能被能被D/A独占，所以独占

15、，所以D/A输入端必须设置锁存器，输入端必须设置锁存器，以提供数据锁存功能。根据芯片内是否带有锁以提供数据锁存功能。根据芯片内是否带有锁存器，可分为存器，可分为内部无锁存器的内部无锁存器的和和内部有锁存器内部有锁存器的两类。的两类。内部锁存器对接口的影响内部锁存器对接口的影响2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用22北航自动化学院 * * 内部无锁存器的内部无锁存器的D/AD/A转换器转换器可与可与MCS-51的的P1、P2口口直接相接（因直接相接（因P1口和口和P2口的输出有锁存功能）。但与口的输出有锁存功能）。但与P0口口相接，需增加相接，需增加锁存器。锁存器。*

16、 * 内部带有锁存器的内部带有锁存器的D/AD/A转换器转换器 内部不但有锁存器，还包括地址译码电路，有的内部不但有锁存器，还包括地址译码电路，有的还有双重或多重的数据缓冲电路，可与还有双重或多重的数据缓冲电路，可与MCS-51的的P0口直接相接。口直接相接。2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用23北航自动化学院 主要技术指标主要技术指标: :(1)(1)分辨率分辨率输入给输入给DAC的的单位数字量变化单位数字量变化引起的模拟引起的模拟量输出的变化，通常量输出的变化，通常定义为输出满刻度值定义为输出满刻度值与与2n之比。显然，二进制位数越多，分辨率之比。显然，二进制

17、位数越多，分辨率越高。越高。2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用24北航自动化学院 例如例如:若满量程为若满量程为10V，根据定义则分辨率为，根据定义则分辨率为10V/2n。设。设8位位D/A转换，即转换，即n=8，分辨率为，分辨率为10V/2n =39.1mV，该，该值占满量程的值占满量程的0.391%，用符号，用符号1LSB表示。表示。同理：同理：10位位 D/A：1 LSB=9.77mV=0.1% 满量程满量程 12位位 D/A：1 LSB=2.44mV=0.024% 满量程满量程根据对根据对DAC分辨率的需要分辨率的需要,来选定来选定DAC的位数。的位数。

18、2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用25北航自动化学院 描述描述DAC转换快慢的参数转换快慢的参数,表明转换速度。表明转换速度。定义：定义：为从输入数字量到输出达到终值误差为从输入数字量到输出达到终值误差(1/2)LSB(最低有效位最低有效位)时所需的时间。时所需的时间。电流输出电流输出时间较短，而电压输出需加上完成时间较短，而电压输出需加上完成I-V转换的时间，转换的时间，因此建立时间要长一些。快速因此建立时间要长一些。快速DAC可达可达1 s以下。以下。(2)(2)建立时间建立时间2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用26北航自动化学院

19、 (3(3）精度）精度理想情况，精度与分辨率基本一致，理想情况，精度与分辨率基本一致，位数越多精位数越多精度越高。但由于电源电压、参考电压、电阻等各度越高。但由于电源电压、参考电压、电阻等各种因素存在着误差。种因素存在着误差。严格讲精度与分辨率并不完严格讲精度与分辨率并不完全一致全一致。位数相同，分辨率则相同，但相同位数的不同位数相同，分辨率则相同，但相同位数的不同转换器精度会有所不同。转换器精度会有所不同。例如例如，某型号的，某型号的8位位DAC精度为精度为0.19%，另一型号的，另一型号的8位位DAC精度为精度为0.05%。2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用2

20、7北航自动化学院 DAC0832的引脚及逻辑结构的引脚及逻辑结构引脚：引脚：2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用28北航自动化学院 DAC0832DAC0832的逻辑结构的逻辑结构2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用29北航自动化学院 DAC0832引脚功能：引脚功能：DI0DI0DI7DI7：8 8位数字信号输入端位数字信号输入端CSCS* *： 片选端。片选端。ILEILE： 数据锁存允许控制端，高电平有效。数据锁存允许控制端，高电平有效。WR1WR1* *：输入寄存器写选通控制输入寄存器写选通控制端。当端。当CSCS* *=0=0、

21、ILE=1ILE=1、WR1WR1* *=0=0时，数据信号被锁存在输入寄时，数据信号被锁存在输入寄存器中。存器中。XFERXFER* *：数据传送控制数据传送控制。2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用30北航自动化学院 WR2* ：DAC寄存器写选通控寄存器写选通控制端。当制端。当XFER*=0，WR2* =0时，输入寄存器状态传入时，输入寄存器状态传入DAC寄存器中。寄存器中。IOUT1：电流输出电流输出1端，输入数字端，输入数字量全量全“1”时，时，IOUT1最大，最大， 输入数输入数字量全为字量全为“0”时，时，IOUT1最小。最小。 2.2.3 模拟输出通

22、道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用31IOUTIOUT2 2：D/AD/A转换器电流输出转换器电流输出2 2端，端，IOUTIOUT2 2+IOUT+IOUT1 1= =常数。常数。R Rfbfb：外部反馈信号输入端，外部反馈信号输入端， 内部已有反馈电阻内部已有反馈电阻R Rfbfb， 根据需要也可外接反馈电阻。根据需要也可外接反馈电阻。北航自动化学院 VccVcc：电源输入端，可在电源输入端，可在+5V+5V+15V+15V范范围内。围内。DGNDDGND：数字信号地。数字信号地。AGNDAGND：模拟信号地。模拟信号地。“8 8位输入寄存器位输入寄存器”用于存放用于存放CPUCP

23、U送来的数字量，使输送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由入数字量得到缓冲和锁存，由LE1LE1* *控制；控制；“8 8位位DACDAC寄存器寄存器” 存放待转换的数字量，由存放待转换的数字量，由LE2LE2* *控制；控制；“8 8位位D/AD/A转换电路转换电路”由由T T型电阻网络和电子开关组成，型电阻网络和电子开关组成，T T型电阻网络输出和数字量成正比的模拟电流。型电阻网络输出和数字量成正比的模拟电流。2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用32北航自动化学院 DAC的应用的应用接口与接口与DACDAC的具体应用有关。的具体应用有关。(1) (1) 单

24、极性电压输出单极性电压输出单极性模拟电压输出，可采用下页图所示接单极性模拟电压输出，可采用下页图所示接线。输出电压线。输出电压V Voutout与输入数字量与输入数字量B B的关系的关系: : V Voutout = = B B* *（V VREFREF/256/256）式中，式中，B=b7B=b72 27 7+ b6+ b62 26 6+ + b1+ b12 21 1+ b0+ b02 20 0； V VREFREF/256/256为一常数。为一常数。2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用33 B为为0时，时，Vout也为也为0，输入数字量为，输入数字量为255时，

25、时，Vout为为最大值，输出电压为单极性。最大值，输出电压为单极性。 北航自动化学院 2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用34北航自动化学院 v利用利用D/A的电阻网络构成放大器反馈电阻的电阻网络构成放大器反馈电阻 RF2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用35(2) (2) 采用采用D/AD/A构成程控放大器构成程控放大器北航自动化学院 DAC作程控放大器原理图作程控放大器原理图DAC的输出和输入之间的关系的输出和输入之间的关系: V Voutout = -(V = -(Vinin* *B B）/256/256B/256B/256看作看作

26、放大倍数放大倍数。2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用36v利用利用DAC0832构成程控放大器构成程控放大器北航自动化学院 R2R2R2R2RRRRRD0D1D2D3节点3节点2节点1节点0IVi+-VOUTI3I2I1I0RFIOUT1IOUT2Vout = B*（Vi/16）B=b3*8+b2*4+ b1*2+ b0*12.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用37v利用利用D/A电阻网络构成程控放大器的输入电阻电阻网络构成程控放大器的输入电阻采用采用D/A构成程控放大器应构成程控放大器应用用v 采用DAC7520十位D/A转换器构成99

27、.999倍程控转换器，步进量为0.001RF/9=(1024/1000)*RR2R2R2R2RRRRD0D1D2D9节点节点9节点节点2节点节点1节点节点0IVi+-VOUTI3I2I1I0RFIOUT1IOUT2。北航自动化学院 D/A位数的确定位数的确定vD/A的位数取决于输出模拟信号所需的的位数取决于输出模拟信号所需的动态范围动态范围（1）不失真再现输入模拟信号）不失真再现输入模拟信号 与输入通道所选用的与输入通道所选用的A/D转换器位数相同转换器位数相同（2）用于观察输入信号的动态范围：选）用于观察输入信号的动态范围：选57位位D/A2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组

28、成电路的选用39北航自动化学院 v计算机闭环控制系统中，被控对象的参数精度由计算机闭环控制系统中，被控对象的参数精度由检测通道的精度保证，检测通道的精度保证，D/A的位数可以比的位数可以比A/D的的位数低位数低2位位 2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用40THnVVmax2（3）开环控制系统）开环控制系统 如模拟执行元件的分辨力为如模拟执行元件的分辨力为VTH，所需的控制信所需的控制信号最大摆幅（动态范围）为号最大摆幅（动态范围）为Vmax，则，则D/A的位数：的位数：北航自动化学院 D/A主要结构特性与应用特性的选择主要结构特性与应用特性的选择v数字输入特性：一般接收自然二进制码数字输入特性：一般接收自然二进制码v模拟输出特性：多数为电流性输出模拟输出特性：多数为电流性输出v锁存特性及转换控制：影响接口设计锁存特性及转换控制：影响接口设计v参考源：通常采用内部低漂移参考源参考源：通常采用内部低漂移参考源2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用41北航自动化学院 422. 反多路开关和采样保持器反多路开关和采样保持器2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用