模擬輸出通道

1、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)化測試系統(tǒng)微機(jī)化測試系統(tǒng)信號(hào)輸出通道信號(hào)輸出通道數(shù)字信號(hào)輸數(shù)字信號(hào)輸出通道出通道模擬信號(hào)輸模擬信號(hào)輸出通道出通道測試結(jié)果的數(shù)字記錄（數(shù)字磁記錄或光記錄、測試結(jié)果的數(shù)字記錄（數(shù)字磁記錄或光記錄、打印紙記錄）打印紙記錄）測試結(jié)果的數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果的數(shù)據(jù)傳輸主要用于對連續(xù)變量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制主要用于對連續(xù)變量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制測試結(jié)果的數(shù)字顯示（測試結(jié)果的數(shù)字顯示（LED、LCD顯示、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一、零階保持與平滑濾波模擬信號(hào)數(shù)字化三環(huán)節(jié)：模擬信號(hào)數(shù)字化三環(huán)節(jié)：數(shù)

2、字信號(hào)模擬化兩環(huán)節(jié)：數(shù)字信號(hào)模擬化兩環(huán)節(jié)：量化量化采樣采樣編碼編碼由采樣開關(guān)或多由采樣開關(guān)或多路開關(guān)完成路開關(guān)完成由由A/D轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換器完成D/A保持保持討論：與“采樣”相反的“保持”是什么意思？怎樣實(shí)現(xiàn)？ 1. 1.如何填補(bǔ)采樣點(diǎn)之間的空白？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，稱為方法一：把相鄰采樣點(diǎn)之間用直線連接起來，稱為“一階保持一階保持”方式。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“零階保持零階保持” 方式。這種方式很容易用電路來實(shí)現(xiàn)。方式。這種方式很容易用電路來實(shí)現(xiàn)。（a）一階保持）一

3、階保持（b）零階保持）零階保持圖圖2-2-1 一階保持與零階保持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)字保持方式數(shù)字保持方式 (b)模擬保持方式模擬保持方式 圖圖2-2-2 零階保持器的兩種形式零階保持器的兩種形式數(shù)據(jù)保持方式,模擬保持方式 上圖上圖a a為數(shù)據(jù)保持方式，即在為數(shù)據(jù)保持方式，即在D/AD/A之間加設(shè)一個(gè)寄存器，讓之間加設(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)到來為止，這樣樣點(diǎn)數(shù)據(jù)到來為止，這樣D/AD/A

4、轉(zhuǎn)換器輸出波形就不是離散的脈轉(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。沖電壓，而是連續(xù)的臺(tái)階電壓。 上圖上圖b b為模擬保持方式，即在公用的為模擬保持方式，即在公用的D/AD/A之后每路加一個(gè)采之后每路加一個(gè)采樣保持器，保持器將樣保持器，保持器將D/AD/A轉(zhuǎn)換器輸出子樣電壓保持到本路信號(hào)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。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。圖中的采樣保持器都起到零階保持的作用。g02TsTs3Ts 4Ts 5Tstf1(t

5、)f(t)圖圖2-2-3 零階保持器的輸出波形零階保持器的輸出波形0s 2s 3s Ts-()Tst0(a)(b)圖圖2-2-4 零階保持器的單位沖激響應(yīng)（零階保持器的單位沖激響應(yīng)（a）和頻率響應(yīng)（和頻率響應(yīng)（b）模擬輸出通道的基本理論可以通過推導(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,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(F( ) ) 稱為基帶頻譜，稱為基帶頻譜，F(xiàn)(F( ) )稱為調(diào)制頻譜。為了使這些稱為調(diào)制頻譜。為了使這些 階梯變平滑，就需要一個(gè)低通濾波器將漏過的調(diào)制頻譜階梯變平滑，

6、就需要一個(gè)低通濾波器將漏過的調(diào)制頻譜F(F( ) )濾掉，濾掉，而將基帶頻譜而將基帶頻譜F(F( ) )保留下來。具有這種功能的低通濾波器成為平滑保留下來。具有這種功能的低通濾波器成為平滑濾波器。濾波器。 ( )sFT平滑濾波器平滑濾波器H1（） H()2ssc10Ts( )sFT圖圖2-2-5 零階保持和平滑濾波器的作用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零階保持器的保持周期TsTs為為Ts=mtTs=mt0 0，如如果輸出通道中設(shè)定的保持周期果輸出通道中設(shè)定的保持周期TsTs與模擬與模擬信號(hào)輸入通道中設(shè)定的采樣周期信號(hào)輸入通道中設(shè)定的采樣周期T T 相等，相等

7、，即即Ts=TTs=T，則經(jīng)零階保持和平滑濾波后恢，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。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，而只保持固定的但若不滿足以上條件，而只保持固定的比例關(guān)系，即比例關(guān)系，即Ts/T=a(Ts/T=a(常數(shù)常數(shù)) )，則恢復(fù)的，則恢復(fù)的模擬信號(hào)模擬信號(hào) f f0 0(t)=f(t/a)(t)=f(t/a)。 三、數(shù)字自動(dòng)增益控制（AGC）討論：討論：為什么要采用數(shù)字自動(dòng)增益控制（為什么要采用數(shù)字自動(dòng)增益控制（AGC）？）？ 簡單的說簡單的說-就是把輸出信號(hào)取出一部分處理之后返回就是把輸出信號(hào)取出一部分處理之后返回輸入端控制放大器

8、或者處理電路的增益輸入端控制放大器或者處理電路的增益,使之保持在使之保持在一個(gè)水平之內(nèi)一個(gè)水平之內(nèi).比如我們說話的音量比如我們說話的音量,說出去之后耳朵會(huì)取樣說出去之后耳朵會(huì)取樣,告訴大告訴大腦我們現(xiàn)在說話的聲音有多大腦我們現(xiàn)在說話的聲音有多大,再由大腦控制說話的再由大腦控制說話的音量音量.耳朵在這個(gè)過程中就是耳朵在這個(gè)過程中就是AGC電路電路 輸出就是嘴輸出就是嘴,放放大器和處理電路就是大腦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)寄存器寄存器D/A調(diào)理電路調(diào)理電路記錄器記錄器顯示器顯示器模擬輸出通道模擬輸出通道終終端端圖圖2-2-6 模擬輸出通道的基本組成模擬輸出通道的基本

9、組成模擬信號(hào)輸出模擬信號(hào)輸出通道基本結(jié)構(gòu)通道基本結(jié)構(gòu)單通道單通道多通道多通道數(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)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)模擬分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)比較和選擇比較和選擇一、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)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)主主計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寄存器寄存器R1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寄存器寄存器R1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寄存器寄存器R1控制邏輯控制邏輯D/AD/AD/A調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)圖圖2-2-7 數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)

10、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)控制邏輯圖圖2-2-8 數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換電路數(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)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)采樣采樣保持器保持器采樣采樣保持器保持器采樣采樣保持器保持器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器寄存器寄存器控制邏輯控制邏輯（a）調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路調(diào)理電路執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)跟隨保持跟隨保持放大器

11、放大器跟隨保持跟隨保持放大器放大器跟隨保持跟隨保持放大器放大器模模擬擬多多路路切切換換器器控制邏輯控制邏輯D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器寄存器寄存器計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)（b）圖圖2-2-9 分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu)分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu)四、比較和選擇1. 1.比較：比較： 模擬分配方案因受存儲(chǔ)電容漏電因素的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，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，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，同時(shí)整個(gè)通道的成本較低；相比之

12、下，數(shù)字分配方案電路復(fù)雜，成本較高，且數(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的輸出十分穩(wěn)定，輸出的精度和平滑程度僅由度僅由DACDAC的線性誤差和分辨力決定。的線性誤差和分辨力決定。2. 2.選擇：選擇：1 1）對于中等分辨力（）對于中等分辨力（8 8位到位到1010位）的輸出位）的輸出通道，采用通道，采用2-2-82-2-8的方案能獲得較好的性的方案能獲得較好的性能，成本與模擬不相上下。能，成本與模擬不相上下。2 2）高于）高于1212位的輸出通道由于當(dāng)前存儲(chǔ)電容位的輸出通道由于當(dāng)前存儲(chǔ)電容的介

13、質(zhì)吸附效應(yīng)指標(biāo)不夠理想，要使的介質(zhì)吸附效應(yīng)指標(biāo)不夠理想，要使S/HS/H滿足高分辨力和高速度的要求還比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，但仍須采用較困難，故雖然成本較高，但仍須采用2-2-82-2-8方案。方案。2.2.3 模擬輸出通道組成電路的選用一、一、D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1.D/A1.D/A位數(shù)的確定位數(shù)的確定 儀表精度儀表精度 應(yīng)與應(yīng)與D/AD/A位數(shù)相匹配，即位數(shù)相匹配，即 =2=2-n,-n,若模若模擬執(zhí)行元件的分辨率為擬執(zhí)行元件的分辨率為V VTHTH, ,它所需要的控制信它所需要的控制信號(hào)的最大擺幅為號(hào)的最大擺幅為V Vmax,max, ,則用來提供這一

14、模擬信號(hào)則用來提供這一模擬信號(hào)的的DACDAC的位數(shù)應(yīng)該滿足下式：的位數(shù)應(yīng)該滿足下式： 閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對其分辨力的要求比開環(huán)系閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對其分辨力的要求比開環(huán)系統(tǒng)低。統(tǒng)低。max2nTHVV2. 2.主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇（1 1）數(shù)字輸入特性，應(yīng)外接適當(dāng)?shù)钠茫?shù)字輸入特性，應(yīng)外接適當(dāng)?shù)钠秒娐泛蟛拍軐?shí)現(xiàn)雙極性電路后才能實(shí)現(xiàn)雙極性D/AD/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。（2 2）模擬輸出特性）模擬輸出特性（3 3）鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制）鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制（4 4）參考源，不僅能保持較好的轉(zhuǎn)換精）參考源，不僅能保持較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡化接口電路。度，而且可以簡化接

15、口電路。（1） 數(shù)字輸入特性 D/AD/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，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)制碼或當(dāng)輸入數(shù)字代碼為偏移二進(jìn)制碼或2 2的補(bǔ)碼等雙極性數(shù)碼時(shí)，應(yīng)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)雙極性外接適當(dāng)?shù)钠秒娐泛蟛拍軐?shí)現(xiàn)雙極性D/AD/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。 輸入數(shù)據(jù)格式一般為并行碼，對于芯片內(nèi)部配置有移位寄輸入數(shù)據(jù)格式一般為并行碼，對于芯片內(nèi)部配置有移位寄存器的存器的D/AD/A轉(zhuǎn)換器，可以接收串行碼輸入。轉(zhuǎn)換器，可以接收串行碼輸入。 不同的不同的D/AD/A芯片輸入邏輯電平要求不同。對于固定閾值電平芯

16、片輸入邏輯電平要求不同。對于固定閾值電平的的D/AD/A轉(zhuǎn)換器一般只能和轉(zhuǎn)換器一般只能和TTLTTL或低壓或低壓CMOSCMOS電路相連，而有些邏輯電路相連，而有些邏輯電平可以改變的電平可以改變的D/AD/A轉(zhuǎn)換器可以滿足與轉(zhuǎn)換器可以滿足與TTLTTL、高低壓、高低壓CMOSCMOS、PMOSPMOS等各種器件直接連接的要求。等各種器件直接連接的要求。（2） 模擬輸出特性 對于輸出特性具有電流源性質(zhì)的對于輸出特性具有電流源性質(zhì)的D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器( (如如DAC08)DAC08)，用，用輸出電壓允許范圍來表示由輸出電路輸出電壓允許范圍來表示由輸出電路( (包括簡單電阻負(fù)載或者包括簡單電阻

17、負(fù)載或者運(yùn)算放大器電路運(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關(guān)。對于會(huì)保持正確的轉(zhuǎn)換關(guān)系，而與輸出端的電壓大小無關(guān)。對于輸出特性為非電流源特性的輸出特性為非電流源特性的D/AD/A轉(zhuǎn)換器，如轉(zhuǎn)換器，如AD7520AD7520，DAC1020DAC1020等，無輸出電壓允許范圍指標(biāo)，電流輸出端應(yīng)保持公共端電等，無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。位或

18、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)換器沒有輸入鎖存器，通過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，是參考電壓源是惟一影響輸出結(jié)果的模擬參量，是D/AD/A轉(zhuǎn)換接口中的重要電路，對接口電路

19、的工作性能、轉(zhuǎn)換接口中的重要電路，對接口電路的工作性能、電路的結(jié)構(gòu)有很大影響。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使用內(nèi)部帶有低漂移精密參考電壓源的D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器( (如如AD563/565A)AD563/565A)，不僅能保持較好的轉(zhuǎn)換精度，而，不僅能保持較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡化接口電路。且可以簡化接口電路。 二、調(diào)理電路：二、調(diào)理電路：輸出通路中的調(diào)理電路有輸出通路中的調(diào)理電路有濾波、電壓濾波、電壓/ /電流轉(zhuǎn)換和放大等幾種形式。電流轉(zhuǎn)換和放大等幾種形式。 1 1、濾波器：平滑濾波器可以采用截頻為、濾波器：平滑濾波器可以采用截頻為 的低通濾波器。的低通濾波器。2 2、V/IV/I轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換和F/VF/V轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電流有利于長距離傳輸，電動(dòng)單元組合儀表電流有利于長距離傳輸，電動(dòng)單元組合儀表DDZ-DDZ-型以型以0-100-10毫毫安為標(biāo)準(zhǔn)，安為標(biāo)準(zhǔn)， DDZ- DDZ-型型4-204-20毫安為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電流。毫安為標(biāo)準(zhǔn)