有限拍無紋波的設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)第一章 有限拍無紋波調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是指在給定系統(tǒng)性能指標(biāo)的條件下，設(shè)計(jì)出數(shù)字調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)達(dá)到要求的性能指標(biāo)。本章介紹的離散化設(shè)計(jì)是在Z平面上設(shè)計(jì)的方法，對象可以用離散模型表示或者用離散化模型表示的連續(xù)對象。離散化設(shè)計(jì)比模擬設(shè)計(jì)精確，所以，離散化設(shè)計(jì)有的也稱為精確設(shè)計(jì)法。離散化設(shè)計(jì)時也應(yīng)該合理選擇采樣周期，系統(tǒng)必須工作在線區(qū)。1.1 有限拍無紋波設(shè)計(jì)思路1.1.1有限拍設(shè)計(jì)概述有限拍設(shè)計(jì)的要求是在系統(tǒng)在典型的輸入作用下，經(jīng)過盡可能少的采樣周期后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。并且，在采樣點(diǎn)之間沒有波紋。有限拍無波紋設(shè)計(jì)其實(shí)是一種時間的最優(yōu)控制。典型輸入的Z變換具有的形式

2、；有限拍隨動系統(tǒng)如圖示，圖1-1中D（z）是數(shù)字調(diào)節(jié)器模型，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，是零階保持器的傳遞函數(shù)。 R(S)D(Z)H0(S)G(S)_+Y(Z)TTT有限拍調(diào)節(jié)器零階保持器對象E（Z）圖1-1 有限拍隨動系統(tǒng)G(s)是控制對象的傳遞函數(shù)，零階保持器和控制對象離散化以后，成為廣義對象的Z傳遞函數(shù)HG(z)： HG(z)=Z （1-1）有限拍隨動系統(tǒng)的閉Z環(huán)傳遞函數(shù) （1-2）有限拍隨動系統(tǒng)的誤差Z傳遞函數(shù)= （1-3）有限拍隨動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器由（1-2）和（ 1-3）可得： （1-4）我們都清楚，隨動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間也就是系統(tǒng)的誤差e(kT)達(dá)到恒定值或趨于零所需要的時間，根據(jù)Z變換的定義： =（

3、1-5） 由式（1-5）就可知道。有限拍系統(tǒng)就是要求系統(tǒng)在典型的輸入作用下，當(dāng)kN時，為恒定值或等于零。N為盡可能小的正整數(shù)。由式（ 1-3）得 （1-6） 在特定的輸入作用下，為了使（1-6）式中E（z）是盡可能少的有限項(xiàng)，必須合理地選擇。若選擇= Mm的有限多項(xiàng)式，不含有（1-）因子。則可使E（z）是有限多項(xiàng)式。當(dāng)選M=m，且F（z）=1時，不僅可以使數(shù)字調(diào)節(jié)器簡單，階數(shù)比較低，而且還可以使E（z）的項(xiàng)數(shù)較少，因而調(diào)節(jié)時間較短，據(jù)此，對于不同的輸入，可以選擇不同的誤差Z傳遞函數(shù)。有限拍設(shè)計(jì)的方法、過程及其結(jié)構(gòu)雖然簡單明了，但是在設(shè)計(jì)的過程中我們還是要注意到以下問題：（1）有限拍系統(tǒng)對輸入形

4、式的適應(yīng)性差；（2）有限拍系統(tǒng)對參數(shù)的變化很敏感；（3）采樣頻率的上限受到飽和特性的限制；（4）有限拍系統(tǒng)不能保證采樣點(diǎn)之間的誤差為零或恒值，系統(tǒng)存在紋波，紋波對系統(tǒng)的工作是有害的。故為保證采樣點(diǎn)之間的誤差為零或恒值，需進(jìn)行有限拍無紋波的設(shè)計(jì)。1.1.2有限拍調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)有限拍系統(tǒng)采用Z變換方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采樣點(diǎn)上的誤差為零，不能保證采樣點(diǎn)之間誤差值為零，有限拍系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在采樣點(diǎn)之間存在紋波。紋波不僅造成誤差，也能消耗功率，消費(fèi)能量，而且造成機(jī)械摩損。有限拍的設(shè)計(jì)要求是在系統(tǒng)的典型輸入作用下，經(jīng)過盡可能少的采樣周期以后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。并且，在采樣點(diǎn)之間沒有紋波。波動是零階保持器的輸入的波動造

5、成的。有限拍無紋波設(shè)計(jì)就是要求當(dāng)kN時，保持恒值，或?yàn)榱?，N為某正數(shù)。由于 。若選定是的有限多項(xiàng)式，那么，在確定的輸入作用下，經(jīng)過有限拍，就能達(dá)到某恒定值，而且能保證系統(tǒng)的輸出沒有紋波。由（1-4）式，有限拍調(diào)節(jié)器，它跟系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)和輸入型式與選擇的有關(guān)，也跟對象的特性有關(guān)。 當(dāng)對象特性中包含因子以及單位圓上（z=1除外）和單位圓外的零點(diǎn)時，有限拍調(diào)節(jié)器將可能無法實(shí)現(xiàn)。設(shè) = 則 （1-7）式中是零點(diǎn)，是極點(diǎn)由式（1-7）可見，若中存在環(huán)節(jié)，則表示數(shù)字調(diào)節(jié)器應(yīng)具有超前特性，即在環(huán)節(jié)施加輸入信號之前r個采樣周期就應(yīng)當(dāng)由輸出，這樣的超前環(huán)節(jié)是不可能實(shí)現(xiàn)的。所以分子中含有因子時，必須使閉環(huán)Z

6、傳遞函數(shù)的分子中含有因子，以抵消中的因子，以免中出現(xiàn)超前環(huán)節(jié)。 在式（1-7）中，若在中，存在單位圓上（除外）和單位圓外的時，則將是發(fā)散不可實(shí)現(xiàn)的，因此，中不允許包含的這類零點(diǎn)，從而保證了的穩(wěn)定性。當(dāng)然，的分子部分增加了這些1（除外）的零點(diǎn)以外后，將使調(diào)節(jié)時間加長。由式（1-4），有限拍系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 。若對象特性的極點(diǎn)中，存在單位圓上（除外）或單位圓外的極點(diǎn)時，為了保證系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定，的單位圓上（除外）或單位圓外的極點(diǎn)，用的零點(diǎn)對消掉。有限拍系統(tǒng)采用Z變換方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，有限拍系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在采樣點(diǎn)之間存在紋波。有限拍的設(shè)計(jì)要求是在系統(tǒng)的典型輸入作用下，經(jīng)過盡可能少的采樣周期以后，系統(tǒng)達(dá)到

7、穩(wěn)定，并且在采樣點(diǎn)之間沒有紋波。1.1.3 采樣頻率的選擇 按照典型輸入的有限拍系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)時間為一個到幾個采樣周期T。也就是說調(diào)節(jié)時間跟有限拍系統(tǒng)的采樣周期T有關(guān)，那么，當(dāng)系統(tǒng)的采樣頻率無限增加，也就是采樣周期無限縮短時，系統(tǒng)地調(diào)節(jié)時間不是趨近于零了嗎？事實(shí)上，從能量的角度來說，這是不可能的，因?yàn)椴豢赡芴峁o窮大的能量，使系統(tǒng)在一瞬間從一種狀態(tài)進(jìn)入到另一種狀態(tài)。另外，由于采樣頻率的上限受到飽和特性的限制，不可能無限提高。1.1.4 有限拍無紋波設(shè)計(jì)有限拍系統(tǒng)采用Z變換方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采樣點(diǎn)上的誤差為零，不能保證采樣點(diǎn)之間誤差值為零，有限拍系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在采樣點(diǎn)之間存在紋波。紋波不僅造成誤差，也

8、能消耗功率，消費(fèi)能量，而且造成機(jī)械摩損。有限拍的設(shè)計(jì)要求是在系統(tǒng)的典型輸入作用下，經(jīng)過盡可能少的采樣周期以后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。并且，在采樣點(diǎn)之間沒有紋波。1.2對特定對象有限拍無紋波的設(shè)計(jì)步驟有限拍系統(tǒng)采用Z變換方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采樣點(diǎn)上的誤差為零，不能保證采樣點(diǎn)之間誤差值為零，有限拍系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在采樣點(diǎn)之間存在紋波。紋波不僅造成誤差，也能消耗功率，消費(fèi)能量，而且造成機(jī)械摩損。有限拍的設(shè)計(jì)要求是在系統(tǒng)的典型輸入作用下，經(jīng)過盡可能少的采樣周期以后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。并且，在采樣點(diǎn)之間沒有紋波。波動是零階保持器的輸入的波動造成的。有限拍無紋波設(shè)計(jì)就是要求當(dāng)kN時，保持恒值，或?yàn)榱?，N為某正數(shù)。由于。若選定

9、是的有限多項(xiàng)式，那么，在確定的輸入作用下，經(jīng)過有限拍，就能達(dá)到某恒定值，而且能保證系統(tǒng)的輸出沒有紋波。有限拍無波紋隨動系統(tǒng)如圖1-2，對象特性G(S)=10/S(1+0.1S) 采用零階保持器，采樣周期T=0.1S,設(shè)計(jì)單位階躍輸入時有限拍無波紋調(diào)節(jié)器D(Z)：R(S)D(Z)H0(S)G(S)_+Y(Z)TTT有限拍調(diào)節(jié)器零階保持器對象E（Z）圖1-2 有限拍隨動系統(tǒng)廣義對象的Z傳遞函數(shù)=HG(z)具有z-1因子，零點(diǎn)z1=-0.717,極點(diǎn)p1=1, p2=0.368。選擇 （1-7） Gc(z)中z-1和1+0.717z-1是由于HG(z)中含有z-1因子和零點(diǎn)z=-0.717，Ge(z

10、)中(1-z-1)2是由單位速度輸入決定的。而Gc(z)中(a0+a1z-1)的項(xiàng)和Ge(z)中的(b0+b1z-1)項(xiàng)是為了使Ge(z)和Gc(z)的階次相同，且使式子Gc(z)=1-Ge(z)成立。由式（4-34）可得解方程，可得 a0=1.408，a1=-0.826，b0=1，b1=0.592單位速度輸入時，有限拍無紋波調(diào)節(jié)器由Z變換定義可得 e2(0)=0 e2(T)=0.3825 e2(2T)=0.0174 e2(3T)=e2(4T)=e2(5T)=0.1 系統(tǒng)三拍以后，即k3，e2(kT)=0.1，所以系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間ts=3T=0.3s，并且可保證系統(tǒng)的輸出是無紋波的。與有紋波有限

11、拍系統(tǒng)一樣，按單位速度輸入設(shè)計(jì)的有限拍無紋波系統(tǒng)，當(dāng)輸入為單位階躍函數(shù)時，調(diào)節(jié)時間ts=3T=0.3s，超調(diào)量p相當(dāng)大。 為了作出有限拍無紋波系統(tǒng)的輸出相應(yīng)，（包括采樣點(diǎn)之間的輸出值），可以用廣義Z變換或擴(kuò)展Z變換求出然后求出相應(yīng)的y(t)。圖4.13表示有限拍無紋波系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。由上述分析可以得出，為了消除紋波，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間加長或者調(diào)節(jié)性能變壞。有限拍無紋波設(shè)計(jì)，仍然只是針對某種類型的輸入信號。當(dāng)輸入型式改變時，系統(tǒng)的動態(tài)性能通常變壞。以上就是對某一特定對象進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計(jì)的結(jié)果，并通過有限拍無波紋調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)思路和例題，實(shí)現(xiàn)了有限拍的設(shè)計(jì)目的：在系統(tǒng)的典型輸入作用下，經(jīng)過

12、盡可能少的采樣周期以后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。并且，在采樣點(diǎn)之間沒有紋波。第二章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬量輸出通道原則性設(shè)計(jì)2.1 模擬量輸出通道概述在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中反映生產(chǎn)過程工作狀況的信號既有模擬量，也有數(shù)字量（或開關(guān)量）；計(jì)算機(jī)作用于生產(chǎn)過程的控制信號也是如此。對計(jì)算機(jī)來說，其輸出必須是數(shù)字信號。因而模擬量輸出通道所要完成的功能是：把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制信號，轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號，作用在相應(yīng)的模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)被控對象的控制。2.2模擬量輸出通道的組成與結(jié)構(gòu)2.2.1模擬量輸出通道的組成模擬量輸出通道一般是由接口電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）和輸出驅(qū)動（V/I）電路構(gòu)成，其核心是數(shù)模轉(zhuǎn)換器，

13、簡稱D/A或DAC（Digital-to-Analog Converter）。通常也把模擬量輸出通道簡稱為D/A通道。模擬量輸出通道有兩種結(jié)構(gòu)形式，其一，是每個通道配置一個D/A轉(zhuǎn)換器，如圖2-21（a）所示；其二，是通過多路模擬開關(guān)共用一個D/A轉(zhuǎn)換器，如圖2-21（b）所示。 圖2-21模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)2.2.2模擬量輸出通道各組成部分的功能和作用由圖2-21可知，模擬量輸出通道各組成部分的功能和作用分述如下：（1）D/A轉(zhuǎn)換器是模擬量輸出通道中的核心部件，也是必不可少的部件。有關(guān)D/A轉(zhuǎn)換的原理及轉(zhuǎn)換器芯片，我們將在下面介紹。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率是表示D/A轉(zhuǎn)換精度的性能參數(shù)，與D/

14、A轉(zhuǎn)換器的字長直接相關(guān)，它表示D/A轉(zhuǎn)換器芯片接收的最小數(shù)字量（1LSB），所對應(yīng)的輸出模擬量。如何根據(jù)模擬量輸出通道的精度及整個系統(tǒng)的精度要求，來確定D/A轉(zhuǎn)換器的字長，我們將在下面進(jìn)行討論。（2）零階保持器 D/A轉(zhuǎn)換器是按照采樣周期T對控制器輸出的數(shù)字量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的，但由于D/A轉(zhuǎn)換器具有數(shù)據(jù)輸入所存功能，它能夠在接收下一組數(shù)字量之前，一直保持前一組數(shù)字量不變，因而D/A轉(zhuǎn)換器的輸出模擬量，能夠在一個采樣周期內(nèi)保持不變，也就是說，D/A轉(zhuǎn)換器本身就具有零階保持器的功能。零階保持器作用的實(shí)質(zhì)，就是在兩次輸出模擬量之間進(jìn)行插值，插值的結(jié)果能夠使時間軸上的離散信號，變?yōu)闀r間軸上的連續(xù)信號，

15、是由數(shù)字控制信號重構(gòu)模擬控制信號的重要步驟。（3）后置濾波器D/A轉(zhuǎn)換經(jīng)零階保持器輸出的信號，是時間軸上的連續(xù)信號，但信號的幅度值與數(shù)字信號量值對應(yīng)，只能有有限個可能的取值，不符合模擬信號的特征。因此，在模擬量輸出通道中，應(yīng)設(shè)置后置濾波器，對D/A轉(zhuǎn)換及零階保持環(huán)節(jié)輸出的信號，進(jìn)行濾波平滑處理，以得到真正的模擬信號。同樣，后置濾波也是由數(shù)字控制信號重構(gòu)模擬控制信號的重要步驟。（4）多路模擬開關(guān)模擬量輸出通道中，多路模擬開關(guān)的作用與模擬量輸入通道中多路模擬開關(guān)的作用剛好相反，即根據(jù)程序的控制，把D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬量，按照要求送到特定回路的模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，完成對相應(yīng)被控對象的控制。由于CD405

16、1芯片是可以雙向工作的，所以它也可以用在模擬量輸出通道中。（5）接口控制電路模擬量輸出通道中，接口控制電路具有控制數(shù)字信號的輸出、D/A轉(zhuǎn)換的啟停、多路模擬開關(guān)的切換等功能。有關(guān)模擬量輸出通道接口控制電路的原理、組成等內(nèi)容，我們將在后文進(jìn)行討論。（6）D/A通道的隔離電路由于D/A通道的輸出直接與被控對象連接，很容易引入干擾，必須采取相應(yīng)的措施，來抑制干擾對輸出信號的影響。通?？刹捎霉怆婑詈掀骷?，使得模擬電路的兩部分之間只存在光信號的耦合，如圖2-22所示。圖2-22D/A通道的光電隔離示意圖由圖2-22可見，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電流信號，經(jīng)兩級光電耦合器轉(zhuǎn)換為輸出電流 ，這樣，既可以滿足D/A

17、轉(zhuǎn)換的隔離要求，又實(shí)現(xiàn)了電壓/電流信號類型的變換。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選擇線性性能好，且參數(shù)相同的兩只光電耦合器，并始終讓它們工作在線性區(qū)域，以保證D/A轉(zhuǎn)換具有良好的轉(zhuǎn)換精度和線性度。當(dāng)然，我們也可以把光電耦合器件加在系統(tǒng)總線與D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)、控制信號的輸入端之間，利用光電耦合器的開關(guān)特性，來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的隔離。兩種方法進(jìn)行比較，模擬信號隔離法的優(yōu)點(diǎn)，是所需要的光電耦合器件數(shù)量較少，成本低，缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy，如果器件選擇不合適，將會影響D/A轉(zhuǎn)換的精度和線性度；數(shù)字信號隔離法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試比較簡單，不影響D/A轉(zhuǎn)換的精度和線性度，缺點(diǎn)是所需要的光電耦合器件數(shù)量較多，成本較高。2.3 D/A轉(zhuǎn)換器

18、的工作原理和性能指標(biāo)數(shù)字計(jì)算機(jī)對模擬設(shè)備（要求出入模擬量的設(shè)備）進(jìn)行控制，用模擬量顯示設(shè)備（如指針式儀表）對參數(shù)進(jìn)行顯示，D/A轉(zhuǎn)換器（把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件）是不可缺少的。D/A轉(zhuǎn)換器可簡寫作DAC。D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多。就輸入至D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量的位數(shù)分，有8位，10位，12位，16位等。就輸送至D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)碼形成分，有二進(jìn)制碼和BCD碼輸入等D/A轉(zhuǎn)換器。就傳輸數(shù)字量的方式分，有并行的和串行的D/A轉(zhuǎn)換器兩類。就轉(zhuǎn)換器速度而言，可分為權(quán)電阻型（電流輸出型）和R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)型（電壓輸出型）。從D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口的角度出發(fā)，D/A轉(zhuǎn)換器又可分為有輸入鎖存器和沒有鎖存器兩

19、類。本節(jié)敘述D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理和性能指標(biāo)，常用D/A轉(zhuǎn)換器芯片及D/A轉(zhuǎn)換器與微型機(jī)的接口等問題。2.3.1 D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理現(xiàn)以 4 位 D/A 轉(zhuǎn)換器為例說明其工作原理，如圖 2-2 所示。圖2-31 R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)圖假設(shè)D3、D2、D1、D0全為1，則BS3、BS2、BS1、BS0全部與“1”端相連。根據(jù)電流定律，有：由于開關(guān) BS3 BS0 的狀態(tài)是受要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù) D3、D2、D1、D0 控制的，并不一定全是“1”。因此，可以得到通式： 考慮到放大器反相端為虛地，故：選取 Rfb = R ，可以得到：對于 n 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，它的輸出電壓VOUT與輸入二進(jìn)制數(shù)B(

20、Dn-1 D0) 的關(guān)系式可寫成：由上述推導(dǎo)可見，輸出電壓除了與輸入的二進(jìn)制數(shù)有關(guān)，還與運(yùn)算放大器的反饋電阻 Rfb以及基準(zhǔn)電壓VREF有關(guān)。2.3.2 D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)是衡量芯片質(zhì)量的重要參數(shù)，也是選用D/A芯片型號的依據(jù)。主要性能指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換精度、偏移量誤差和穩(wěn)定時間。（1）分辨率分辨率是指 D/A 轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出模擬增量，即當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化時所對應(yīng)輸出模擬量的變化量，它取決于能轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)，數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率也就越高 。其分辨率與二進(jìn)制位數(shù)n呈下列關(guān)系：分辨率 = 滿刻度值/（2n-1）=VREF / 2n（2）轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度

21、是指轉(zhuǎn)換后所得的實(shí)際值和理論值的接近程度。它和分辨率是兩個不同的概念。例如，滿量程時的理論輸出值為10V，實(shí)際輸出值是在9.99V10.01V之間，其轉(zhuǎn)換精度為±10mV。對于分辨率很高的D/A轉(zhuǎn)換器并不一定具有很高的精度。（3）偏移量誤差偏移量誤是指輸入數(shù)字量時，輸出模擬量對于零的偏移值。此誤差可通過D/A轉(zhuǎn)換器的外接VREF和電位器加以調(diào)整。（4）穩(wěn)定時間 穩(wěn)定時間是描述D/A轉(zhuǎn)換速度快慢的一個參數(shù)，指從輸入數(shù)字量變化到輸出模擬量達(dá)到終值誤差1/2LSB時所需的時間。顯然，穩(wěn)定時間越大，轉(zhuǎn)換速度越低。對于輸出是電流的D/A轉(zhuǎn)換器來說，穩(wěn)定時間是很快的，約幾微秒，而輸出是電壓的D/

22、A轉(zhuǎn)換器，其穩(wěn)定時間主要取決于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時間。2.3.3 DAC0832的工作方式DAC0832有以下工作方式：1）直通方式。如果DAC0832的兩個8位寄存器都處于直通狀態(tài)（輸出跟隨輸入變化），即為直通方式。這時由DI7DI0輸入的數(shù)據(jù)可以直接進(jìn)入DAC寄存器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。3）雙緩沖方式。如果兩個8位寄存器都處于受控方式，即為雙緩存方式。在這種方式下CPU分別控制兩個緩沖寄存器的工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸出要通過兩步操作才能完成。例如，當(dāng)DAC0832工作于雙緩沖工作方式，它在DAC寄存器輸出前一個數(shù)據(jù)的同時，可將下一個數(shù)據(jù)送入輸入寄存器，能有效地提高轉(zhuǎn)換速度。此外，兩級緩沖方式還能夠在多個轉(zhuǎn)

23、換器分時進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時，同時輸出模擬電壓，達(dá)到同步輸出的目的。這種方式多用于2路以上模擬輸出，其中每一路都有獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換裝置，并且要求同步輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的電路。2.3.4 DAC0832管腳功能DI0DI7：數(shù)據(jù)輸入線，其中DI0為最低有效位LSB ，DI7為 最高有效位MSB。CS：片選信號，輸入線，低電平有效。WR1：寫信號1，輸入線，低電平有效。ILE：輸入允許鎖存信號，輸入線，高電平有效 當(dāng)ILE、和同時有效時，8位輸入寄存器端為高電平"1"，此時寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D的電平變化；反之，當(dāng)端為低電平"0"時，原D 端輸入數(shù)據(jù)被鎖存于Q端

24、，在此期間D端電平的變化不影響Q端。 XFER(Transfer Control Signal):傳送控制信號，輸入線， 低電平有效。IOUT1：DAC電流輸出端1，一般作為運(yùn)算放大器差動輸入信號之一。IOUT2：DAC電流輸出端2，一般作為運(yùn)算放大器另一個差動輸入信號。Rfb：固化在芯片內(nèi)的反饋電阻連接端，用于連接運(yùn)算放大器的輸出端。VREF：基準(zhǔn)電壓源端，輸入線，-10 VDC +10 VDC。VCC：工作電壓源端，輸入線，+5 VDC +15 VDC。當(dāng)WR2和XFER同時有效時，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此時DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之

25、，當(dāng)端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。一般情況下為了簡化接口電路，可以把和直接接地，使第二級8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式。 2.3.5 DAC0832的單極性輸出DAC0832以單緩沖方式與8086CPU相連接的電路如圖2-53所示。由于DAC0832內(nèi)部有8位數(shù)據(jù)輸入寄存器，可以鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)總線直接連接到DAC0832的DI7DI0上。按單緩沖方式工

26、作ILE接+5V,/WR2接 圖2-53 DAC0832與CPU的連接START：MOV DX， 300H        MOV AL，  7FH        OUT DX，  AL        HLT2.3.6 DAC0832的雙極性輸出上述方法只能實(shí)現(xiàn)單級性輸出，即VOUT只可能或者為正或者為負(fù)。要實(shí)

27、現(xiàn)VOUT可正可負(fù)的雙性輸出，須在編碼和電路方面作些更改，下面敘述三種方法，不同的方法采用不用的編碼。1）編碼編碼是用一組規(guī)則來表示信息的方法。在雙極性A/D和D/A轉(zhuǎn)換中，可以采用不同的編碼。常用的編碼有三種，即符號數(shù)值碼、2的補(bǔ)碼和偏移二進(jìn)制碼。表8.3.1列出了四位二進(jìn)制數(shù)的這三種編碼。（1）符號數(shù)值碼在這種編碼中最高位是符號位，對于正基準(zhǔn)，0表示正，1表示負(fù)（以下只用正基準(zhǔn)）。其余三位表示數(shù)值的大小，與原碼相同。（2）2的補(bǔ)碼這是人們很熟悉的一種編碼。其最高位是符號位，0表示正，1表示負(fù)，其余三位表示數(shù)值。若數(shù)不為負(fù)，與原碼表示相同。若數(shù)小于0，則符號位不動，其余各位取反，然后在最低位

28、加1。（3）偏移二進(jìn)制碼只要將2的補(bǔ)碼的符號位取反，就得到偏移二進(jìn)制碼。圖2-54 DAC雙極性輸出A1 和 A2 為運(yùn)算放大器，A點(diǎn)為虛地，故可得：解上述方程可得雙極性輸出表達(dá)式：或圖中運(yùn)放 A2 的作用是將運(yùn)放 A1 的單向輸出變?yōu)殡p向輸出。當(dāng)輸入數(shù)字量小于 80 H即128時，輸出模擬電壓為負(fù)；當(dāng)輸入數(shù)字量大于 80 H即128時，輸出模擬電壓為正。其它n位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電路與DAC0832 相同，計(jì)算表達(dá)式中只要把 28-1改為2n-1即可本章介紹了模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)組成，討論了其核心部件D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理、功能特性，重點(diǎn)分析了8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832與12位D/A轉(zhuǎn)換

29、器DAC1210的原理組成及其與PC總線的接口電路，以及適用于現(xiàn)場各種驅(qū)動裝置的電壓、電流與自動/手動控制輸出電路，并說明輸入輸出模板的通用性及D/A轉(zhuǎn)換模板的結(jié)構(gòu)框圖。2.4 D/A轉(zhuǎn)換器接口及接口輸出驅(qū)動2.4.1 D/A轉(zhuǎn)換器接口為使CPU能向D/A轉(zhuǎn)換器傳送數(shù)據(jù)，必須在兩者之間設(shè)置接口電路。接口電路的功能是接收CPU數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)、接口地址譯碼、產(chǎn)生片選信號或?qū)懶盘?。如果D/A芯片內(nèi)部無輸入寄存器，則要外加寄存器。8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832與8位CPU的接口電路采用單級輸入工作方式，使8位DAC寄存器總是處于接通狀態(tài)。D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇取決于系統(tǒng)輸出精度，通常要比執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度要求的最低分辨率高一位；另外還與使用對象有關(guān)，一般工業(yè)控制用812位，實(shí)驗(yàn)室用1416位。2.4.2 D/A轉(zhuǎn)換器接口輸出驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換器輸出電路部分分為電流輸出和電壓輸出兩種。DAC0832的輸出電流經(jīng)運(yùn)算放大器A1A2變換成輸出電壓VO，再經(jīng)光電耦合器T1T2變換成輸出電流IL。通過調(diào)節(jié)調(diào)零點(diǎn)電位器W1和調(diào)量程電位器W2，為外接負(fù)載RL提供0mA10mA DC電流或4mA20mA DC電流。光電耦合器T1和T2還具有輸出隔離作用。D/A轉(zhuǎn)換器輸出一般都通過