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文檔簡介
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
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