模拟输出通道

1、2.2 模拟输出通道学院：电子信息与自动化学院专业：信号分析处理姓名：- 微机化测试系统微机化测试系统信号输出通道信号输出通道数字信号输数字信号输出通道出通道模拟信号输模拟信号输出通道出通道测试结果的数字记录（数字磁记录或光记录、测试结果的数字记录（数字磁记录或光记录、打印纸记录）打印纸记录）测试结果的数据传输测试结果的数据传输主要用于对连续变量的执行机构进行控制主要用于对连续变量的执行机构进行控制测试结果的数字显示（测试结果的数字显示（LED、LCD显示、显示、CRT）2.2.1 模拟输出通道的基本理论一、零阶保持与平滑滤波一、零阶保持与平滑滤波模拟信号数字化三环节：模拟信号数字化三环节：数

2、字信号模拟化两环节：数字信号模拟化两环节：量化量化采样采样编码编码由采样开关或多由采样开关或多路开关完成路开关完成由由A/D转换器完成转换器完成D/A保持保持讨论：与“采样”相反的“保持”是什么意思？怎样实现？ 1. 1.如何填补采样点之间的空白？如何填补采样点之间的空白？ 方法一：把相邻采样点之间用直线连接起来，称为方法一：把相邻采样点之间用直线连接起来，称为“一阶保持一阶保持”方式。方式。方法二：每个采样点的幅值保持到下一个采样点，称为方法二：每个采样点的幅值保持到下一个采样点，称为“零阶保持零阶保持” 方式。这种方式很容易用电路来实现。方式。这种方式很容易用电路来实现。（a）一阶保持）一

3、阶保持（b）零阶保持）零阶保持图图2-2-1 一阶保持与零阶保持一阶保持与零阶保持零阶保持的电路实现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)数字保持方式数字保持方式 (b)模拟保持方式模拟保持方式 图图2-2-2 零阶保持器的两种形式零阶保持器的两种形式数据保持方式,模拟保持方式 上图上图a a为数据保持方式，即在为数据保持方式，即在D/AD/A之间加设一个寄存器，让之间加设一个寄存器，让每个采样点的数据在该寄存器中一直寄存到本路信号的下个采每个采样点的数据在该寄存器中一直寄存到本路信号的下个采样点数据到来为止，这样样点数据到来为止，这样D/AD/A

4、转换器输出波形就不是离散的脉转换器输出波形就不是离散的脉冲电压，而是连续的台阶电压。冲电压，而是连续的台阶电压。 上图上图b b为模拟保持方式，即在公用的为模拟保持方式，即在公用的D/AD/A之后每路加一个采之后每路加一个采样保持器，保持器将样保持器，保持器将D/AD/A转换器输出子样电压保持到本路信号转换器输出子样电压保持到本路信号的下一个采样电压产生时为止。这样采样保持器输出波形也是的下一个采样电压产生时为止。这样采样保持器输出波形也是连续的台阶电压。连续的台阶电压。 图中的采样保持器都起到零阶保持的作用。图中的采样保持器都起到零阶保持的作用。g02TsTs3Ts 4Ts 5Tstf1(t

5、)f(t)图图2-2-3 零阶保持器的输出波形零阶保持器的输出波形0s 2s 3s Ts-()Tst0(a)(b)图图2-2-4 零阶保持器的单位冲激响应（零阶保持器的单位冲激响应（a）和频率响应（和频率响应（b）模拟输出通道的基本理论可以通过推导得:其中: 称为基带频谱 称为调制频谱 由下图可知,保持器的频谱响应具有突出基带作用,可以部分阻止调制分量通过,所以,零阶保持器输出是阶梯状.为了平滑处理,引入一低通滤波器.)( F(F( ) ) 称为基带频谱，称为基带频谱，F(F( ) )称为调制频谱。为了使这些称为调制频谱。为了使这些 阶梯变平滑，就需要一个低通滤波器将漏过的调制频谱阶梯变平滑，

6、就需要一个低通滤波器将漏过的调制频谱F(F( ) )滤掉，滤掉，而将基带频谱而将基带频谱F(F( ) )保留下来。具有这种功能的低通滤波器成为平滑保留下来。具有这种功能的低通滤波器成为平滑滤波器。滤波器。 ( )sFT平滑滤波器平滑滤波器H1（） H()2ssc10Ts( )sFT图图2-2-5 零阶保持和平滑滤波器的作用零阶保持和平滑滤波器的作用二、保持周期的确定 零阶保持器的保持周期零阶保持器的保持周期TsTs为为Ts=mtTs=mt0 0，如如果输出通道中设定的保持周期果输出通道中设定的保持周期TsTs与模拟与模拟信号输入通道中设定的采样周期信号输入通道中设定的采样周期T T 相等，相等

7、，即即Ts=TTs=T，则经零阶保持和平滑滤波后恢，则经零阶保持和平滑滤波后恢复的信号波形理论上与输入保持相同。复的信号波形理论上与输入保持相同。 但若不满足以上条件，而只保持固定的但若不满足以上条件，而只保持固定的比例关系，即比例关系，即Ts/T=a(Ts/T=a(常数常数) )，则恢复的，则恢复的模拟信号模拟信号 f f0 0(t)=f(t/a)(t)=f(t/a)。 三、数字自动增益控制（AGC）讨论：讨论：为什么要采用数字自动增益控制（为什么要采用数字自动增益控制（AGC）？）？ 简单的说简单的说-就是把输出信号取出一部分处理之后返回就是把输出信号取出一部分处理之后返回输入端控制放大器

8、或者处理电路的增益输入端控制放大器或者处理电路的增益,使之保持在使之保持在一个水平之内一个水平之内.比如我们说话的音量比如我们说话的音量,说出去之后耳朵会取样说出去之后耳朵会取样,告诉大告诉大脑我们现在说话的声音有多大脑我们现在说话的声音有多大,再由大脑控制说话的再由大脑控制说话的音量音量.耳朵在这个过程中就是耳朵在这个过程中就是AGC电路电路 输出就是嘴输出就是嘴,放放大器和处理电路就是大脑大器和处理电路就是大脑.2.2.2 模拟输出通道的基本结构寄存器寄存器D/A调理电路调理电路记录器记录器显示器显示器模拟输出通道模拟输出通道终终端端图图2-2-6 模拟输出通道的基本组成模拟输出通道的基本

9、组成模拟信号输出模拟信号输出通道基本结构通道基本结构单通道单通道多通道多通道数据分配分时转换结构数据分配分时转换结构数据分配同时转换结构数据分配同时转换结构模拟分配分时转换结构模拟分配分时转换结构比较和选择比较和选择一、数据分配分时转换电路此电路不适合于要求多参量同步控制执行机构的系统此电路不适合于要求多参量同步控制执行机构的系统主主计计算算机机数据数据寄存器寄存器R1数据数据寄存器寄存器R1数据数据寄存器寄存器R1控制逻辑控制逻辑D/AD/AD/A调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路执行执行机构机构执行执行机构机构执行执行机构机构图图2-2-7 数据分配分时转换电路数据分配分时转

10、换电路二、数据分配同步转换电路D/AD/AD/A调理电路调理电路调理电路执行机构执行机构执行机构数据寄存器R1数据寄存器R1数据寄存器R1数据寄存器R1数据寄存器R1数据寄存器R1计算机控制逻辑图图2-2-8 数据分配同步转换电路数据分配同步转换电路三、模拟分配分时转换结构调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路执行执行机构机构执行执行机构机构执行执行机构机构采样采样保持器保持器采样采样保持器保持器采样采样保持器保持器D/A转换器转换器寄存器寄存器控制逻辑控制逻辑（a）调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路执行执行机构机构执行执行机构机构执行执行机构机构跟随保持跟随保持放大器

11、放大器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模模拟拟多多路路切切换换器器控制逻辑控制逻辑D/A转换器转换器寄存器寄存器计算机计算机（b）图图2-2-9 分时转换多通道模拟分配结构分时转换多通道模拟分配结构四、比较和选择1. 1.比较：比较： 模拟分配方案因受存储电容漏电因素的模拟分配方案因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，影响，通道输出的稳定性不易做得很好，但是由于存储电容的积分平滑作用，通但是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，道的输出不会出现大幅度的突跳现象，同时整个通道的成本较低；相比之下，同时整个通道的成本较低；相比之

12、下，数字分配方案电路复杂，成本较高，且数字分配方案电路复杂，成本较高，且通道的输出存在突跳现象。但这种通道通道的输出存在突跳现象。但这种通道的输出十分稳定，输出的精度和平滑程的输出十分稳定，输出的精度和平滑程度仅由度仅由DACDAC的线性误差和分辨力决定。的线性误差和分辨力决定。2. 2.选择：选择：1 1）对于中等分辨力（）对于中等分辨力（8 8位到位到1010位）的输出位）的输出通道，采用通道，采用2-2-82-2-8的方案能获得较好的性的方案能获得较好的性能，成本与模拟不相上下。能，成本与模拟不相上下。2 2）高于）高于1212位的输出通道由于当前存储电容位的输出通道由于当前存储电容的介

13、质吸附效应指标不够理想，要使的介质吸附效应指标不够理想，要使S/HS/H满足高分辨力和高速度的要求还比满足高分辨力和高速度的要求还比较困难，故虽然成本较高，但仍须采用较困难，故虽然成本较高，但仍须采用2-2-82-2-8方案。方案。2.2.3 模拟输出通道组成电路的选用一、一、D/AD/A转换器转换器1.D/A1.D/A位数的确定位数的确定 仪表精度仪表精度 应与应与D/AD/A位数相匹配，即位数相匹配，即 =2=2-n,-n,若模若模拟执行元件的分辨率为拟执行元件的分辨率为V VTHTH, ,它所需要的控制信它所需要的控制信号的最大摆幅为号的最大摆幅为V Vmax,max, ,则用来提供这一

14、模拟信号则用来提供这一模拟信号的的DACDAC的位数应该满足下式：的位数应该满足下式： 闭环控制系统中，对其分辨力的要求比开环系闭环控制系统中，对其分辨力的要求比开环系统低。统低。max2nTHVV2. 2.主要结构特性和应用特性的选择主要结构特性和应用特性的选择（1 1）数字输入特性，应外接适当的偏置）数字输入特性，应外接适当的偏置电路后才能实现双极性电路后才能实现双极性D/AD/A转换。转换。（2 2）模拟输出特性）模拟输出特性（3 3）锁存特性及转换控制）锁存特性及转换控制（4 4）参考源，不仅能保持较好的转换精）参考源，不仅能保持较好的转换精度，而且可以简化接口电路。度，而且可以简化接

15、口电路。（1） 数字输入特性 D/AD/A转换器芯片一般都只能接收自然二进制数字代码。因此，转换器芯片一般都只能接收自然二进制数字代码。因此，当输入数字代码为偏移二进制码或当输入数字代码为偏移二进制码或2 2的补码等双极性数码时，应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外接适当的偏置电路后才能实现双极性D/AD/A转换。转换。 输入数据格式一般为并行码，对于芯片内部配置有移位寄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存器的D/AD/A转换器，可以接收串行码输入。转换器，可以接收串行码输入。 不同的不同的D/AD/A芯片输入逻辑电平要求不同。对于固定阈值电平芯

16、片输入逻辑电平要求不同。对于固定阈值电平的的D/AD/A转换器一般只能和转换器一般只能和TTLTTL或低压或低压CMOSCMOS电路相连，而有些逻辑电路相连，而有些逻辑电平可以改变的电平可以改变的D/AD/A转换器可以满足与转换器可以满足与TTLTTL、高低压、高低压CMOSCMOS、PMOSPMOS等各种器件直接连接的要求。等各种器件直接连接的要求。（2） 模拟输出特性 对于输出特性具有电流源性质的对于输出特性具有电流源性质的D/AD/A转换器转换器( (如如DAC08)DAC08)，用，用输出电压允许范围来表示由输出电路输出电压允许范围来表示由输出电路( (包括简单电阻负载或者包括简单电阻

17、负载或者运算放大器电路运算放大器电路) )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。对于会保持正确的转换关系，而与输出端的电压大小无关。对于输出特性为非电流源特性的输出特性为非电流源特性的D/AD/A转换器，如转换器，如AD7520AD7520，DAC1020DAC1020等，无输出电压允许范围指标，电流输出端应保持公共端电等，无输出电压允许范围指标，电流输出端应保持公共端电位或虚地，否则将破坏其转换关系。位或

18、虚地，否则将破坏其转换关系。（3） 锁存特性及转换控制图2-2-8 若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。 有些D/A转换器并不是对输入的数字量立即进行D/A转换，而是在外部施加了转换控制信号后才开始转换和输出。具有这种输入锁存及转换控制功能的D/A转换器(如0832)，在CPU分时控制多路D/A输入时，可做到多路D/A转换的同步输出，如上图228所示。（4） 参考电源 参考电压源是惟一影响输出结果的模拟参量，是参考电压源是惟一影响输出结果的模拟参量，是D/AD/A转换接口中的重要电路，对接口电路

19、的工作性能、转换接口中的重要电路，对接口电路的工作性能、电路的结构有很大影响。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使用内部带有低漂移精密参考电压源的D/AD/A转换转换器器( (如如AD563/565A)AD563/565A)，不仅能保持较好的转换精度，而，不仅能保持较好的转换精度，而且可以简化接口电路。且可以简化接口电路。 二、调理电路：二、调理电路：输出通路中的调理电路有输出通路中的调理电路有滤波、电压滤波、电压/ /电流转换和放大等几种形式。电流转换和放大等几种形式。 1 1、滤波器：平滑滤波器可以采用截频为、滤波器：平滑滤波器可以采用截频为 的低通滤波器。的低通滤波器。2 2、V/IV/I转换和转换和F/VF/V转换转换电流有利于长距离传输，电动单元组合仪表电流有利于长距离传输，电动单元组合仪表DDZ-DDZ-型以型以0-100-10毫毫安为标准，安为标准， DDZ- DDZ-型型4-204-20毫安为标准信号电流。毫安为标准