第六章 信号输出(现代电子技术与应用)

第六章信号输出(现代电子技术与应用)1现代电子技术及应用北京信息科技大学光电信息与通信工程学院第六章信号输出(现代电子技术与应用)2D/A转换器显示器件执行部件功率放大器第六章信号输出第六章信号输出(现代电子技术与应用)36.1D/A转换器一、DAC性能指标1.满刻度值VFSV=(1-2-n)VFSR2.分辨率LSB=VFSR/2n3.动态范围DR=20log102n第六章信号输出(现代电子技术与应用)46.1D/A转换器4.偏移误差和增益误差5.积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）实际的包络线与两端点间的直线的最大偏差称为积分非线性（INL）。在理想情况下，相邻线条之间的高度差为1LSB。偏离这个理想值的最大偏差称为差分非线性（DNL）。第六章信号输出(现代电子技术与应用)56.1D/A转换器例：在所示的3比特DAC中，计算INL和DNL。k:000001010011100101110111INL:00-1/21/2-11/2-1/20DNL:00-1/21-3/23/2-1½若DNL<-1LSB，则传递特性变为非单调的。第六章信号输出(现代电子技术与应用)66.1D/A转换器6.建立时间：描述D/A转换快慢的一个主要参数，指从开始转换到模拟量输出到达最终值所需的时间，一般几纳秒～几百微秒。实际建立时间的长短不仅与D/A转换器的速度有关，而且与数字量变化的大小有关。数字量从全0变到全1（或从全1变到全0）时，建立时间最长，称为满量程变化的建立时间。7.尖峰：指输入的数字量发生变化时产生的瞬时误差。由于内部电路对输入比特变化的响应不一致造成。可以采用高速采样保持放大器(SHA)，全译码式(fullydecoded)DAC、分段式(segmented)DAC和插值式DAC等方法滤除或减小尖峰误差。

第六章信号输出(现代电子技术与应用)76.1D/A转换器1.加权电阻DAC二、DAC电路原理第六章信号输出(现代电子技术与应用)86.1D/A转换器2.T型电阻网络DAC

每个已标记节点向右看的等效电阻均等于2R。从每个节点向下流的电流等于向右边流的电流。从左端流入该节点的电流是上面电流的两倍。第六章信号输出(现代电子技术与应用)96.1D/A转换器3.电流模式T型电阻网络DAC

io与io’互补：第六章信号输出(现代电子技术与应用)106.1D/A转换器4.典型D/A芯片应用——DAC781112bit，单通道，乘法DAC（MultiplyingDAC，MDAC）

2.7~5.5V电源

±15V参考电压

50MHz串行接口

10MHz乘法带宽

4象限乘法第六章信号输出(现代电子技术与应用)116.1D/A转换器DAC7811内部结构与管脚图第六章信号输出(现代电子技术与应用)126.1D/A转换器R-2RDAC等效电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)136.1D/A转换器(a)数字可编程衰减器(b)数字可编程放大器第六章信号输出(现代电子技术与应用)146.1D/A转换器DAC7811与MSP430F449接口电路

第六章信号输出(现代电子技术与应用)156.1D/A转换器DAC7811的SPI接口第六章信号输出(现代电子技术与应用)166.1D/A转换器DAC7811的SPI接口（续）第六章信号输出(现代电子技术与应用)176.2显示器件1.LED（LightEmittingDiode，发光二极管）概述(1)发光二极管：用于各种电子产品的光源和状态指示。按照发光颜色可以分为红色、绿色、蓝色、橙色等；按照圆形发光二极管直径分为Ф3.0mm、Ф5.0mm、Ф10mm等；(2)数码管：用于各类仪表、家用电器等的数字显示。可分为“8”字形的七段数码管、“米”字形数码管等。(3)专用显示模块：专用显示模块指专用时钟显示板以及用于空调、热水器等专门领域数字和其它信息的显示模块。(4)LED点阵显示器：可构成大屏幕显示器，可用于显示文字、图像、动画、行情及电视、录像等。LED点阵显示屏按显示颜色可分为单基色（红色或绿色等）、双基色（红色、绿色）、三基色（红色、绿色、蓝色）；按像素间距可分为3mm、5mm、8mm、10mm等；按使用环境可分为室内屏、室外屏以及半户外屏。一、LED驱动与接口电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)186.2显示器件2.LED数码管驱动与接口电路(1)LED驱动：

LED工作电压约为1.5V左右，LED工作时需要一定的工作电流，才能正常发光，流过LED的电流大小决定了它的发光强度，为保护LED不被烧坏，通常需要加限流电阻。7406构成的LED驱动电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)196.2显示器件(2)LED数码管驱动与接口电路：第六章信号输出(现代电子技术与应用)206.2显示器件移位寄存器74LS164组成的静态显示接口电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)216.2显示器件MC14495组成的静态显示接口电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)226.2显示器件MC14495和7406组成的动态显示接口电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)236.2显示器件MAX7221组成的显示接口电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)246.2显示器件3.LED点阵显示器驱动与接口电路LED点阵显示器结构第六章信号输出(现代电子技术与应用)256.2显示器件单片机控制的LED点阵显示电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)266.2显示器件典型的LED视频显示框图第六章信号输出(现代电子技术与应用)278.2LCD驱动与接口电路1.LCD

(LiquidCrystalDisplay，液晶显示器)原理与分类反射型LCD结构示意图二、LCD驱动与接口电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)286.2显示器件LCD显示器可分为：段式液晶显示器、字符型液晶显示器、图形点阵式液晶显示器、带汉字字库图形点阵式液晶显示器、专用型液晶显示器、彩色液晶显示器等。另外，按照采光分为：自然采光、背光源采光。第六章信号输出(现代电子技术与应用)296.2显示器件2.LCD显示模式LCD显示器的静态显示方式

第六章信号输出(现代电子技术与应用)306.2显示器件LCD显示器的动态显示方式

第六章信号输出(现代电子技术与应用)316.2显示器件3.LCD显示器接口电路段位式LCD静态显示电路

第六章信号输出(现代电子技术与应用)326.2显示器件字符式LCD液晶显示器接口电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)336.2显示器件点阵式LCD液晶显示器接口电路第六章信号输出(现代电子技术与应用)346.3执行机构1.单相异步电动机概述单相异步电动机是利用单相交流电源供电的一种小容量交流电动机，功率约在几瓦到几千瓦。

单相异步电动机具有结构简单,成本低廉,使用方便等特点，广泛应用于小型机床、农用机器、电动工具、家用电器和医疗器械等设备。单相异步电动机与同容量的三相异步电动机相比，其体积较大、运行性能较差、效率较低。

一、单相异步电动机第六章信号输出(现代电子技术与应用)356.3执行机构2.单相异步电动机原理单相异步电动机有定子和转子两个基本组成部分，定子包括定子铁心、定子绕组和机座等部分。定子绕组一般需要安放两相绕组，即主绕组（工作绕组）和副绕组（启动绕组）。转子由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等部分组成。工作绕组和启动绕组空间位置

第六章信号输出(现代电子技术与应用)366.3执行机构工作绕组A和启动绕组B空间位置相隔90O度，电流从A、B端流入，A’、B’流出。工作绕组A中的电流与启动绕组B中的电流相位相差90°，产生旋转磁场。当电流变化一个周期（360°），旋转磁场旋转一周（360°）。旋转磁场使转子绕组产生感应电势，形成电流，从而产生电磁转矩。电磁转矩的方向和旋转磁场的方向一致。工作绕组和启动绕组中电流第六章信号输出(现代电子技术与应用)376.3执行机构旋转磁场第六章信号输出(现代电子技术与应用)386.3执行机构3.单相异步电动机的控制单相异步电动机的控制主要包括换向和调速。

若要对其进行反转控制，需改变两套绕组中其中一套绕组的电流相位180°来改变旋转磁场的转向，从而实现反转。

调速方法主要有变极调速、变频调速、抽头法调速、串电抗器调速和可控硅调压调速等。

变频调速设备复杂、成本高。

变极调速、抽头法调速、串电抗器调速只能调定几个固定的速度。

下面简单介绍目前较多采用的串电抗器调速和可控硅调速。第六章信号输出(现代电子技术与应用)396.3执行机构（1）串电抗器调速如图所示，在单相异步电动机的供电线路中串联电抗器，通过调速开关选择电抗器绕组的匝数来调节电抗值，改变电抗器上分压的大小，从而改变电动机两端的电源电压，达到调速的目的。

第六章信号输出(现代电子技术与应用)406.3执行机构（2）可控硅调速:电动机控制回路中串入双向可控硅，控制可控硅的导通角可以控制电动机的上交流电压的大小，从而达到调节电动机转速的目的。

第六章信号输出(现代电子技术与应用)416.3执行机构1.微型直流电动机概述微型直流电动机具有调速性能好和易于控制等特点，被广泛应用于驱动装置及伺服系统。

有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于很多领域，但是有刷直流电动机结构复杂，需要通过电刷换向，会产生火花并导致电磁干扰。永磁无刷直流电动机是近年来发展起来的一种新型电机，它用电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速特性，同时又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列缺点，具有效率高、无换向火花、可靠性高、噪声低、寿命长、体积小、重量轻等一系列优点。

二、微型直流电动机第六章信号输出(现代电子技术与应用)426.3执行机构2.微型直流电动机原理微型直流电动机主要由定子和转子两大部分组成。

定子由机座、主磁极、换向磁极、端盖和电刷装置等部分构成。转子（电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。

第六章信号输出(现代电子技术与应用)436.3执行机构通过直流电源励磁产生恒定磁场，电枢绕组受到电磁力的作用产生电磁力矩，使得电枢沿电磁转矩方向转动起来

。

电刷和换向器的作用是将电源的直流电转换成交流电送给电枢绕组，以保证电枢的电磁转矩方向不变，电动机按一定方向旋转

。第六章信号输出(现代电子技术与应用)446.3执行机构3.微型直流电动机控制微型直流电动机控制主要包括电动机变向和调速。直流电机的转向取决于电磁转矩的方向，要实现电动机变向，需要设法改变电磁转矩的方向。通常采用的方法是保持励磁方向不变，改变电枢电压的方向，即将电枢电源的两条线对调。微型直流电动机主要通过改变电源电压、电枢电阻和励磁磁通三个电路参数进行调速。调压调速方法电动机机械特性硬度不变，且可以实现无级调速，应用范围较广。第六章信号输出(现代电子技术与应用)456.3执行机构SG1731是直流电动机PWM控制单片集成电路，它以输入误差信号的幅值和极性控制两路脉宽调节信号，控制H桥输出。第六章信号输出(现代电子技术与应用)466.3执行机构直流电动机PWM控制芯片SG1731组成的调速电路。第六章信号输出(现代电子技术与应用)476.3执行机构脉宽调制原理图。a)死区工作方式b)非死区工作方式第六章信号输出(现代电子技术与应用)486.3执行机构三、步进电机单相异步交流电动机和微型直流电动机主要都是作为动力来使用，其主要任务是实现能量的转换。步进电机、伺服电机和测速电机等各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，要求有较高的控制性能，能量的转换是次要的。对控制电机的主要要求为：反应快、精度高、重量轻、体积小、耗电少和运行可靠等。1.步进电机概述第六章信号输出(现代电子技术与应用)496.3执行机构步进电机是一种用电脉冲信号进行控制、并将电脉冲信号转变为相应角位移或线位移的控制电机。给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。在负载能力的范围内，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。第六章信号输出(现代电子技术与应用)506.3执行机构（1）步进电机主要优点控制性能好。改变电脉冲输入，就可以方便地控制电机的起动、停止、正反转及变速，响应性也好。

步距值不受各种干扰因素的影响。它的速度主要取决于输入的脉冲的频率，总位移正比于输入脉冲的个数。电压，电流和温度的变化等不影响步距值。

无累积误差。步进电机每走一步的实际步距与理论值有误差，但每转一圈的累积误差为零。

步进电机具有自锁能力。当步进脉冲停止输入时，让最后一个脉冲控制的绕组继续保持原来的电流或流过较小电流时，电动机可以保持转子位置不变。

步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。第六章信号输出(现代电子技术与应用)516.3执行机构（2）步进电机主要缺点步进电机的效率和容量低。

步进电机在低速时容易出现低频振动现象。步进电机启动频率过高或负载过大时容易出现丢步的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象。

步进电机带惯性负载的能力较差。第六章信号输出(现代电子技术与应用)526.3执行机构（3）步进电机分类按步进电机的运行方式，可以将步进电机分为旋转式和直线式两类。按步进电机结构特点，可以将步进电机分为反应式（磁阻式）步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）和混合式（感应子式）步进电机（HB）三种类型。按步进电机绕组中电流方向，可以将步进电机分为单极性步进电机、双极性步进电机和通用步进电机三种类型。第六章信号输出(现代电子技术与应用)536.3执行机构单极性步进电机：每极有两个绕组，每个绕组中电流仅沿一个方向流动，它也被称为两线步进电机。双极性步进电机：每极只有单一的绕组，每个绕组都可以两个方向通电。因此每个绕组都既可以是N极又可以是S极。它又被称为单绕组步进电机。与同样尺寸和重量的单极性步进电极相比，双极性步进电机的场强是单极性步进电机的两倍，具有更大的驱动能力。通用步进电机：它既可配置为单极性也可配置为双极性步进电机。第六章信号输出(现代电子技术与应用)546.3执行机构（4）步进方式步进电机有三种步进方式：单拍、双拍、半拍方式。单拍步进方式是指每次仅给一个绕组通电。双拍方式是同时给两个绕组通电，双拍方式的优点是比单拍方式输出力矩大，不过耗电多。半拍方式工作是让两个绕组通电与单个绕组通电方式交替地进行。半拍方式的输出力矩比双拍方式小，不过它可以获得双拍方式两倍的步进分辨率。第六章信号输出(现代电子技术与应用)556.3执行机构2.步进电机工作原理三相反应式步进电机的工作原理图。步进方式为三相单三拍，步距角=30°。通电顺序为A-B-C-A。第六章信号输出(现代电子技术与应用)566.3执行机构三相反应式步进电机的工作原理图。步进方式为三相单、双六拍，即半拍，步距角=15°。通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A。第六章信号输出(现代电子技术与应用)576.3执行机构三相反应式步进电机的横截面图。转子的齿数为40，则齿锯角为360/40=9°。定子的极距为360/6=60°。第六章信号输出(现代电子技术与应用)586.3执行机构三相反应式步进电机的展开图。第六章信号输出(现代电子技术与应用)596.3执行机构一相通电时磁场情况。通电顺序为A-B-C-A。步进方式为三相单三拍，步进角为3°。第六章信号输出(现代电子技术与应用)606.3执行机构二相通电时磁场情况。通电顺序为AB-BC-CA-AB。步进方式为三相双三拍，步进角为3°。第六章信号输出(现代电子技术与应用)616.3执行机构三相反应式步进电机也可以按三相六拍方式（A-AB-B-BC-C-CA-A-）工作。每改变一次通电状态，磁场轴线转过60o，转子转过1/6齿距，步进角为1.5°。三相反应式步进电机可以有不同的通电状态和运行拍数，每改变一次通电状态时转子转过的角度称为步距角，表达式为：m为相数，Zr为转子的齿数，C为步进方式系数，单三拍、双三拍C=1，三相六拍C=2.第六章信号输出(现代电子技术与应用)626.3执行机构3.步进电机常用术语相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。拍数：完成电机内磁场变化一个周期所需脉冲数或导电状态，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以三相电机为例，有三相三拍运行方式，即A-B-C-A-；三相双三拍方式，即（AB-BC-CA-AB-）；三相六拍运行方式，即A-AB-B-BC-C-CA-A-。步距角：指每给一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。失步：由于转子转速跟不上磁场变化的速度或大于磁场变化的速度，使电机运转的步数不等于理论上的步数，称为失步。第六章信号输出(现代电子技术与应用)636.3执行机构振荡：步进电机振荡现象主要发生在低频区或急停情况下，工作在共振区域时，振荡加剧，甚至失步。共振区域与步进电机、电机驱动以及负载有关，为使电机输出转矩大，不失步和降低噪音，一般工作频率应避开共振区。零位：指不改变绕组的通电状态，在空载情况下的平衡位置。失调角：转子偏离零位的角度。矩角特性：指不改变各相绕组的通电状态，电磁转矩与失调角的关系。第六章信号输出(现代电子技术与应用)646.3执行机构典型的矩角特性如图6-34所示，近似为正弦波，最大静转矩是步进电机主要性能指标之一。第六章信号输出(现代电子技术与应用)656.3执行机构4.步进电机控制与驱动环形分配器接收控制器发出的步进脉冲，并按照步进电机状态转换表要求的顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个步进脉冲，环形分配器的状态变化一次。步进脉冲频率决定步进电机的转速。环形分配器同时接收控制器发出的方向信号，决定其状态转换是按照正转顺序还是反转顺序变化。信号处理部分实现斩波、细分等特殊功能。功率驱动与保护电路提供给足够的功率给步进电机，完成过流、过压、欠压和过热等保护功能。第六章信号输出(现代电子技术与应用)666.3执行机构（1）环形分配器环形分配器的功能是在控制器的步进脉冲和方向信号作用下产生步进电机各相需要的通断控制信号。环形分配器主要类型有：专用集成芯片、EPROM电路、数字电路、可编程器件和软件产生方法。环形分配器专用集成芯片具有集成度高、可靠性好和使用方便等特点。只需要输入脉冲信号、方向信号和使能信号，即可输出各相需要的波形。第六章信号输出(现代电子技术与应用)676.3执行机构三相反应式步进电机环形分配器CH250构成的三相六拍工作方式接线图。其中CP为输入的步进脉冲，A、B、C为三相状态输出。第六章信号输出(现代电子技术与应用)686.3执行机构（2）驱动器驱动器需要为步进电机绕组提供足够的电压和电流。由于步进电机的供电是断续的、负载为电感特性以及步进电机运动产生旋转电势等情况，在设计驱动器时既要考虑步进电机绕组得到正确的电压电流波形，又要保证功率放大部分的安全运行。下面简单介绍步进电机驱动方式：单电压驱动、双电压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动、细分驱动和双极性驱动。第六章信号输出(现代电子技术与应用)696.3执行机构单电压驱动单电压驱动指电机绕组在工作时，只有一个电源电压。第六章信号输出(现代电子技术与应用)706.3执行机构单电压驱动原理当脉冲频率较低时，绕组通电时间较长，电流平均值大，获得能量高，转矩大；当脉冲频率较高时，绕组通电时间较短，电流平均值小，获得能量少，转矩下降。随着转速提高，反电动势越大，使电机转矩下降。步进电机还有一个重要的问题是低频振荡，即当频率较低时，电机处于步进工作状态，每一步都发生过冲现象，在稳定平衡点形成振荡过程，无法带载和正常工作。通常采用加机械阻尼、电路阻尼（如增大R）和改进电路结构等方法消除低频振荡。第六章信号输出(现代电子技术与应用)716.3执行机构双电压驱动双电压驱动原理图第六章信号输出(现代电子技术与应用)726.3执行机构双电压驱动原理当低压控制脉冲为高电平时，低压开关三极管TL导通。此时，若高压开关三极管TH导通，则高压电源+UH通过TH给电路提供驱动电压，二极管D2反向截止，低压电源+UL停止供电；若高压开关三极管TH关断，高压电源+UH停止供电，低压电源+UL通过二极管D2给电路提供驱动电压。当电机处于锁定状态或运行于低频段时，高压开关三极管TH关断，低压电源+UL通过二极管D2给电路供电。当低压控制脉冲为低电平时，低压开关三极管TL关断，R、L和二极管D1组成续流电路。第六章信号输出(现代电子技术与应用)736.3执行机构斩波恒流驱动典型斩波恒流驱动电路原理图第六章信号输出(现代电子技术与应用)746.3执行机构斩波恒流驱动当控制脉冲Ua为高电平时，低压控制脉冲Ub为高电平,低压开关三极管TL导通。此时，若高压控制脉冲Uc为高电平,则开关三极管TH导通，则高压电源+UH通过TH给电路提供驱动电压，二极管D2反向截止，低压电源+UL停止供电；若高压控制脉冲Uc为低电平，高压开关三极管TH关断，高压电源+UH停止供电，低压电源+UL通过二极管D2给电路提供驱动电压。绕组电流通过检测电阻R2转换为电压Ud并和给定值比较，若大于给定值，高压控制脉冲Uc为低电平，若小于给定值，高压控制脉冲Uc为高电平，通过控制开关三极管TH的通断调整绕组电流，使绕组电流恒定。第六章信号输出(现代电子技术与应用)756.3执行机构调频调压驱动典型调