测控系统原理和设计测控通道.pptx

1第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日第二章 测控通道(I/O通道)内容内容:模拟输入通道、模拟输出通道、开关模拟输入通道、模拟输出通道、开关量输入输出通道、单元电路级联设计量输入输出通道、单元电路级联设计重点：模拟输入通道、模拟输出通道组成和重点：模拟输入通道、模拟输出通道组成和设计；开关量输入输出通道组成和设计。设计；开关量输入输出通道组成和设计。难点：测控通道的基本理论和参数设计。难点：测控通道的基本理论和参数设计。2第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2-1 模拟输入通道2.1 2.1 模拟输入通道模拟输入通道2.1.1 2.1.1 基本类型与组成结构基本类型与组成结构定义定义:微机化测控系统中微机与被测对象之微机化测控系统中微机与被测对象之间的联系通道称为间的联系通道称为模拟输入通道模拟输入通道。组成：传感器；信号调理；数据采集。组成：传感器；信号调理；数据采集。作用：将模拟信号变成数字信号。作用：将模拟信号变成数字信号。类型：多路模拟输入（集中；分散）；单类型：多路模拟输入（集中；分散）；单路模拟输入。路模拟输入。3第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日模拟输入通道的基本组成图2-1-1信号输入通道的基本组成 4第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日一、集中采样式类型：分时采样型；同步采样型类型：分时采样型；同步采样型分时采样型特点：多路公用一个和分时采样型特点：多路公用一个和电路简单；成本低；依次采集电路简单；成本低；依次采集同步采样型特点：多路同时被采样；保持电路的同步采样型特点：多路同时被采样；保持电路的泄放会产生误差。泄放会产生误差。典型电路结构如图典型电路结构如图5第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日多路分时采集分时输入结构图 相当采集电路6第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日多路同步采集分时输入结构图 相当采集电路7第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日二、分散采集式特点：没有模拟多路切换器；都有各自特点：没有模拟多路切换器；都有各自和。随机或顺序进入计算机。和。随机或顺序进入计算机。相当采集电路图213分散采集式模拟输入通道结构8第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2-1-2 传感器的选用一、对传感器的主要技术要求：一、对传感器的主要技术要求：1、实现物理量到电信号的转换，满足量程、实现物理量到电信号的转换，满足量程需求。需求。2、精度满足要求，速度满足要求。、精度满足要求，速度满足要求。3、满足环境要求。、满足环境要求。4、满足可靠性和可维护性要求。、满足可靠性和可维护性要求。5、满足性能价格比要求。、满足性能价格比要求。9第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日二、可供选用的传感器类型1 1、大信号输出传感器、大信号输出传感器2 2、数字式输出传感器、数字式输出传感器3 3、集成式传感器、集成式传感器4 4、光纤传感器、光纤传感器其他其他:BCD:BCD码输出、专用特制等。码输出、专用特制等。10第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日1、大信号输出传感器要求：与要求：与A/D相配套的大信号输出传感器；相配套的大信号输出传感器；特性：特性：A.A.把放大电路与传感器做成一体，使传感器能把放大电路与传感器做成一体，使传感器能直接输出直接输出05 V、010 V或或02.5 V要求的信要求的信号电压；号电压；B.B.把传感器与相应的变送器电路做成一体，构成能把传感器与相应的变送器电路做成一体，构成能输出输出420 mA直流标准信号的变送器。直流标准信号的变送器。C.C.可省去小信号放大环节。可省去小信号放大环节。11第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日大信号输出传感器应用图 图图2-1-4 2-1-4 大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用 对于大电流输出，只要经过简单对于大电流输出，只要经过简单I/VI/V转换即可变为大信号电压输转换即可变为大信号电压输出。出。对于大信号电压可以经对于大信号电压可以经A/DA/D转换，也可以经转换，也可以经V/FV/F转换送入微机，转换送入微机，但后者响应速度较慢。但后者响应速度较慢。12第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2、数字式输出传感器1.1.构成：构成：采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数R R、L L、C C构成的振荡器，或模拟电压输入经构成的振荡器，或模拟电压输入经V/FV/F转换等。转换等。2.2.特性：特性：数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。传感器输出如果满足传感器输出如果满足TTLTTL电平标准，就可以直接接入计电平标准，就可以直接接入计算机的算机的I/OI/O口或中断入口。如果传感器输出不是口或中断入口。如果传感器输出不是TTLTTL电平，则须电平，则须经电平转换或放大整形。经电平转换或放大整形。下页图下页图2-1-52-1-5所示，频率量及开关量输出的传感器还具所示，频率量及开关量输出的传感器还具有信号调理较为简单的优点。有信号调理较为简单的优点。3.3.用途：非快速测量时选用。用途：非快速测量时选用。13第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日频率开关输出传感器应用图图图2-1-5 2-1-5 频率量及开关量输出传感器的使用频率量及开关量输出传感器的使用 14第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日3、集成式传感器1.1.构成：构成：将传感器与信号调理电路做成一体。将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。等做成一体，构成集成压力传感器。2.2.特性：特性：采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。务，简化通道结构。15第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日4、光纤传感器特性：特性：其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器，可从根本在信号输入通道中采用光纤传感器，可从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。上解决由现场通过传感器引入的干扰。16第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日1.向传感器厂家定购，价格高；2.实用设计方法：从传感器定型产品中选一个作为基础件，在其前设计一种敏感器或在其后设计一种转换器的方案进行；组合方案，各种方式的传感器组合后达到满足特定测量需要的特制传感器。特殊需要传感器的解决方法17第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2-1-3信号调理电路的参数设计和选择1.1.功能：放大、滤波、调零、线性处理、温度补偿、功能：放大、滤波、调零、线性处理、温度补偿、误差修正、量程切换等统称为信号调理。相应的电误差修正、量程切换等统称为信号调理。相应的电路成为信号调理电路。路成为信号调理电路。2.2.特性：部分工作可由软件完成，简化测试系统结构。特性：部分工作可由软件完成，简化测试系统结构。3.信号调理重点：信号调理重点：小信号放大、信号滤波以及对频率信号的放小信号放大、信号滤波以及对频率信号的放大整形。大整形。4.4.典型电路构成：典型电路构成：图2-1-6 典型调理电路的组成框图 18第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日一、前置放大器1.1.输出噪声：输出噪声：电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。度的波动电压，这就是电路的输出噪声。2.2.等效输入噪声：等效输入噪声：把电路输出端测得的噪声有效值把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到该折算到该电路的输入端即除以该电路的增益电路的输入端即除以该电路的增益K，得到的电平，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声值称为该电路的等效输入噪声VIN。19第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日一、前置放大器3.3.前置放大特点：可有效提高信噪比前置放大特点：可有效提高信噪比4.4.要求：前置放大器的放大倍数大于要求：前置放大器的放大倍数大于1 1，等效输入噪声必须比后级电路的等效输等效输入噪声必须比后级电路的等效输入噪声要低。入噪声要低。前置放大器要求是前置放大器要求是低噪声低噪声的。的。5.5.实现：如电路图实现：如电路图 20第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日前置放大器作用图图217 前置放大器的作用前置放大器的作用为不使小信号被电路噪声淹没，必须在该电路前面加一级放大器为不使小信号被电路噪声淹没，必须在该电路前面加一级放大器图中图中K K0 0为前置放大器的增益，为前置放大器的增益，V VIN0IN0为本身的等效输入噪声。为本身的等效输入噪声。V VISIS为为输入信号输入信号 ，后级电路中，后级电路中，V VONON为为噪声有效值噪声有效值 ，K K为为电路的增益电路的增益 ，V VININ为为等效输入噪声等效输入噪声 。21第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日设置低噪声前置放大器 为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前端加入的电路必须是放大器，即K01，而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。因此，减少电路的等效输入噪声实质上就是提高了电路接收弱信号的能力。所以，调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。22第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日两种调理电路对比调理电路的等效输入噪声分别为：显然当K大于1时前者较小。所以将滤波器放在放大器的后面是合理的。有利减少电路的等效输入噪声，提高接受弱信号能力图218 两种调理电路的对比 23第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日前置放大器前置放大器种类：前置放大器种类：1.1.仪器放大器，要求：仪器放大器，要求：低漂移；低失调电压；非线低漂移；低失调电压；非线形误差小；低噪声；共模抑制比高；输入阻抗高形误差小；低噪声；共模抑制比高；输入阻抗高2.2.隔离放大器：消除干扰；安全；保护系统隔离放大器：消除干扰；安全；保护系统3.3.可编程增益放大器：增益可调；量程范围大。可编程增益放大器：增益可调；量程范围大。24第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日二、滤波器1.种类：高通滤波器；陷波滤波器；去混淆滤波器2.作用：防止零点漂移；防止共频干扰；防止采集混叠现象。隔直电容隔直电容C C与电压跟随器与电压跟随器输入电阻输入电阻RiRi形成一个形成一个RCRC高通滤波器高通滤波器。陷波器陷波器是为抑制交流电干扰是为抑制交流电干扰而设置的，陷波频率应等于而设置的，陷波频率应等于交流电干扰的频率。交流电干扰的频率。图2-1-9 隔直电容的作用 25第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日1、采样定理连续信号 x（t）被宽度为 的脉冲信号所采集，采样周期为T。这个过程可以用数学表达式表示为：对应频谱为:26第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日采样定理其中 为采样角频率.27第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日采样定理结论:一个连续信号经过理想采样后,其频谱产生周期性的延拓.每隔一个采样频率 后就以1/T的倍数重复出现.图2110 折叠失真的产生与消除28第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日 采样定理如果信号最高频率分量超过如果信号最高频率分量超过 就会就会出现频谱混叠，所以，出现频谱混叠，所以，采样频率必须采样频率必须大于大于2 2倍的信号最高频率倍的信号最高频率 。这。这就是采样定理（奈奎斯特定理，香农就是采样定理（奈奎斯特定理，香农定理）定理）另外还要注意：另外还要注意：采样信号必须为带宽有限采样信号必须为带宽有限信号信号，即最高频率为有限值。，即最高频率为有限值。29第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2 2、去混叠滤波、去混叠滤波采采样样产产生生折折叠叠失失真真是是由由于于被被采采样样频频谱谱中中含含有有高高于于折折叠叠频频率率fsfs2 2的的频频率率分分量量，产产生生频频率率混混淆淆。被被采采样样频频谱谱包包含含有有用用信信号号和和干干扰扰噪噪声声两两部部分分，大大多多存存在在高高于于fsfs2 2的的频频率率分分量量。由由于于被被采采样样频频谱谱中中高高于于fsfs2 2的的频频率率分分量量采采样样后后会会出出现现在在低低于于fsfs2 2的的信信号号频频段段上上，这这样样就就无无法法用用频频率率滤滤波波的的方方法法将将它它们们与与信信号号分分离离。为为消消除除频频率率混混淆淆或或假假频频干干扰扰，就就只只有有在在采采样样之之前前先先用用一一个个截截频频fhfhfsfs2 2的的低低通通滤滤波波器器把把高高于于fsfs2 2的的频率分量滤掉频率分量滤掉，以保证采样时被采样的频谱只包含以保证采样时被采样的频谱只包含30第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日低于低于fsfs2 2的频率分量，即满足采样定理。的频率分量，即满足采样定理。在采样开在采样开关之前设置的这种用途的低通滤波器常称做去混淆关之前设置的这种用途的低通滤波器常称做去混淆滤波器或去假频滤波器。滤波器或去假频滤波器。当然，如果被采样频谱中当然，如果被采样频谱中不包含高于不包含高于fsfs2 2的频率分量，或者虽然有但也很微的频率分量，或者虽然有但也很微弱，那就不必增加去混淆滤波这道环节。弱，那就不必增加去混淆滤波这道环节。去混淆滤波器的任务是滤掉被采样频谱中高于去混淆滤波器的任务是滤掉被采样频谱中高于fsfs2 2的频率分量，如果去混淆滤波器是一个陡度为无限的频率分量，如果去混淆滤波器是一个陡度为无限大即矩形幅频特性的低通滤波器的话，那么去混淆大即矩形幅频特性的低通滤波器的话，那么去混淆滤波器截止频率滤波器截止频率fh=fsfh=fs2 2就可以了。就可以了。2 2、去混叠滤波、去混叠滤波31第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2 2、去混叠滤波、去混叠滤波1.去混叠滤波属于低通滤波器。2.在采样之前先用一个截止频率为 的低通滤波器，把高于 的频率分量滤除，另一方面可以滤除高频干扰信号。32第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2-1-4 采样电路的参数设计和选择 图2-1-13 采集电路的基本组成采采集集电电路路是是实实现现模模拟拟信信号号数数字字化化的的电电路路，A/DA/D转转换换器器是是采采集集电电路路的的核核心心。一一般般A/DA/D前前都都设设置置模模拟拟多多路路切切换换器器MUXMUX，以以便便从从多多路路模模拟拟信信号号中中选选一一路路进进行行A/DA/D转转换换。若若模模拟拟信信号号为为恒恒定定或或变变化化缓缓慢慢的的信信号号，则则可可直直接接进进行行A/DA/D转换，如图转换，如图2113(a)2113(a)所示。所示。如果被测模拟信号为动态信如果被测模拟信号为动态信号，必须在号，必须在MUXMUX与与A/DA/D之间设之间设置采样保持器置采样保持器S/HS/H，如图，如图2113(b)2113(b)所示。所示。S/HS/H在在MUXMUX的闭的闭合期间采样，合期间采样，A/DA/D在在S/HS/H保持保持期间进行期间进行A/DA/D转换。如果各路转换。如果各路模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度随时间变化很模拟信号幅度随时间变化很大，必须在大，必须在S/HS/H与与MUXMUX之间设之间设置程控增益放大器置程控增益放大器PGAPGA或瞬时或瞬时浮点放大器浮点放大器IFPIFP作为主放大器，作为主放大器，如图如图2113(c)2113(c)所示。所示。33第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2-1-4 采样电路的参数设计和选择 一、A/D转换器的选择1、A/D转换器位数的确定设模拟输入的电压分别是Kg为A/D前放大器的增益。M位A/D满量程为E。则应使：34第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日A/D转换器的选择所以有：动态范围常常用如下表示：若知道L1则可以确定位数：35第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日A/D转换器的选择A/D转换的量化误差为 即满量程的可根据精度指标估算A/D的位数2、A/D的转换速度积分型、逐次比较型、双极并行型速度依次提高。采样时间为：36第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日A/D转换器的选择提高转换速度的措施：减少通道数，最好用分散采集方式N=1;减少截频系数C,增大去混淆低通滤波器陡度；选用转换时间短的A/D芯片选用直接读取存储器的技术（DMA）3、根据环境选择A/D：温度、功耗、可靠性等；4、选择A/D转换的输出状态：并行、串行输出，二进制、BCD码输出，时钟等37第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日二、采样保持器的选择1、主要参数捕捉时间 tAC 由保持状态过渡到跟踪输入信号电压值所需的时间，反映了A/D的采集速度。包括了开关的延迟和建立跟踪输入信号稳定时间.孔径时间 tAP 保持指令开始到模拟开关完全关断。建立时间 ts 保持命令开始到保持终值时间保持电压的跌落速度:ID为流过保持电容CH的所有漏电流代数和。38第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日图图2-1-14 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数 采样保持器的选择39第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日采样保持器的选择2 2、要不要设置采样保持器、要不要设置采样保持器 通过计算可以知道通过计算可以知道:为了保证为了保证1LSB1LSB的精度的精度,在在A/DA/D转换转换时间时间t tc c内内,被转换信号允许的最高频率为被转换信号允许的最高频率为:所以所以,当信号频率低于上面极限值时不用当信号频率低于上面极限值时不用S/H,S/H,但是当但是当信号频率高于上面极限值时就要采用信号频率高于上面极限值时就要采用S/H.S/H.以便把采样以便把采样幅值保持下来幅值保持下来40第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日三 采集电路时序和最高频率图2-1-15 分时采集多道数据采集系统41第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日采集电路时序和最高频率单通道工作周期为捕捉时间;采样时间和转换时间之和,即:多路采集时的工作周期为:N为输入通道数所能允许的模拟信号最高频率为:42第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日四 多路通道串音问题原因原因:模拟开关的关断电阻不是无穷大模拟开关的关断电阻不是无穷大,对正在接对正在接通的采集电路构成干扰通的采集电路构成干扰.这就是串音干扰这就是串音干扰.消除措施：消除措施：1 减少信号源内阻减少信号源内阻,可采用电压跟随器可采用电压跟随器.2 选用开路电阻大选用开路电阻大,接通电阻小的开关管接通电阻小的开关管.3 减少输出端并联开关数减少输出端并联开关数.4 选用寄生电容小的多路开关选用寄生电容小的多路开关.43第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日五 主放大器的设计A/D采样电路的量化相对误差为:其中Vij是模拟开关采样电压,q是绝对误差.可见,输入电压越大,相对误差也就越小,所以,通常在A/D前面放一个放大倍数为K的主放大器,以提高A/D的相对转换精度.使得:44第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日主放大器的设计对主放大器的K的要求:最后可以推出:（2-1-50）其中:E是满度输入电压,q=E/DFS,DFS,是满度输入电压对应的满度输出数字.45第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日主放大器的设计 V Vijij不随不随j j变化，但随变化，但随i i变化很大，应在采集电路中设置程控变化很大，应在采集电路中设置程控增益放大器作为主放大器。增益放大器作为主放大器。程控增益放大器的特点：程控增益放大器的特点：每当多路开关每当多路开关MUXMUX在对第在对第i i道信号采样时，放大器就采用预道信号采样时，放大器就采用预先按式先按式(2-1-50)(2-1-50)选定的第选定的第i i道的增益道的增益KiKi进行放大。进行放大。若被测量的多路模拟信号是随时间变化的信号，而且同一若被测量的多路模拟信号是随时间变化的信号，而且同一时刻各路信号的幅度也不一样。即，时刻各路信号的幅度也不一样。即，V Vijij既随既随i i变化，也随变化，也随j j变化，变化，应在采集电路中设置应在采集电路中设置瞬时浮点放大器作为主放大器瞬时浮点放大器作为主放大器，其特点是，其特点是在多路开关在多路开关MUXMUX对第对第i i道信号进行第道信号进行第j j次采样期间，及时为该采样次采样期间，及时为该采样幅值幅值V Vijij选定一个符合式选定一个符合式(2-1-50)(2-1-50)（书（书P22P22）的最佳增益）的最佳增益K Kijij。由于。由于该放大器的增益该放大器的增益K Kijij是随采样幅值是随采样幅值V Vijij而变化调整的，故称浮点放而变化调整的，故称浮点放大器，因为放大器增益调整必须在采样电压大器，因为放大器增益调整必须在采样电压V Vijij存在的那一瞬间存在的那一瞬间完成，所以又称为瞬时浮点放大器。完成，所以又称为瞬时浮点放大器。46第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2-1-5 模拟输入通道的误差分配和综合n设计时要已知设计时要已知:精度要求精度要求;温度条件温度条件;通道数通道数;信信号特征号特征.n在确定了通道结构后在确定了通道结构后,根据总精度要求分配各环根据总精度要求分配各环节的精度要求节的精度要求.n一般传感器和信号放大电路的误差比例最大一般传感器和信号放大电路的误差比例最大.n元件选择的要求其精度是系统精度的元件选择的要求其精度是系统精度的10倍倍.n例子见例子见P23(自学自学)47第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2-2 模拟输出通道2-2-1 模拟输出通道的基本理论模拟输出通道的基本理论 一一、零阶保持与平滑滤波、零阶保持与平滑滤波 D/A是将计算机输出的数字信号进行模拟输出的过程是将计算机输出的数字信号进行模拟输出的过程,有两种基本方式有两种基本方式,一阶保持和零阶保持一阶保持和零阶保持.图2-2-1 一阶保持与零阶保持48第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日 模拟信号数字化得到的数据是模拟信号在各个采样时刻瞬时模拟信号数字化得到的数据是模拟信号在各个采样时刻瞬时幅值的幅值的A/DA/D转换结果。很显然把这些转换结果。很显然把这些A/DA/D转换结果再经过转换结果再经过D/AD/A转换，转换，也只能得到模拟信号各个采样时刻的近似幅值也只能得到模拟信号各个采样时刻的近似幅值得到模拟信号得到模拟信号波形上的一个个断续的采样点，而不能得到在时间上连续存在的波形上的一个个断续的采样点，而不能得到在时间上连续存在的波形。为了得到在时间上连续存在的波形就要填补相邻采样点之波形。为了得到在时间上连续存在的波形就要填补相邻采样点之间的空白。有两种简单的填补采样点之间空白的办法：间的空白。有两种简单的填补采样点之间空白的办法：一是一是把相邻采样点之间用直线连接起来把相邻采样点之间用直线连接起来，如上页图，如上页图221(a)221(a)所所示，这种方式称为示，这种方式称为“一阶保持一阶保持”方式；方式；二是二是把每个采样点的幅值保持到下一个采样点把每个采样点的幅值保持到下一个采样点，如上页图，如上页图221(b)221(b)所示，这种方式称所示，这种方式称“零阶保持零阶保持”方式。方式。一阶保持与零阶保持49第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日模拟输出通道的基本理论零阶保持器实现零阶保持器实现:数据保持方式数据保持方式,模拟保持方式模拟保持方式图2-2-2 零阶保持器的两种形式50第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日数据保持方式,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。对比：前者保持电压会跌落；后者结构简单，成本低。对比：前者保持电压会跌落；后者结构简单，成本低。51第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日模拟输出通道的基本理论零阶保持器输出阶梯波形如下:图2-2-3 零阶保持器的输出波形52第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日模拟输出通道的基本理论零阶保持器的单位脉冲响应和频率响应(传递函数)为:图2-2-4 零阶保持器的单位冲激响应a和频率响应b53第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日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.54第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日模拟输出通道的基本理论低通滤波器可以将基频保留,滤除调制频率.图2-2-5零阶保持器和平滑 滤波器的作用具有这种功能的低通滤波器称为平滑滤波器。55第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日二 保持周期的确定若有m路输出,计算机每隔t0输出一个数据则零阶保持器的保持周期为:Ts=m t0当输出周期与采样周期相等时,则恢复信号与输入信号波形相同,若输出周期与采样周期保持一个比例关系,则恢复信号与输入信号波形相似.56第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2-2-2 模拟输出通道的基本结构 组成：数据寄存器、D/A转换器、转换电路、调理电路。分类：可分为多通道和单通道，单通道图如下:图2-2-6 模拟输出通道的基本组成多通道输出结构主要有以下三种：57第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日一、数据分配分时转换结构n特点：特点：每个通道有一个每个通道有一个D/AD/A，数据被分时地选通到各通道的，数据被分时地选通到各通道的数据寄存器。通道之间有时间差异，不适合于要求多参量同数据寄存器。通道之间有时间差异，不适合于要求多参量同步控制执行机构的系统。步控制执行机构的系统。图2-2-7 数据分配分时转换结构58第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日二、数据分配同步转换结构n特点：各通道D/A的操作同步进行。n工作原理：如图，多了个R2寄存器图2-2-8 数据分配同步转换结构59第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日R2寄存器作用 为实现各信号同步到达记录仪器或执行部件，在各路数据为实现各信号同步到达记录仪器或执行部件，在各路数据寄存器寄存器R R1 1与与D/AD/A转换器之间增设一个数据寄存器转换器之间增设一个数据寄存器R R2 2.作用：作用：数据总线分时选通主机的输出数据先后被各路数据寄存器数据总线分时选通主机的输出数据先后被各路数据寄存器R R1 1接收；接收；在同一命令控制下将数据由在同一命令控制下将数据由 R R1 1传送到传送到R R2 2,同时进行同时进行D/AD/A转换转换并输出模拟量。并输出模拟量。各通道输出的模拟信号不存在时间偏斜，主机分时送出的各通道输出的模拟信号不存在时间偏斜，主机分时送出的各信号之间的时间差，由第二个数据寄存器的同步作用所消除。各信号之间的时间差，由第二个数据寄存器的同步作用所消除。60第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日三、模拟分配分时转换结构n特点：各通道共用一个D/A和一个数据寄存器，数据分时依次送入通道进行D/A转换：图2-2-9 分时转换多通道模拟分配结构61第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日模拟分配分时转换结构n采用模拟多路切换器的D/A图2-2-9 分时转换多通道模拟分配结构 62第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日四、比较和选择n模拟分配方案：输出稳定性差，输出无模拟分配方案：输出稳定性差，输出无跳变，电路不复杂。跳变，电路不复杂。n数字分配方案：输出稳定性好，输出有数字分配方案：输出稳定性好，输出有跳变，电路复杂。跳变，电路复杂。63第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2-2-3模拟输出通道组成电路的选用一、D/A转换器1、位数的确定 位数决定模拟信号输出的动态范围，主要考虑使用目的：再现目的时与输入通道的A/D匹配；用于监视目的时5-7位D/A就可以；考虑精度要求时。若执行元件的分辨率为：VTH，所需要的控制信号的最大值摆幅为Vmax，则位数可由下式决定：64第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2、主要结构特性和应用特性的选择n数字输入特性：包括码制、数据格式、逻辑电平。n模拟输出特性：满码输出电流、最大允许输出短路电流和输出电压允许范围。n锁存特性及转换控制;n参考电源：影响输出结果65第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2.1 数字输入特性 D/A D/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。66第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2.2 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)，用输出电压允许范围来表示由输出电路用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包括简单电阻负载或者运算放大器电路者运算放大器电路)造成输出端电压的可变动范围。只要输出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会保持正确的转换关系，而与输出端的电压大小无关。对就会保持正确的转换关系，而与输出端的电压大小无关。对于输出特性为非电流源特性的于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。共端电位或虚地，否则将破坏其转换关系。67第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2.3 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。68第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日2.4 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。69第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日二、反多路开关和采样保持器nD/A反多路开关这部分是相对反多路开关这部分是相对A/D多路模拟开关而言的。多路模拟开关而言的。三、调理电路：输出通路中的调理电路有滤波、电压三、调理电路：输出通路中的调理电路有滤波、电压/电流转换电流转换和放大等几种形式。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，电流有利于长距离传输，DDZ-DDZ-型以型以0-100-10毫安为标准，毫安为标准，DDZ-DDZ-型型4-204-20毫安为标准信号电流。毫安为标准信号电流。大多数大多数D/AD/A电路的输出为电压信号，通常设置了电压电路的输出为电压信号，通常设置了电压/电流电流(V/I)(V/I)转换电路，将电压信号转换成电流信号。转换电路，将电压信号转换成电流信号。频率量输入通道和频率量输出通道：占用总线数量少，易于远频率量输入通道和频率量输出通道：占用总线数量少，易于远距离传送，抗干扰能力强。常用距离传送，抗干扰能力强。常用V/F转换器、转换器、F/V转换电路。转换电路。70第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日三、调理电路3、线性功率放大器 直流伺服控制中经常要用到线性功率放大器，在用于开关直流伺服控制中经常要用到线性功率放大器，在用于开关量控制的输出通道中大量使用开关型功率放大器。量控制的输出通道中大量使用开关型功率放大器。线性功率放大器通常由分立元件或集成功率运放构成。在线性功率放大器通常由分立元件或集成功率运放构成。在输出通道的直流伺服控制系统中，采用集成功率运算放大器可输出通道的直流伺服控制系统中，采用集成功率运算放大器可大大简化电路，并提高系统的可靠性。美国大大简化电路，并提高系统的可靠性。美国BBBB公司推出的大功公司推出的大功率运算放大器有率运算放大器有OPA501OPA501、OPA511/512OPA511/512、OPA541OPA541，输出电流可达，输出电流可达101015 A15 A。图。图2 22 21010是是OPA501OPA501的电路结构和引脚图。的电路结构和引脚图。71第二章第二章 测控通道测控通道2024年8月26日图2-2-1