【文章內(nèi)容簡介】 、 功能如圖所示： 在本電路中使用的為八選一模擬開關(guān) （ CD4051） CD4051是常用的八選一模擬開關(guān) ， 具有雙向傳輸性能 。 CD4051的邏輯與引腳 、 功能如圖 589所示。 0X1X2X3X4X5X6X7XA0A1A2INHCD4051131415121524111096K3XCOMVDDVZZVEE1678圖 5 8 9 C D 4 0 5 1 模擬開關(guān)管腳圖 取樣 /保持 （ S/H） 電路 目前取樣 /保持電路大多為集成芯片 ， 最常用的有 LF198/LF298/LF398和 AD 582。 圖 5810為 LF398的內(nèi)部原理圖及管腳配置 。 由圖可知 ， 當 8端邏輯控制為高電平時 ， 輸出處于跟隨狀態(tài) ， 有 UO=UI；當 8端為低電平時 ， 處于保持狀態(tài) 。 保持電容 CH一般選用 —— F的優(yōu)質(zhì)電容 （ 如聚四氟乙烯電容 ） 22 模擬輸出通道 221 模擬輸出通道的基本理論 一 、零階保持與平滑濾波 D/A是將計算機輸出的數(shù)字信號進行模擬輸出的過程 ,有兩種基本方式 ,一階保持 和 零階保持 . 圖 221 一階保持與零階保持 應(yīng)用較廣泛 模擬輸出通道的基本理論 零階保持器實現(xiàn) :數(shù)據(jù)保持方式 ,模擬保持方式 圖 222 零階保持器的兩種形式 模擬保持方式：采用保持電容的輸出保持器 R SU 1R of fR onR 2RcCSUo電容保持器原理圖 模擬保持方式，即在公用的 D/A之后每路加一個采樣保持器，保持器將 D/A轉(zhuǎn)換器輸出子樣電壓保持到本路信號的下一個采樣電壓產(chǎn)生時為止。這樣采樣保持器輸出波形是 連續(xù)的臺階電壓 。 數(shù)據(jù)保持方式：采用專用數(shù)據(jù)鎖存器的輸出保持器 上圖為數(shù)據(jù)保持方式，即在 D/A之間加設(shè)一個寄存器，讓每個采樣點的數(shù)據(jù)在該寄存器中一直寄存到本路信號的下個采樣點數(shù)據(jù)到來為止，這樣 D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形就不是離散的脈沖電壓，而是 連續(xù)的臺階電壓 。 兩種采樣保持器都起到零階保持的作用。 對比： 模擬保持器在保持期間保持 電壓會跌落 ；但是數(shù)字保持器不會有 模擬保持器比數(shù)字保持器 結(jié)構(gòu)簡單，成本低 。 零階保持器輸出階梯波形如下 : 圖 223 零階保持器的輸出波形 問題：如何將階梯波形變成光滑波形？ 模擬輸出通道的基本理論 零階保持器的單位脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng) (傳遞函數(shù) )為 : 圖 224 零階保持器的單位沖激響應(yīng) a和頻率響應(yīng) b 由圖可以看出，零階保持器可以看作是低通濾波器，對于頻率角 大于 WS的信號會很快衰減，但卻不是一個理想的低通濾波器 ，在 WS/2處，幅值并未降到零，同時可以看出，零階保持器相位滯后 故閉壞系統(tǒng)中引入零階保持器使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。 其中 : 稱為 基帶頻譜 稱為 調(diào)制頻譜 由下圖可知 ,保持器的頻譜響應(yīng)具有突出基帶作用 ,可以部分阻止調(diào)制分量通過 ,所以 ,零階保持器輸出是階梯狀 .為了平滑處理 ,引入一低通濾波器 . )(?F)(?39。F零階保持器的輸入 ???????? )()()( sss nTtnTftf ?)()()(1 ??? HFF s ??零階保持器的輸出 可以通過推導得 : )](39。)([)()(1 ???? FFTHfs??])3()2()([])3()2()([)(39。????????????????ssssssFFFFFFF?????????????低通濾波器可以將基頻保留 ,濾除調(diào)制頻率 . ?ccH????????01)1(圖 225零階保持器和平滑濾波器的作用 具有這種功能的低通濾波器稱為平滑濾波器。 經(jīng)過理想平滑濾波器的輸出頻譜為 ss THFHHFF )()()()()()(10?????? ????通常取平滑濾波器的截止頻率 等于信號的最高頻率 且等于 保持頻率的四分之一，即 hf cfssch Tfff 4/14/ ???此時可以近似的認為 )()()()( 00 tftfFF ?? 或??可見，在零階保持器后接平滑濾波器，基本上可以從子樣脈沖串 恢復出光滑的信號波形 ，這就是模擬輸出通道中要設(shè)置 零 階保持器 和 平滑濾波器 的理論依據(jù) ??tfs)(tf二 保持周期的確定 若有 m路輸出 ,計算機每隔 t0輸出一個數(shù)據(jù)則零階保持器的保持周期為 : Ts=m t0 當輸出保持周期 Ts與輸入采樣周期 T相等時 ,則恢復信號與輸入信號波形相同即： 若輸出周期與采樣周期保持一個比例關(guān)系即： )()(0 tftf ?則恢復信號與輸入信號波形相似 . aTT s ?)()(0 atftf ?222 模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu) 組成 ：數(shù)據(jù)寄存器、 D/A轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換電路、 調(diào)理電路。 分類 ：可分為多通道和單通道， 單通道圖 如下 : 圖 226 模擬輸出通道的基本組成 多通道 輸出結(jié)構(gòu)主要有以下三種： 一、 數(shù)據(jù)分配 分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) ? 特點： 每個通道有一個 D/A，數(shù)據(jù)被分時地選通到各通道的數(shù)據(jù)寄存器。通道之間有時間差異，不適合于要求多參量同步控制執(zhí)行機構(gòu)的系統(tǒng)。 圖 227 數(shù)據(jù)分配分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 二、 數(shù)據(jù)分配 同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) ? 特點：各通道 D/A的操作同步進行。 ? 工作原理：如圖，多了個 R2寄存器 圖 228 數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 消除時間差 R2寄存器作用 為實現(xiàn)各信號同步到達記錄儀器或執(zhí)行部件，在各路數(shù)據(jù)寄存器 R1與 D/A轉(zhuǎn)換器之間增設(shè)一個數(shù)據(jù)寄存器 R2作用： ①數(shù)據(jù)總線分時選通主機的輸出數(shù)據(jù)先后被各路數(shù)據(jù)寄存器 R1接收； ②在同一命令控制下將數(shù)據(jù)由 R1傳送到 R2 ,同時進行 D/A轉(zhuǎn)換并輸出模擬量。 各通道輸出的模擬信號不存在時間偏斜，主機分時送出的各信號之間的時間差，由第二個數(shù)據(jù)寄存器的同步作用所消除。 三、 模擬分配 分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) ? 特點：各通道 共用一個 D/A和一個 數(shù)據(jù)寄存器 ，數(shù)據(jù)分時依次送入通道進行 D/A轉(zhuǎn)換： 圖 229 分時轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu) 模擬分配分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) ? 采用模擬多路切換器的 D/A 圖 229 分時轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu) 四、比較和選擇 ? 模擬分配方案： 輸出穩(wěn)定性差（由于存儲電容漏電） 輸出無跳變（由于電容有積分作用） 電路不復雜（只需要一個 DAC） ? 數(shù)字分配方案： 輸出穩(wěn)定性好 輸出有跳變 電路復雜。 223模擬輸出通道組成電路的選用 一、 D/A轉(zhuǎn)換器 1． D/A轉(zhuǎn)換器的性能指標 D/A轉(zhuǎn)換器性能指標是衡量芯片質(zhì)量的重要參數(shù)，也是選用 D/A芯片型號的依據(jù)。主要性能指標有： （ 1）分辨率 （ 2）轉(zhuǎn)換精度 （ 3）偏移量誤差 （ 4）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 。其分辨率與二進制位數(shù) n呈下列關(guān)系： 分辨率 = 滿刻度值 /（ 2n1） =VREF / 2n （ 2）轉(zhuǎn)換精度 絕對 轉(zhuǎn)換精度 是指轉(zhuǎn)換后所得的實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，實際輸出值是在 ~，其轉(zhuǎn)換精度為 177。 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。 相對轉(zhuǎn)換精度 —— 一般用絕對轉(zhuǎn)換精度相對于滿量程輸出的百分數(shù)來表示，有時也用數(shù)字量的最小有效值（ LSB）的幾分之一來表示 （ 3）偏移量誤差 偏移量誤差 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/A轉(zhuǎn)換器，其穩(wěn)定時間主要取決于運算放大器的響應(yīng)時間。 位數(shù)的確定 位數(shù)決定模擬信號輸出的動態(tài)范圍，主要考慮使用目的 a、為了不失真再現(xiàn)目的時（如語音回放） : 與輸入通道的 A/D匹配 b、為了形成動態(tài)范圍在 20dB監(jiān)視波形時： 57位 D/A就可以； C、為了驅(qū)動指針式儀表時： n?? 2?儀表精度 D/A位數(shù) 在微機化 開環(huán)控制 系統(tǒng)中，若執(zhí)行元件的分辨率為：VTH，所需要的控制信號的最大值擺幅為 Vmax，則位數(shù)可由下式?jīng)Q定： THnVV m a x2 ?在微機化 閉環(huán)控制 系統(tǒng)中，在任一時刻 DAC輸出的是誤差信號， 因此，對分辨力的要求比開環(huán)系統(tǒng)要低，其位數(shù)主要根據(jù)系統(tǒng) 要求的線性范圍來確定。根據(jù)經(jīng)驗， 一般比所以的 ADC位數(shù)少 兩位就可以了。 主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇 ? 數(shù)字 輸入 特性：包括碼制、數(shù)據(jù)格式、邏輯電平。 ? 模擬 輸出 特性：滿碼輸出電流、最大允許輸出短路電流和輸出電壓允許范圍。 ? 鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制 。 ? 參考電源：影響輸出結(jié)果 一、 數(shù)字輸入特性 D/A轉(zhuǎn)換器芯片一般都只能接收 自然二進制數(shù)字代碼 。因此，當輸入數(shù)字代碼為偏移二進制碼或 2的補碼等雙極性數(shù)碼時，應(yīng)外接適當?shù)?偏置電路 后才能實現(xiàn)雙極性 D/A轉(zhuǎn)換。 輸入數(shù)據(jù)格式一般為 并行碼 ，對于芯片內(nèi)部配置有 移位寄存器 的 D/A轉(zhuǎn)換器，可以接收串行碼輸入。 不同的 D/A芯片輸入 邏輯電平 要求不同。對于固定閾值電平的 D/A轉(zhuǎn)換器一般只能和 TTL或低壓 CMOS電路相連，而有些邏輯電平可以改變的 D/A轉(zhuǎn)換器可以滿足與 TTL、高低壓 CMOS、 PMOS等各種器件直接連接的要求。 主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇 二、 模擬輸出特性 主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇 輸出方式 ? 1 電壓輸出方式 ? 2 電流輸出方式 電壓輸出方式 由于系統(tǒng)要求不同，電壓輸出方式又可分為 單極性輸出 和 雙極性輸出 兩種形式。下面以 8位的 DAC0832芯片為例作一說明。 A、 DAC單極性輸出 圖 3 8 D A C 單極性輸出方式D A C 0 8 3 2R fb1TUOI2TUOIAVFERVTUOFERVDI 7DI 6DI 5DI 4DI 3DI 2DI 1DI 0D 7D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 02 5 6R E FO U TVBV ???00116677 2222 ???????????? DDDDB式中： VREF/256是常數(shù) 顯然， VOUT和 B 成正比關(guān)系，輸入數(shù)字量 B 為 00H 時， VOUT也為 0 ；輸入數(shù)字量 B 為 FFH即255時， VOUT 為與 VREF 極性相反的最大值。 DAC單極性輸出方式如圖 所示，可得輸出電壓 VOUT的單極性輸出表達式為： B． DAC雙極性輸出方式 DAC雙極性輸出方式如圖所示。 A1 和 A2 為運算放大器， A點為虛地，故可得： 0321 ??? III25 6R E F1O U T VBV ???RVI2R E F1 ? RVI2OUT2 ?RVI O U T13 ? 解上述方程可得雙極性輸出表達式： 圖中運放 A2 的作用是將運放 A1 的 單向輸出變?yōu)殡p向輸出 。當輸入數(shù)字量小于 80 H即 128時，輸出模擬電壓為負；當輸入數(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，計算表達式中只要把 281改為 2n1即可。 18