測控技術(shù)與儀器專業(yè)必修課*智能儀器設(shè)計(jì)112模擬量與控制信號輸出主要知識點(diǎn)匯總3主要知識點(diǎn)匯總四、模擬量與控制信號輸出技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器：分類、應(yīng)用、接口電路放大驅(qū)動電路：（1）驅(qū)動電路：小/中/大功率

（2）功率放大電路：各類功率放大器

（D類、E類高頻放大電路）模擬執(zhí)行器：電機(jī)、電磁開關(guān)、繼電器控制信號輸出：數(shù)字量（開關(guān)量）輸出與接口，如固

態(tài)繼電器等第4章模擬量與控制信號輸出技術(shù)4.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)4.2D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用4.3數(shù)字量輸出與接口4模擬量輸出4.1模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)5

模擬量輸出通道作用：將經(jīng)智能儀器處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。模擬量輸出通道組成結(jié)構(gòu)：由D/A轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)、保持器、放大驅(qū)動電路、模擬執(zhí)行器等組成。模擬量輸出6（1）模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)a)單通道獨(dú)立型每一通道都是一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)DAC、驅(qū)動/放大電路、模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

思考：DAC能否直接接執(zhí)行機(jī)構(gòu)？模擬量輸出7b)多通道獨(dú)立型

各通道采用獨(dú)立的DAC，各路輸出可以單獨(dú)或同步轉(zhuǎn)換，工作速度快。模擬量輸出8c)多通道共享型各通道共享一個(gè)DAC，通過多路模擬開關(guān)切換，分時(shí)輸出到保持器中。特點(diǎn)：僅用一個(gè)DAC，但工作速度慢，不能實(shí)現(xiàn)多路模擬量同步輸出。由于多路模擬開關(guān)和保持電路的引入，輸出精度較低。模擬量輸出9（2）模擬量輸出通道的特點(diǎn)小信號輸出驅(qū)動接口：小功率、中功率、大功率*功率放大：低頻、高頻D/A轉(zhuǎn)換DAC指標(biāo)：串行/并行輸入、分辨率轉(zhuǎn)換接口：電壓信號、電流信號波形合成：頻率、幅值、占空比可調(diào)輸出干擾抗干擾措施：信號隔離、電源隔離模擬量輸出

思考：輸出直流信號如何控制交流設(shè)備？4.2D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用10D/A轉(zhuǎn)換器原理（權(quán)電阻、倒T型解碼網(wǎng)絡(luò)）

技術(shù)指標(biāo)（分辨率、轉(zhuǎn)換誤差、建立時(shí)間、轉(zhuǎn)

換速率）DAC分類DAC的應(yīng)用

數(shù)字可編程電壓源和電流源

可控增益放大器

波形發(fā)生器接口電路※模擬量輸出11（1）DAC的分類按照轉(zhuǎn)換位數(shù)的不同分為8位、10位、12位、16位；按照內(nèi)部有無鎖存器分為有鎖存器型和無鎖存器型；按照數(shù)字量輸入方式的不同分為并行和串行；按照輸出信號的不同分為電流輸出和電壓輸出；按照數(shù)/模轉(zhuǎn)換過程的不同分為直接型（數(shù)字量直接轉(zhuǎn)換為模擬量）和間接型（數(shù)字量先轉(zhuǎn)換為中間量，如脈寬或頻率后再轉(zhuǎn)換成模擬電壓）。模擬量輸出12（2）DAC的應(yīng)用

(a)數(shù)字可編程電壓源和電流源模擬量輸出13

(b)可控增益放大器AD7520

可控增益放大器的電路連接和等效電路

模擬量輸出14

(c)波形發(fā)生器梯形波發(fā)生器如果送入DAC的數(shù)字由0不斷增加，結(jié)合延時(shí)程序，U0端將輸出階梯波。調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間delay可產(chǎn)生不同斜率的階梯波；將參考電壓變?yōu)檎悼僧a(chǎn)生負(fù)階梯波，改變n的值可得到不同階梯高度的階梯波。模擬量輸出※15鋸齒波發(fā)生器當(dāng)階梯波發(fā)生器的階梯長度和高度很小時(shí)，即延時(shí)時(shí)間delay很小且D/A位數(shù)較多時(shí)，可輸出鋸齒波。負(fù)鋸齒波*正鋸齒波模擬量輸出16三角波發(fā)生器將正向鋸齒波和負(fù)向鋸齒波組合起來可輸出三角波。正弦波發(fā)生器【例】如利用8位DAC輸出幅值為-5V～+5V的正弦波，需將DAC0832輸出接成雙極性輸出形式。

將一個(gè)周期360°的正弦波分為256個(gè)點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)間隔約為（360°/

256）=1.4°。計(jì)算每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的電壓幅值所對應(yīng)的數(shù)字量，存入表格中。如波谷、波峰對應(yīng)的編碼分別為00H、FFH，正弦波過零點(diǎn)對應(yīng)的編碼為80H。模擬量輸出※17

計(jì)算時(shí)可讀取整個(gè)波形的1/4數(shù)字量編碼值，根據(jù)對稱關(guān)系復(fù)制其他區(qū)域的值。然后循環(huán)送數(shù)，在輸出端可獲得連續(xù)的正弦波。模擬量輸出18TAB編碼表：80H,83H,86H,89H,8DH,90H,93H,96H99H,9CH,9FH,A2H,A5H,A8H,ABH,AEHB1H,B4H,B7H,BAH,BCH,BFH,C2H,C5HC7H,CAH,CCH,CFH,D1H,D4H,D6H,D8HDAH,DDH,DFH,E1H,E3H,E5H,E7H,E9H……任意波發(fā)生器

思考：正弦波的周期如何確定？以上方法也適合輸出任意波形的信號。問題：是否能用來合成高頻信號*？模擬量輸出19示波器實(shí)測8位D/A轉(zhuǎn)換器輸出正弦波波形模擬量輸出20采用數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，即將一個(gè)周期的正弦波信號（或其他波形）離散取樣后，把樣點(diǎn)的幅度數(shù)字量存入ROM中，再按一定的地址間隔讀出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后可輸出對應(yīng)的模擬信號波形。用DDS輸出較高頻率正弦波模擬量輸出目前已有專用的DDS集成芯片，可輸出數(shù)百M(fèi)Hz的正弦波。21示波器實(shí)測DDS芯片輸出正弦波波形模擬量輸出22用DDS芯片實(shí)現(xiàn)逆變器驅(qū)動（視頻1-2*）模擬量輸出23（3）D/A轉(zhuǎn)換器接口電路模擬量輸出電壓輸出：導(dǎo)線電阻（壓降），近距離傳輸V/A變換1~5V

=>4~20mA（通用儀器儀表）V/F變換1~5V

=>200~1kHz（礦用儀器儀表）數(shù)字量/RS-485變換

差分信號線，半雙工，總線（工業(yè)儀器儀表）24模擬量輸出

(a)4~20mA輸出工作原理25模擬量輸出特點(diǎn)：電流信號遠(yuǎn)距離傳輸，2線（或3線）制傳輸，需接采樣電阻變成電壓信號4~20mA輸出電路圖

26模擬量輸出

(b)200Hz~1kHz輸出特點(diǎn)：頻率信號（低頻）遠(yuǎn)距離傳輸，2線制，占空比50%，需接微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。27模擬量輸出

(c)RS-485輸出特點(diǎn)：RS-485電平，差分雙絞信號線傳輸，最遠(yuǎn)距離1200m，半雙工通信，最大傳輸速率10Mb/s，最多并聯(lián)32臺設(shè)備。28模擬量輸出瓦斯報(bào)警器紅外氣體傳感器煤礦瓦斯紅外氣體報(bào)警器4.3數(shù)字量輸出與接口29執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常需較大電壓（電流）來控制，而微處理器輸出的開關(guān)量大都為TTL（或MOS）電平，一般不能直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要經(jīng)過隔離、驅(qū)動（直流驅(qū)動和交流驅(qū)動）和功率放大電路才能與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電磁開關(guān)、指示燈、直流負(fù)載、電機(jī)、交流負(fù)載）相連。模擬量輸出常用的隔離器件有光耦隔離器件和繼電器；常用的驅(qū)動電路有功率開關(guān)驅(qū)動電路、集成驅(qū)動芯片及固態(tài)繼電器等；常用的功率放大器*有A、B、AB、C類放大器；常用的高頻功率放大器*（D類和E類）。30

思考：各類功率放大器的區(qū)別？三極管的工作狀態(tài)：三極管在信號的一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通角的大小。A類—導(dǎo)通角360°（整個(gè)周期都有電流流過三極管）B類—導(dǎo)通角180°（半個(gè)周期導(dǎo)通）AB類—導(dǎo)通角略大于180°C類—導(dǎo)通角小于180°放大區(qū)D類—三極管工作在開關(guān)狀態(tài)，耗散功率為0E類—三極管工作在開關(guān)狀態(tài)，軟開關(guān)*飽和區(qū)或截止區(qū)模擬量輸出31模擬量輸出（1）小功率驅(qū)動電路常用小功率負(fù)載如發(fā)光二極管、LED數(shù)碼管、小功率繼電器和晶閘管等器件，一般要求具有10～40mA的驅(qū)動能力，通常采用小功率三極管（如9013、9014、8050、8550等）和集成電路（如75451、74LS245和SN75466等）作驅(qū)動電路。32采用三極管和驅(qū)動器的小功率驅(qū)動電路模擬量輸出驅(qū)動電流在100mA以下，當(dāng)單片機(jī)的P1.0、P1.1輸出低電平時(shí)，LED指示燈被點(diǎn)亮。33模擬量輸出（2）中功率驅(qū)動電路中功率驅(qū)動電路主要用于驅(qū)動功率較大的繼電器和電磁開關(guān)等控制對象，一般要求具有50～500mA的驅(qū)動能力。可采用達(dá)林頓管（如MC1412,MC1413，MC1416等）或中功率三極管來驅(qū)動。采用開關(guān)晶體管作驅(qū)動電路時(shí)，必須增大輸入驅(qū)動電流，以保證有足夠大的輸出電流，否則晶體管會因?yàn)楣軌航档脑黾佣拗曝?fù)載電流，這樣有可能使晶體管超過允許功耗而燒毀。34采用達(dá)林頓管的中功率驅(qū)動電路模擬量輸出集電極電流可達(dá)500mA，輸出端的耐壓可達(dá)100V。鉗位二極管*，可防止負(fù)載兩端的反電勢損壞驅(qū)動器。35模擬量輸出（3）大功率驅(qū)動電路大功率驅(qū)動電路主要用于驅(qū)動功率較大的電機(jī)和交流負(fù)載*對象，一般要求具有1～200A的驅(qū)動能力?？刹捎肈類、E類放大器或全橋電路來驅(qū)動。D類和E類功率放大器是一種使晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)的高頻功率放大器。D類：百M(fèi)Hz，E類：GHz。采用開關(guān)晶體管作驅(qū)動電路時(shí)，必須使晶體管工作于軟開關(guān)狀態(tài)，即ZVS或ZCS狀態(tài)*。36模擬量輸出軟開關(guān)的過程在開關(guān)管開通前，使其電流保持在零。或者限制電流的上升率，從而減小電流和電壓的交疊區(qū)，稱為零電流開通；在開關(guān)管開通前，使其電壓下降到零，稱為零電壓開通；在開關(guān)關(guān)斷前，使其電流減小到零，稱為零電流關(guān)斷；在開關(guān)關(guān)斷以前，使其電壓保持在零，或者限制電壓上升率，從而減小電流和電壓的交疊區(qū)，稱為零電壓關(guān)斷。37模擬量輸出硬開關(guān)切換開通/關(guān)斷損耗*軟開關(guān)切換電壓/電流（ZCS/ZVS?**）38

(a)D類放大器的工作特點(diǎn)及原理模擬量輸出工作特點(diǎn)D類功率放大器的損耗分為兩方面：（1）晶體管的飽和壓降（內(nèi)阻）帶來的損耗（2）晶體管作為開關(guān)工作，轉(zhuǎn)換不理想帶來的損耗39模擬量輸出假設(shè)條件為簡化原理分析，首先應(yīng)假設(shè)三個(gè)條件：（1）晶體管作為開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的損耗可以忽略不計(jì)；（2）輸出端的調(diào)諧回路諧振于激勵(lì)信號基頻；（3）晶體管截止時(shí)無漏電電流損耗。40工作原理P當(dāng)開關(guān)S1閉合，S2斷開時(shí)，P點(diǎn)電壓為電源電壓。當(dāng)開關(guān)S1斷開，S2閉合時(shí)，P點(diǎn)的電壓等于0。因此，在激勵(lì)電壓作用下，VP(t)為一矩形電壓，所以稱為電壓開關(guān)型D類功率放大器。與此同時(shí)，由于L和C的選頻濾波作用，輸出電流為一余弦波電流，其頻率為激勵(lì)信號的基頻。在等效負(fù)載（喇叭）上就可以得到頻率為f的余弦電壓，完成了放大功能。模擬量輸出41模擬量輸出工作波形S1電流波形S2電流波形負(fù)載電流波形負(fù)載電壓波形42

(b)E類放大器的工作特點(diǎn)及原理模擬量輸出工作特點(diǎn)適當(dāng)?shù)倪x取負(fù)載網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使它取得最佳的瞬態(tài)響應(yīng)。即當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷的瞬間，由于負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)響應(yīng)，使得集電極電壓（或電流）降為零后，才能導(dǎo)通或斷開，避免了開關(guān)轉(zhuǎn)換期間晶體管損耗。（軟開關(guān)）43基本結(jié)構(gòu)模擬量輸出44模擬量輸出工作原理第一階段t1,開關(guān)VS由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，這時(shí)VS上的電壓和C1上的電壓都為零,流過VS的電流IS等于電源電流ICC減去諧振電流I0。適當(dāng)選取負(fù)載網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使IS盡可能小,從而減小VS的關(guān)斷損耗,使VS工作在最佳工作狀態(tài)。這一時(shí)刻VS為零電壓關(guān)斷。第二階段t1-t2，VS關(guān)斷,流過它的IS保持為零，C1先充電后放電，在這個(gè)過程中，C1和電源VCC同時(shí)向諧振回路供電。諧振回路中，L0的儲能向C1

轉(zhuǎn)換。第三階段t2，VS由關(guān)斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。流過VS的電流IS為零,C1上的電壓Vc1為零，開關(guān)VS為零電流導(dǎo)通。第四階段t2-t3，VS導(dǎo)通，流過它的IS上升到最大后下降，C1上的電壓Vc1保持為零。諧振回路中電容C1

的儲能向電感L0

轉(zhuǎn)換。45模擬量輸出對于A、B、C類功率放大器來說，由于功率放大管工作于有源狀態(tài)，集電極電流與集電極電壓都比較大，因此，晶體管的集電極耗散功率較大，其效率很難提高。相比較來說，D類和E類功率放大器的特點(diǎn)是晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，即當(dāng)集電極電流通過時(shí)集電極電壓趨于零；當(dāng)集電極電流截止時(shí)，集電極電壓卻達(dá)到最大值。因此，晶體管集電極的耗散功率可以為零，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)效果。D類和E類放大器的優(yōu)勢46

(c)全橋逆變器全橋逆變器結(jié)構(gòu)（DAC+隔離+驅(qū)動+功放）工作流程（無線電能傳輸視頻3-6*）由兩個(gè)半橋逆變組成，也稱為H橋，相連的兩個(gè)橋臂交互導(dǎo)通，且兩個(gè)半橋的對位開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通（死區(qū)時(shí)間*）。模擬量輸出47模擬量輸出全橋逆變器移相控制波形48