《檢測與控制技術(shù)》課件第8章

第8章微機測控系統(tǒng)的出口—輸出通8.1概述8.2模擬量輸出通道8.3開關(guān)量輸出通道思考題與習(xí)題8.1輸出通道概述

1.輸出通道的特點

根據(jù)微機測控系統(tǒng)的輸出和控制對象對控制信號的要求，輸出通道的主要特點是小信號輸出、大功率控制。即控制對象大多為大功率伺服驅(qū)動機構(gòu)，而微機的輸出功率有限，要實現(xiàn)小信號控制大功率設(shè)備，必須在通道中設(shè)置驅(qū)動裝置。

2.輸出通道的結(jié)構(gòu)類型輸出通道是微機對采樣數(shù)據(jù)實現(xiàn)某種運算處理后，將處理結(jié)果回送給被控對象的數(shù)據(jù)通路。它的結(jié)構(gòu)取決于被控對象和控制任務(wù)。根據(jù)微機輸出信號的形式和被控對象的特點，輸出通道的結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。

圖8-1輸出通道的結(jié)構(gòu)

8.2模擬量輸出通道

8.2.1模擬量輸出通道的基本組成與類型

1.模擬量輸出通道的基本組成模擬量輸出通道主要由輸出數(shù)據(jù)寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器和調(diào)理電路三部分組成，如圖8-2所示。

圖8-2模擬量輸出通道的基本組成

（1）輸出數(shù)據(jù)寄存器：用于保存計算機輸出的數(shù)字量。目前，D/A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)一般都帶有輸入寄存器，因此，在模擬量輸出通道中，一般不需再設(shè)置專門的寄存器電路。（2）D/A轉(zhuǎn)換器：是模擬量輸出通道中的核心部件，其作用是將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。轉(zhuǎn)換后的模擬量有電壓和電流兩種類型。（3）調(diào)理電路：D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量信號往往無法直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，需要進行適當(dāng)?shù)胤糯蠡蜃儞Q。例如，常用的電動執(zhí)行器需要0～10mA或4～20mA的電流信號來控制，這就需要把D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號變換成上述范圍的電流信號。

2.模擬量輸出通道的常見類型及其結(jié)構(gòu)

1）數(shù)據(jù)分配分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分配分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖8-3所示。它的特點是每個通道配置獨立的數(shù)據(jù)寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)經(jīng)微機處理后通過數(shù)據(jù)總線分時地送給各通道數(shù)據(jù)寄存器R1，當(dāng)控制邏輯選通某路數(shù)據(jù)寄存器的同時，該路D/A即實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。一般各通道在D/A轉(zhuǎn)換之后都設(shè)有信號調(diào)理電路，使輸出模擬信號滿足執(zhí)行機構(gòu)的要求。這種分時輸出結(jié)構(gòu)由于各通道輸出的模擬信號存在時滯，因此，不適于多參量同步控制執(zhí)行機構(gòu)的系統(tǒng)。

圖8-3數(shù)據(jù)分配分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

2）數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖8-4所示。它的特點是多路輸出通道中D/A轉(zhuǎn)換器的操作是同步進行的，因此，各信號可以同時到達執(zhí)行部件。為了實現(xiàn)這個功能，在各路數(shù)據(jù)寄存器R1與D/A轉(zhuǎn)換器之間增設(shè)了一個數(shù)據(jù)寄存器R2。這樣，數(shù)據(jù)總線分時將微機的輸出數(shù)據(jù)送給各路數(shù)據(jù)寄存器R1

，然后再同時控制將數(shù)據(jù)由R1傳送到R2，并啟動D/A轉(zhuǎn)換，得到同步輸出的模擬量。顯然，各通道輸出的模擬信號不存在時滯，微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。

圖8-4數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

3）模擬分配分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模擬分配分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖8-5（a）所示，這種結(jié)構(gòu)的特點是各通道共用一個D/A轉(zhuǎn)換器和一個數(shù)據(jù)寄存器。微機處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線按照通道順序分時傳送至數(shù)據(jù)寄存器并進行D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)通道的模擬輸出值。微機將某通道數(shù)據(jù)輸出給D/A轉(zhuǎn)換器進行D/A轉(zhuǎn)換的同時，也命令該通道的S/H進入采樣狀態(tài)，當(dāng)該通道完成D/A轉(zhuǎn)換并準(zhǔn)備接收下一通道數(shù)據(jù)時，微機讓該通道的S/H進入保持狀態(tài)。顯然，只有正在進行D/A轉(zhuǎn)換的那一通道的S/H是采樣狀態(tài)，而其他通道的S/H都處于保持狀態(tài)。圖8-5（a）中輸入端并聯(lián)的多路采樣/保持器也可以簡單地用一個模擬多路開關(guān)MUX和多個保持電容及電壓跟隨器或跟隨保持放大器來代替，如圖8-5（b）所示。

圖8-5模擬分配分時轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)（a）由微機控制的分時多通道結(jié)構(gòu)；（b）由MUX控制的分時多通道結(jié)構(gòu)

3.多通道輸出結(jié)構(gòu)的選擇

上述的三種結(jié)構(gòu)可歸納為兩種分配方案。圖8-3和圖8-4所示的方案稱為數(shù)據(jù)分配方案；圖8-5所示的方案稱為模擬分配方案。對于模擬分配方案，雖然存在保持電容漏電等影響，但保持電容的積分平滑作用可以使輸出通道不會出現(xiàn)大幅度的突跳現(xiàn)象，另外只使用一片D/A，可降低整個通道的成本。相比之下，數(shù)據(jù)分配方案的電路比較復(fù)雜，每通道各采用一片D/A，成本較高，且通道的輸出存在突跳現(xiàn)象，但是這種方案的輸出電壓（或電流）的精度和平滑程度僅由D/A的線性誤差和分辨率所決定，其穩(wěn)定性較好。

對于模擬輸出通道方案的選擇，首先，要考慮何種方案能滿足系統(tǒng)的控制要求；其次，要考慮通道的成本。對于要求中等分辨率（8～10位）的輸出通道，可選用價格較低的8～10位的D/A，并采用圖8-4所示的方案（例如可選用具有雙緩沖輸入寄存器的D/A），能獲得較好的性能。對于分辨率高于12位的輸出通道，可采用如圖8-5所示的模擬分配方案。但是，高于12位的輸出通道由于保持電容的介質(zhì)吸附效應(yīng)指標(biāo)不夠理想，要使S/H滿足高分辨率和高速度的要求比較困難，一般應(yīng)采用如圖8-4所示的方案。除上述情況外，當(dāng)負(fù)載位置非常分散時，從抗干擾和成本角度考慮，最好采用串行傳輸把數(shù)據(jù)從微機傳送到圖8-4所示的各路緩沖寄存器R1中，在地址指令控制下把串行數(shù)據(jù)變換為并行數(shù)據(jù)，然后控制該通道的輸入寄存器R2從緩沖寄存器R1中并行取入數(shù)據(jù)并進行D/A轉(zhuǎn)換。

8.2.2模擬量輸出通道的組成電路

1.D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件，是模擬輸出通道必不可少的核心環(huán)節(jié)。

1）D/A轉(zhuǎn)換器的類型

D/A轉(zhuǎn)換器品種繁多，但其內(nèi)核都是把輸入數(shù)字量中每位按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成模擬量，并通過運放求和相加，從而得到模擬輸出量。這樣，D/A轉(zhuǎn)換器只在數(shù)據(jù)輸入方式（串行、并行）和模擬輸出信號形式（電流、電壓）兩方面有差別。因此，D/A轉(zhuǎn)換器按輸入方式分，有串行和并行兩類；按輸出形式分，有電流型和電壓型兩類。

2）D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)

(1)分辨率：含義與A/D轉(zhuǎn)換器相同，是指最低一位數(shù)字量變化引起輸出幅度的變化量，用LSB表示。

(2)轉(zhuǎn)換精度：是指滿量程時D/A的實際模擬輸出值和理論值的接近程度。

(3)偏移量誤差：是指輸入數(shù)字量為零時，輸出模擬量的偏移值。

(4)轉(zhuǎn)換速度：又稱為建立時間，是指輸入數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應(yīng)數(shù)值范圍內(nèi)（±1/2LSB）所經(jīng)歷的時間。它是D/A轉(zhuǎn)換器的動態(tài)指標(biāo)。

(5)輸出電平：是指D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號的形式與大小。不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電平相差較大，一般為5～10V，也有高壓輸出型的為24～30V。還有電流型的D/A轉(zhuǎn)換器，低的為20mA，高的可達3A。

(6)輸入編碼：是指D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的形式，通常有二進制、BCD碼、補碼、偏移二進制碼等。

3）D/A轉(zhuǎn)換器的選擇（1）D/A位數(shù)的確定：模擬輸出通道中所用D/A的位數(shù)取決于輸出模擬信號所需要的動態(tài)范圍。一般輸出通道所用D/A的位數(shù)應(yīng)與輸入通道中所用A/D的位數(shù)相同。如果輸出通道只是為了形成動態(tài)范圍在20dB左右的監(jiān)視波形，那么選5～7位D/A就夠了，但在D/A轉(zhuǎn)換之前須進行數(shù)字增益控制。如果輸出通道只是驅(qū)動指針式儀表，那么儀表精度δ應(yīng)與D/A位數(shù)n相匹配，即δ=2-n

（8-1)在開環(huán)微機測控系統(tǒng)中，若模擬執(zhí)行元件的分辨率為VTH，它所需要的控制信號的最大擺幅為Vmax，則D/A的位數(shù)n應(yīng)該滿足下式：（8－2)在閉環(huán)微機測控系統(tǒng)中，D/A始終輸出的是調(diào)整信號。因此，對其分辨率的要求比開環(huán)系統(tǒng)的要低，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，一般比所用的A/D位數(shù)少兩位就能滿足要求。如果負(fù)載并沒有明確要求，通常取D/A位數(shù)等于系統(tǒng)輸出數(shù)字的位數(shù)。（2）主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇：D/A轉(zhuǎn)換器的這些特性雖然主要表現(xiàn)為內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配置情況，但這些配置情況對D/A轉(zhuǎn)換器的接口電路設(shè)計帶來很大影響，主要有：①數(shù)字輸入特性。數(shù)字輸入特性包括接收數(shù)據(jù)的碼制、格式以及邏輯電平等。目前批量生產(chǎn)的D/A芯片一般都只能接收自然二進制數(shù)字代碼。因此，當(dāng)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(dāng)?shù)钠秒娐泛蟛拍軐崿F(xiàn)。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。

對于不同的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)換器能滿足與TTL、高/低壓CMOS、PMOS等各種器件直接連接的要求。但應(yīng)當(dāng)注意，這些器件往往為此設(shè)置了“邏輯電平控制”端或“閾值電平控制”端，用戶要按手冊規(guī)定，通過外電路給該端施加合適的工作電平。

②模擬輸出特性。目前多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器件均屬電流型輸出器件。手冊上通常給出在規(guī)定的輸入?yún)⒖茧妷杭皡⒖茧娮柚碌臐M碼（全1）輸出電流IO。另外，還給出最大輸出短路電流以及輸出電壓允許范圍。對于輸出特性具有電流源性質(zhì)的D/A轉(zhuǎn)換器，用輸出電壓允許范圍來表示由輸出電路（包括簡單電阻負(fù)載或者運算放大器電路）造成輸出端電壓的可變動范圍。只要輸出端的電壓小于輸出電壓允許范圍，輸出電流和輸入數(shù)字之間就會保持正確的轉(zhuǎn)換關(guān)系，而與輸出端的電壓大小無關(guān)。對于輸出特性為非電流源特性的D/A轉(zhuǎn)換器，如AD7520、DAC1020等，無輸出電壓允許范圍指標(biāo)，電流輸出端應(yīng)保持公共端電位或虛地，否則將破壞其轉(zhuǎn)換關(guān)系。

③鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制。D/A轉(zhuǎn)換器對輸入數(shù)字量是否具有鎖存功能將直接影響與CPU的接口設(shè)計。如果D/A轉(zhuǎn)換器沒有輸入鎖存器，通過CPU數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)字量時，必須外加鎖存器，否則只能通過具有輸出鎖存功能的I/O口給D/A送入數(shù)字量。有些D/A轉(zhuǎn)換器并不是對鎖存的輸入數(shù)字量立即進行D/A轉(zhuǎn)換，而是只有在外部施加了轉(zhuǎn)換控制信號后才開始轉(zhuǎn)換和輸出。具有這種輸入鎖存及轉(zhuǎn)換控制功能的D/A轉(zhuǎn)換器（如DAC0832)，在CPU分時控制多路D/A輸入時，可以做到多路D/A轉(zhuǎn)換的同步輸出，如圖8-3所示。

④參考電壓。在D/A轉(zhuǎn)換器中，參考電壓是惟一影響輸出結(jié)果的參量，對接口電路的工作性能、電路的結(jié)構(gòu)有很大影響。使用內(nèi)部帶有低漂移精密參考電壓源的D/A轉(zhuǎn)換器（如AD563/565A)，不僅能保持較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡化接口電路。

4）D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口技術(shù)

D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多，常用的有：8位分辨率的DAC0800系列、DAC0830系列；10位分辨率的DAC1020系列、AD7520系列；12位分辨率的DAC1208系列、AD1230系列、DAC1220系列、AD7521系列等。有些D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還帶有參考電壓源、輸出放大器等，可實現(xiàn)模擬電壓的單極性或雙極性輸出。下面僅以幾種常用的D/A轉(zhuǎn)換器和MCS-51系列單片機為例，介紹D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口技術(shù)。

（1）8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832與MCS-51系列單片機的接口技術(shù)。DAC0832是具有8位分辨率的并行輸入D/A芯片，內(nèi)部有兩級鎖存功能；無內(nèi)部參考電源，需外接；輸出是電流型，要獲得電壓輸出需外加轉(zhuǎn)換電路。①DAC0832的輸出方式。DAC0832有單極性和雙極性兩種輸出方式，如圖8-6所示。由于DAC0832是電流輸出型的，使用時一般需要通過運算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號。圖中A點為單極性輸出，B點為雙極性輸出。

圖8-6DAC0832的模擬電壓輸出電路

②DAC0832的參考電壓。DAC0832的參考電壓UREF可采用+5V或-5V，也可采用+10V或-10V。當(dāng)采用負(fù)參考電源時，對于單極性輸出，00H～0FFH的數(shù)字量對應(yīng)的模擬量輸出為0～+UREF；對于雙極性輸出，00H～0FFH的數(shù)字量對應(yīng)的模擬量輸出為-UREF

～+UREF

。當(dāng)采用正參考電源時，對于單極性輸出，00H～0FFH的數(shù)字量對應(yīng)的模擬量輸出為0～-UREF；對于雙極性輸出，00H～0FFH的數(shù)字量對應(yīng)的模擬量輸出為-UREF

～+UREF。③零點與增益調(diào)整。以雙極性為例，零點調(diào)整時，向DAC0832輸入數(shù)字量80H，調(diào)節(jié)第1級運放的調(diào)零電位器，使VA＝UREF/2的誤差在±1/10LSB之間；調(diào)節(jié)第2級運放的調(diào)零電位器，使VB＝0的誤差在±1/10LSB之間。對于增益調(diào)整，向DAC0832輸入數(shù)字量0FFH，調(diào)第2級運放的反饋電阻，使VB＝UREF-1LSB（設(shè)UREF為正）的誤差在±1/10LSB之間。④DAC0832與MCS-51系列單片機的接口。DAC0832與MCS-51單片機有兩種基本的接口方法，即單緩沖器接法和雙緩沖器同步接法。若系統(tǒng)中有一路D/A轉(zhuǎn)換或多路轉(zhuǎn)換但不要求同步輸出時，可采用單緩沖器方式接口，如圖8-7所示。讓ILE接＋5V，CS、XFER都與地址選擇線（圖中為P2.7）相連，WR1、WR2都由8031的WR控制。當(dāng)選通DAC0832后，只要輸出WR控制信號，DAC0832就能一步完成數(shù)字量的輸入鎖存和D/A轉(zhuǎn)換輸出。圖8-7單緩沖器方式接口

對于多路且有同步要求的D/A轉(zhuǎn)換接口，必須采用雙緩沖器方式接口，如圖8-8所示。P2.5和P2.6分別用于選擇兩路D/A轉(zhuǎn)換器的輸入寄存器；P2.7接到兩路D/A轉(zhuǎn)換器的XFER端控制同步轉(zhuǎn)換；WR端與WR1和WR2相連。圖8-8雙緩沖器方式接口

（2）12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC120X與MCS-51系列單片機的接口技術(shù)。DAC120X也是電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器，該系列產(chǎn)品有DAC1208、DAC1209和DAC1210三個型號。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理和引腳排列均相同，惟一區(qū)別在精度上，DAC1210精度最高。下面以DAC1208為例，介紹其與MCS-51單片機的接口技術(shù)。

DAC1208具有兩級緩沖，參考電壓ＵREF為-10～+10V，工作電源為+5～+15V。DAC1208與MCS-51單片機的接口電路如圖8-9所示。

圖8-9DAC1208與MCS-51單片機的接口電路

8位數(shù)據(jù)總線D7～D0接至8031的P0口，A0由8031P0口輸出的低八位地址的最低位提供。假定譯碼器對A15～A2譯碼，則DAC1208對應(yīng)三個地址：當(dāng)S2有效和A0＝1時，寫數(shù)據(jù)高八位；當(dāng)S2有效和A0＝0時,寫數(shù)據(jù)低四位數(shù)據(jù)；當(dāng)S1有效時，12位數(shù)據(jù)同時送到12位DAC寄存器并鎖存。DAC1208數(shù)據(jù)線的低四位DI3～DI0接在DI11～DI8上。

2.反多路開關(guān)和采樣/保持器

1）反多路開關(guān)圖8-5（b）中的多路模擬開關(guān)MUX與圖4-1中的多路模擬開關(guān)MUX的功能是相反的。圖4-1中的MUX的功能是實現(xiàn)多選一，而圖8-5（b）中的MUX的功能則是實現(xiàn)一對多，所以稱為反多路開關(guān)。其選擇方法請參考4.1.3節(jié)。

2）采樣/保持器采樣/保持器在模擬量輸出通道和模擬量輸入通道中的用法有所不同，前者是保持D/A轉(zhuǎn)換后的模擬電壓，后者是保持供A/D轉(zhuǎn)換的模擬電壓。在圖8-5（a）中，每當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換第i路通道的數(shù)據(jù)時，第i路通道的采樣/保持器便處于采樣狀態(tài)，其他時間均處于保持狀態(tài)。因此，每路采樣/保持器的保持時間tH均為tH＝Mt0（8-3)式中:M為輸出通道數(shù)；t0為微機輸出數(shù)據(jù)字的時間間隔。

3.調(diào)理電路模擬信號輸出通路中的調(diào)理電路有濾波、電壓/電流轉(zhuǎn)換和放大等幾種形式，但并不是必不可少的，這取決于輸出通道負(fù)載的要求。

1）濾波器如果輸出通道負(fù)載要求較為平滑的電壓輸出，則D/A輸出端不僅要接S/H，而且S/H之后還要接平滑濾波器。平滑濾波器應(yīng)為低通濾波器，其截頻fh應(yīng)滿足（8-4)式中,保持周期Ts（即tH）由式（8-3）決定。

2）電壓/電流轉(zhuǎn)換微機測控系統(tǒng)常常要以電流方式輸出，因為電流輸出有利于長距離傳輸，且不易引入干擾。目前，把0～10mA或4～20mA的直流電流信號作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號。而大多數(shù)D/A電路都以電壓形式輸出，因此在微機測控系統(tǒng)的輸出通道中通常設(shè)置電壓/電流（V/I）轉(zhuǎn)換電路，以便將D/A電路輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。

AD694是常用的單片大信號輸入集成V/I變換器。AD694輸入電壓范圍有0～2V和0～10V等，輸出電流范圍有0～20mA和4～20mA，具有2.000V和10.000V精確電壓基準(zhǔn)，電源電壓范圍為4.5～36V，輸入電路具有緩沖區(qū)，輸出可外加晶體管驅(qū)動，非線性小于0.002％，采用16腳DIP封裝。

AD694的基本接法如圖8-10所示。一般1、2引腳相連，5、9引腳相連，信號從同相端3引腳輸入，當(dāng)Ui=0～10V時，輸出Io=4～20mA。供電電源從13引腳引入，并對地跨接0.1μF的去耦電容。圖8-10

AD694的基本接法

表8-1不同輸入/輸出范圍與引腳的連接關(guān)系

在AD694的具體應(yīng)用中，要考慮負(fù)載的形式。若驅(qū)動的是感性負(fù)載，就必須在電路中采取保護措施，以免反電勢損壞器件，其接法如圖8-11所示。圖中VD1、VD2為保護二極管，可選用1N4001整流型二極管。圖8-11AD694的保護電路

在高精度的變換應(yīng)用中，為了減小器件本身的熱誤差，AD694的輸出應(yīng)采用三極管驅(qū)動，如圖8-12所示。

圖8-12AD694的驅(qū)動電路

3）頻率/電壓轉(zhuǎn)換由于頻率信號輸出占用總線數(shù)量少，易于遠(yuǎn)距離傳送，抗干擾能力強，因此，在微機測控系統(tǒng)中，若被控對象的距離較遠(yuǎn)，通常采用頻率量輸出，這樣模擬量輸出通道就要使用F/V轉(zhuǎn)換器。由于沒有專用的集成F/V轉(zhuǎn)換器，要實現(xiàn)F/V的功能，常使用V/F轉(zhuǎn)換器在特定的外接電路下構(gòu)成F/V轉(zhuǎn)換電路。采用LM331V/F轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)F/V轉(zhuǎn)換的電路如圖8-13所示。

圖8-13采用LM331構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路（a）簡單F/V轉(zhuǎn)換（10(1±0.06％)kHZ）；（b）精密F/V轉(zhuǎn)換（10(1±0.01％)kHz）

其基本原理是：輸入頻率脈沖fIN經(jīng)過RC網(wǎng)絡(luò)接入LM331的輸入比較器閾值端6引腳，這樣輸入脈沖的下降沿就起到控制比較器觸發(fā)定時的作用。與V/F轉(zhuǎn)換器相同，電流源輸出的電流經(jīng)過RC網(wǎng)絡(luò)即可獲得與fIN信號頻率成正比的直流電壓。圖8-13（a）是簡單的F/V轉(zhuǎn)換電路，RL（100kΩ）及CL（1μF）對電流進行濾波，紋波峰值小于10mV。其輸出電壓為圖8-13（b）是精密F/V轉(zhuǎn)換電路，由運放提供緩沖輸出。這種電路具有雙極點濾波功能，對于高于1kHz的頻率信號，紋波峰值小于5mV，響應(yīng)時間比圖8-13（a）的要快。但對于低于200Hz的頻率信號，其輸出紋波比圖8-13（a）的要差，需要調(diào)整濾波器的時間常數(shù)，以滿足響應(yīng)速度快和紋波小的目的。圖8-13（b）中，RX滿足下式其輸出電壓為

4）線性功率驅(qū)動在模擬量輸出通道中，若被控對象為模擬顯示、記錄裝置或直流伺服機構(gòu)等，需要對D/A轉(zhuǎn)換后的模擬輸出電壓進行線性放大，常采用線性功率驅(qū)動接口。線性功率驅(qū)動接口的主要器件有分立元件構(gòu)成的功率放大器和集成功率運算放大器等。由于集成功率運算放大器電路簡單、可靠性高，在模擬量輸出通道的直流伺服驅(qū)動接口中被廣泛采用。下面介紹集成功率運算放大器及其使用方法。

OPA501、OPA511/512、OPA541是由美國B-B公司推出的典型大功率運算放大器，輸出電流可達10～15A。圖8-14是OPA501的電路結(jié)構(gòu)與引腳圖。

圖8-14OPA501的電路結(jié)構(gòu)與引腳圖（a）電路結(jié)構(gòu)；（b）引腳連接

設(shè)計OPA501功率放大電路時，應(yīng)分別外接電阻+Rsc和-Rsc，以獨立調(diào)節(jié)正和負(fù)的負(fù)載電流范圍，其計算公式如下

式中，ILIMIT為所要求的最大電流(A)。限流電阻功耗為

Pmax=±Rsc(ILIMIT)

2W由于大的輸出電流能產(chǎn)生顯著的接地回路誤差，因此，對于功率運算放大器的接地方法要特別注意。信號地和電源公共地只能有一點相連，不受負(fù)載電流的影響；電源和負(fù)載線應(yīng)與放大器輸入和信號線分開走線。

8.3

開關(guān)量輸出通道

8.3.1開關(guān)量輸出通道的基本組成與作用

1.開關(guān)量輸出通道的基本組成開關(guān)量輸出通道主要由輸出鎖存器、I/O電氣接口電路（輸出驅(qū)動電路）、輸出口地址譯碼器等組成，如圖8-15所示。

圖8-15開關(guān)量輸出通道的結(jié)構(gòu)

2.開關(guān)量輸出通道的作用開關(guān)量輸出通道各部分的作用如下：

(1)輸出口地址譯碼器主要完成開關(guān)量輸出通道的選通。

(2)輸出鎖存器的作用是鎖存CPU的輸出數(shù)據(jù)，在未刷新前保持穩(wěn)定以供外部設(shè)備使用。輸出鎖存器可以使用各種可編程的外圍接口電路，如8255、8155等，也可以使用簡單的中小規(guī)模集成電路，如74LS240、74LS244、74LS245、74LS273、74LS377等。

(3)輸出驅(qū)動電路主要完成電平轉(zhuǎn)換、隔離和功率驅(qū)動等。

8.3.2開關(guān)量輸出驅(qū)動電路

1.直流負(fù)載驅(qū)動電路對于直流低壓負(fù)載，如低壓電磁閥、指示燈或小型直流電機等，可采用功率晶體管、OC門電路、運算放大器等驅(qū)動。常見的直流負(fù)載驅(qū)動電路如圖8-16所示。

圖8-16直流負(fù)載驅(qū)動電路（a）功率晶體管驅(qū)動器；（b）達林頓管驅(qū)動器；（c）MOSFET驅(qū)動器

2.交流負(fù)載驅(qū)動電路交流負(fù)載的功率驅(qū)動電路，通常采用晶閘管來構(gòu)成。晶閘管有單向晶閘管（也稱單向可控硅）和雙向晶閘管（也稱雙向可控硅）兩種類型。

晶閘管只工作在導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)，使晶閘管導(dǎo)通只需要極小的驅(qū)動電流，一般輸出負(fù)載電流與輸入驅(qū)動電流之比大于1000，是較為理想的大功率開關(guān)器件，通常用來控制交流大電壓開關(guān)負(fù)載。由于交流電屬強電，為了防止交流電干擾，晶閘管驅(qū)動電路不宜直接與數(shù)字邏輯電路相連，通常采用光電耦合器進行隔離，如圖8-17所示。圖中P1.0輸出鎖存開關(guān)量，三態(tài)緩沖門74LS244接成直通式。當(dāng)P1.0＝0時，光電耦合器中的發(fā)光二極管導(dǎo)通，外接三極管T截止，雙向晶閘管導(dǎo)通，交流電源給負(fù)載加電。反之，當(dāng)P1.0=1時，負(fù)載斷電。外接發(fā)光二極管LED用作開關(guān)指示。如果將圖中雙向晶閘管換成單向晶閘管，則在P1.0=0期間，負(fù)載得到的不再是雙向交流電壓，而是單向脈動電壓。

圖8-17交流負(fù)載驅(qū)動電路

3.繼電器驅(qū)動電路

一般在驅(qū)動大型設(shè)備時，常將繼電器作為測控系統(tǒng)的第一級執(zhí)行機構(gòu)，通過第一級繼電器輸出，可實現(xiàn)低壓到高壓或直流到交流的過渡。所以，繼電器是最常用的開關(guān)量輸出方式。它適用于對響應(yīng)速度要求不高的場合，同時還起到開關(guān)量輸出電路的隔離。由于繼電器線圈需要一定的電流才能動作，因此，必須在微機的輸出I/O口（或外接輸出鎖存器74LS273）與繼電器線圈之間接7406或75452P等驅(qū)動器。繼電器線圈是電感性負(fù)載，當(dāng)電路開斷時，會出現(xiàn)電感性浪涌電壓。所以，在繼電器兩端要并聯(lián)一個泄流二極管以保護驅(qū)動器不被浪涌電壓所損壞。

圖8-18典型的繼電器驅(qū)動電路

4.固態(tài)繼電器驅(qū)動電路

固態(tài)繼電器（SSR）是一種無觸點通斷功率型電子開關(guān)，當(dāng)在輸入端施加（切除）觸發(fā)信號后，其輸出端主回路呈導(dǎo)通（阻斷）狀態(tài)。由于器件內(nèi)部采用了光電耦合器，從而實現(xiàn)了輸入與輸出之間的電隔離及信號耦合。SSR的控制電流較小，一般用TTL、HTL、CMOS等集成電路或晶體管就可直接驅(qū)動，適用于在微機測控系統(tǒng)中作輸出通道的控制元件。

SSR的輸出端用功率晶體管做開關(guān)元件的固態(tài)繼電器稱為直流固態(tài)繼電器（DC-SSR），如圖8-19（a）所示，主要用于直流大功率控制場合；輸出端用雙向可控硅做開關(guān)元件的固態(tài)繼電器稱為交流固態(tài)繼電器（AC-SSR），如圖8-19（b）所示，主要用于交流大功率驅(qū)動場合。

圖8-19直流SSR與交流SSR（a）DC-SSR；（b）AC-SSR基本的SSR驅(qū)動電路如圖8-20所示。因為SSR的輸入電壓為4～32V，DC-SSR的驅(qū)動電流小于15mA，AC-SSR的輸入電流小于500mA，因此，要選用適當(dāng)?shù)碾妷篣CC和限流電阻R。DC-SSR可用OC門或晶體管直接驅(qū)動，AC-SSR可加接晶體管驅(qū)動。DC-SSR的輸出斷態(tài)電流一般小于5mA，輸出工作電壓為30～180V。圖8-20（a）所接為感性負(fù)載，對一般電阻性負(fù)載可直接加負(fù)載設(shè)備。AC-SSR可用于220V、380V等常用市電場合，輸出斷態(tài)電流一般小于10mA，一般應(yīng)讓AC-SSR的開關(guān)電流至少為斷態(tài)電流的10倍，負(fù)載電流若低于該值，則應(yīng)并聯(lián)電阻Rp，以提高開關(guān)電流，如圖8-20（b）所示。圖8-20基本的SSR驅(qū)動電路（a）DC-SSR驅(qū)動電路；（b）AC-SSR驅(qū)動電路

8.3.3開關(guān)量輸出通道設(shè)計舉例

1.直流電動機的轉(zhuǎn)速控制

1）直流電動機的轉(zhuǎn)速控制原理直流電動機的轉(zhuǎn)速公式為

（8-5）

式中:n為電動機的轉(zhuǎn)速；Ud為電樞電壓；Id為電樞電流；R為電樞回路總電阻；Ce為電動機的時間常數(shù)。

2）PWM控制方式

PWM控制方法的思路是先將直流電動機啟動一段時間，然后切斷電源，由于直流電動機的轉(zhuǎn)動具有慣性，因此將繼續(xù)轉(zhuǎn)動一段時間。在直流電動機尚未停止轉(zhuǎn)動前，再次接通電源，于是直流電動機再次加速。改變直流電動機電源通斷時間（脈沖寬度）的比例，即可達到調(diào)速的目的，如圖8-21所示。

圖8-21直流電動機的控制曲線

設(shè)vmax為電動機最大轉(zhuǎn)速，vmin為最小轉(zhuǎn)速，脈沖寬度為t，脈沖周期為T，則直流電動機的平均速度vd為vd=(vmax-vmin)×D

（8-6）

式中，D=t/T

，稱為占空比。占空比越大，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速就越低。平均速度vd與占空比D的關(guān)系如圖8-22所示。

圖8-22平均轉(zhuǎn)速與占空比的關(guān)系

基于PWM的直流電動機轉(zhuǎn)速控制有開環(huán)和閉環(huán)兩種。（1）開環(huán)PWM直流電動機調(diào)速系統(tǒng)：開環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖8-23所示，它由五部分組成。

圖8-23開環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖

①轉(zhuǎn)速給定：由人工通過輸入設(shè)備，將系統(tǒng)要求的給定轉(zhuǎn)速輸入微機。②脈沖寬度發(fā)生器：微機根據(jù)輸入的給定轉(zhuǎn)速，通過程序計算出占空比D，產(chǎn)生滿足給定的脈沖序列，輸出給驅(qū)動器。③驅(qū)動器：用以放大計算機輸出的脈沖寬度調(diào)制信號，通常由放大器或繼電器組成，也可由TTL集成電路構(gòu)成。④電子開關(guān)：用來接通或斷開電動機電樞的供電電源，可用晶體管、場效應(yīng)管、晶閘管等功率器件組成，也可以由繼電器控制。

⑤電動機：是執(zhí)行機構(gòu)，用以帶動被控對象。開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路如圖8-24所示。圖8-24中，2732為4k的EPROM，地址空間為0000H～0FFFH。在8031單片機的四個I/O口中，P0為EPROM的地址/數(shù)據(jù)口；P2口為高八位地址口；P1口作為占空比的開關(guān)輸入口；P3.4為輸出控制口，經(jīng)驅(qū)動器和晶體管控制直流電動機的電樞電壓。

圖8-24開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路

直流電動機的轉(zhuǎn)速由P3.4輸出的脈沖的占空比決定，占空比由開關(guān)S7～S0設(shè)置，8031通過P1口讀入后，按式（8-6）求出占空比（亦即通電時間）。

PWM控制程序的設(shè)計有兩種方法：一種是軟件延時法，一種是計數(shù)法?，F(xiàn)以計數(shù)法為例說明。根據(jù)圖8-24，式（8-6）可變?yōu)?/p>

則

式中，N為給定值，以8位二進制數(shù)表示，取值范圍為0～256。

采用計數(shù)法可以預(yù)先設(shè)定一個寄存器R3作為計數(shù)器，系統(tǒng)啟動后可先讀入N值，然后將N值與計數(shù)器R3做比較。若計數(shù)值小于N，則直流電動機通電；若計數(shù)值大于或等于N，則直流電動機斷電。相應(yīng)程序清單如下：

MOVP1，＃0FFH；準(zhǔn)備讀P1口開關(guān)量LOOP1：MOVR4，＃0FFH；設(shè)R4為循環(huán)次數(shù)計數(shù)器

SETB70H；設(shè)（70H）為通電狀態(tài)標(biāo)志

MOVR3，＃00H；計數(shù)器R3清零LOOP2：MOVA，P1；讀入開關(guān)量N

CLRCSUBBA，R3；把開關(guān)量和R3做比較

JNZTHL；若計數(shù)值小于N，則轉(zhuǎn)THL

CLR

70HTHL：MOVC，70HMOVP3.4，C；通斷電狀態(tài)值送P3.4ACALLDFLAY；延時

INCR3；計數(shù)器R3加

DJNZR4，LOOP2；若一遍循環(huán)未完，則轉(zhuǎn)LOOP2AJMPLOOP1；若一遍循環(huán)完，則重新開始DELAY：MOVR5，＃M0；延時程序LOOP3：MOVA，＃M1LOOP4：DECAJNZLOOP4DJNZR5，LOOP3RET（2）閉環(huán)PWM直流電動機調(diào)速系統(tǒng):在微機測控系統(tǒng)中，為了提高控制精度通常采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電機速度檢測回路，將檢測到的速度與給定值進行比較，并由數(shù)字調(diào)節(jié)器（如PID調(diào)節(jié)器）進行調(diào)節(jié)，其原理圖如圖8-25所示。

圖8-25閉環(huán)PWM直流電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖

2.步進電動機的控制

步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特種電動機，是工業(yè)過程控制及儀表中的主要控制元件之一。步進電動機有三相、四相、五相、六相等多種?，F(xiàn)以常用的三相步進電動機為例，來說明其控制方式。這種步進電動機有三個繞組，當(dāng)按不同的順序向繞組通以脈沖時，步進電動機會以不同的方向轉(zhuǎn)動，它的轉(zhuǎn)速取決于通電脈沖的頻率。因此，步進電動機的通電方式?jīng)Q定了它的步向控制方式。三相步進電動機有三種步向控制方式：

(1)單三拍：其通電順序為A→B→C→A（正轉(zhuǎn)）或A→C→B→A（反轉(zhuǎn)）。

(2)雙三拍：其通電順序為AB→BC→CA→AB（正轉(zhuǎn)）或AB→CA→BC→AB（反轉(zhuǎn)）。

(3)三相六拍：其通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A（正轉(zhuǎn)）或A→CA→C→CB→B→BA→A（反轉(zhuǎn)）。

1）步進電動機的控制接口設(shè)計本例利用MCS-51系列單片機8031完成對步進電動機的控制。由于步進電動機的驅(qū)動電流比較大，因此單片機與步進電動機的連接需要設(shè)置接口電路及驅(qū)動電路。接口電路可以是單片機內(nèi)部的I/O接口，也可以是可編程接口芯片，如8255、8155等。驅(qū)動器可以是大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動器。有時為了抗干擾或避免驅(qū)動電路發(fā)生故障造成功率放大器中的高電壓信號損壞單片機，通常在驅(qū)動器與單片機之間加一級光電耦合器。

圖8-26所示的電路就是一個基于上述思想而設(shè)計的控制步進電動機的開關(guān)量輸出電路。從圖8-26中可以看出，當(dāng)P1口的某一位（如P1.0）輸出為0時，經(jīng)反向驅(qū)動器變?yōu)楦唠娖?，使達林頓管導(dǎo)通，A相繞組通電；反之，當(dāng)P1.0＝1時，A相不通電。同理，由P1.1和P1.2控制的B相和C相也是如此?？傊灰匆欢ǖ捻樞蚋淖働1.0～P1.2三位通電的順序，就可控制步進電動機按一定的方向步進。

圖8-26步進電動機與單片機的接口

2）步進電動機的方向控制由圖8-26可知，步進電動機的A、B、C三相繞組由8031單片機的P1.0、P1.1、P1.2控制。為了實現(xiàn)步進電動機的方向控制，需要按照上述三相步進電動機的步向控制方式來控制P1.0、P1.1、P1.2輸出的脈沖序列，即建立步向控制方式的數(shù)學(xué)模型，如表8-2所示。

表8-2步向控制方式的數(shù)學(xué)模型

3）步進電動機轉(zhuǎn)動步數(shù)的確定要想使步進電動機按一定的速度精確地旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置（角度或位移），是步進電動機控制程序設(shè)計中十分重要的問題。步進電動機常被用來控制角度和位移，其步距角公式為

（8-7）

式中:N為運行拍數(shù)（N＝MC