第3章 智能仪器输出通道

D/A D/A
1
通道1
通道2
微型 计算 机
D/A 转换 器
多 路 开 关
保持器 保持器 … 保持器
执行机构 执行机构 执行机构
3.2.2 D/A转换器与接口电路
D/A转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压 （或电流）的形式输出。因此，D/A转换器可以看作是一个译码器。一 般常用的线性D/A转换器，其输出的模拟电压V和数字量D成正比关系。 V=KD,K为常数。
333333固态继电器固态继电器固态继电器solidstaterelays简写为ssr是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点功率型电子开关输入电流小用ttlcmos等集成电路或附加电路就可以直接驱动因此适宜于微机测控系统作为输出通道的控制部问世于70年代用开关三极管可控硅等半导体器件的开关特性制作利用光电隔离技术实现了控制端输入端与负载回路输出端之间的电气隔离同时又能控制电子开关的动作
0
2R
R
1
R 2R
I 1'0 i 2 2 R 3 2R
2R
RF
+
2R
S0
2R
+
I0
S1
I1
S2
I2
S3
I3
VREF
D0
1 0
D1
1 0
D2
0 1
1 0 D
3
VREF 1 3 D3D2D1D0=0010时： I1 I 3R 2 VREF 1 ' VREF 1 I0 I0 4 ' 2 D3D2D1D0=0100时： I 2 I 2 3R 2 3R 2 D3D2D1D0=1111时： VREF 1 ' 1 ' ' D3D2D1D0=1000时： I 3 I 3 i I 0 I1' I 2 I 3' 3R 2
由于D/A转换器的各个环节在参数和性能上不可避免存在有误差， 所以实际能达到的转换精度还要看转换误差的大小。
6.5V
D3
D2 0 0 0 0
D1 0 0 1 1
D0 0 1 0 1
VO 0 0.5 1 1.5
电路结构简单，使用电阻数目少，n位有n个 电阻。 VO
6
7
0 0 0 0
电阻取值范围大。 5 如果n=8,取R=10KΩ ,那么27R=1.28MΩ 4 在10KΩ ~1.28MΩ 宽范围内要保证电阻的精 3 度是十分困难的。 2 例2：设4位D/A转换器输入二进制数码为 1 0000~1111,基准电压VREF=-8V,Rf = R/2,求 输出电压VO。并画出输出VO波形。t 0 2 R f VREF n 1 vo Di 2i R 2 n i 0 8 － (8D3 4 D2 2 D1 1D0 ) 16
D
D/A转换特性 从转换特性表中看出： ★每一个二进制代码的数字信号，通过 位数（位权值）的计算，都可以对应一个相 应的十进制数。 ★相邻两个数字信号转换出来的数值 是不连续的，说明转换电路存在转换误差。 这个误差也就是D/A转换电路所能分解的最 小量，通常称为量化级。1ຫໍສະໝຸດ 1 101 1
1
0 1
5
6 7
由于R-2RT型D/A高位先到达求和放大器，其变化过程为高位先变， 低位后变。 1000
0110
0111
1000
0000
0100
0110
0111
0100
★ 要克服R-2RT型电阻网络D/A转换器速度慢， 会出现尖峰干扰脉冲等缺点，应采用R-2R倒T型 D/A转换器。
0000
输出产生尖峰脉冲
在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。
2 0R 2 1R 2 2R 2 3R S3 S2
RF
S1
S0
REF
3
2
1
0
D3D2D1D0=1111时： D3D2D1D0全部接VREF
根据叠加原理求和放大 器总输入电流为：
20 R 21 R 22 R 23 R V REF ( D3 23 D2 2 2 D1 21 D0 20 ) 23 R
i D3D2D1D0=1000时： VREF I3 0 S3接VREF,其余接地 2 R + I3 I 2 I1 I0 + D3D2D1D0=0100时： VREF I2 1 S2接VREF,其余接地 2R V D3D2D1D0=0010时： 1 0 0 0 0 1 1 1 VREF D D D D I S1接VREF,其余接地 1 2 2 R VREF i I 3 I 2 I1 I 0 D3D2D1D0=0001时： I0 3 2 R VREF D VREF D VREF D VREF D S0接VREF,其余接地
适用于传输距离较近的场合
3.1 智能仪器输出通道的信号种类
开关量输出信号
指只有开和关、通和断、高和低两种状态的信号，可以用二进制数0和1 表示这种运行状态。如继电器或接触器的闭合和释放、电动机的启动和 停止、超限声光报警等。
数字量输出信号
串行用于较远距离的数据传输和信息交换，如智能仪器与上位机之间 通信； 并行用于较近距离的数据传输和信息交换，如智能仪器与其他智能仪 器之间通信，速度较快；
D3 D2
D1
D0
☆基准电压：VREF通过模拟开关，按权关系加到电阻解码网络。 ☆模拟电子开关S： 模拟开关受二进制数码 Di的控制。D3D2D1D0控制相应的模拟电 子开关S3S2S1S0。
D i =1, S i = VREF
D i = 0, S i = GND
☆求和放大器:由运放构成的反向放大器组成。作为求和权电阻网络 的缓冲器，使输出模拟电压VO不受负载变化的影响。并且可以通过 改变反馈电阻Rf的大小来调节转换比例系数。
VREF R f n1 vO iR f － n Di 2i 2 3R i 0
vO 和数字量Di 成正比
R-2R T型电阻网络D/A转换器的优点：
电阻种类少，只有R、2R两种。
（将两个R串连使用，只用一种电阻，电阻精度容易满足。） R-2R T型电阻网络D/A转换器的缺点： ★ 速度比较慢，过节点要分流，再到运放传输过程比较长。 ★ 动态时，假设数字量由1000→0111，会出现尖峰干扰脉冲。
D/A 转换 器
放大 变换 电路
执行 机构
寄存器用于保存计算机输出的数字量；D/A转换器用于将计算机输出 的数字量转换为模拟量；而D/A转换器输出的模拟量信号往往无法直接驱 动执行机构，需要放大/变换电路进行适当地放大或变换。

多路模拟量输出通道的一般结构
微 型 计 算 机
接 口 缓 冲 器
接 口
I / 22R I /2
0
2R
S0
R 2R
S1
1
R
2
R
3 2R
+
2R
S2
2R
S3
+
D0
D1
D2
D3
VREF
I
开关支路接点流 进的电流等分为 二，从左、右支 路流出。
VREF I 3R
D3D2D1D0=0001时： S0接VREF,其余接地 VREF I0 3R
该电流每通过一个 接点二等分一次，到求 和电路输入端共通过0， 1，2，3四个节点，所以:
由于D/A转换器中各元件参数的偏差，基准电压的波动， 和运放的零点漂移都可以影响D/A的转换精度。主要误差包括：
⑴ 非线性误差
它是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的，常用满 刻度的百分比表示。
要获得高精度的 ⑵ 比例系数误差 D/A 转 换 器 ， 不 能 仅 依 靠提高输入数字量的位 它是基准电压VERF偏离标准值所引 起的误差，也用满刻度的百分比表示。 数，（位数越高，其价 格越贵）。还必须有高 稳 定 度 的 基 准 电 压 VREF ⑶ 漂移误差 和低漂移的运放相配合， 由集成运放的零点漂移所造成的误 才能获得较高的转换精 差。增益的改变也会引起增益误差。 度。
V REF 23 R
3
2
1
0
D 2
i 0 i
3
i
i (0,1,2,3)
对于n位权电阻网络D/A转换器总电流为：
VREF n 1 i n 1 Di 2i 2 R i 0 求和放大器输出电压为：
vo iR f
VREF R f
输出模拟电压VO的大小与输入的二进制 n 1 数码的数值大小成正比， D 2i
0
0 0 0
1
1 1 1
0
0 1 1
0
1 0 1
2
2.5 3 3.5
1
1 1 1
0
0 0 0
0
0 1 1
0
1 0 1
4
4.5 5 5.5
1
1 1 1
1
1 1 1
0
0 1 1
0
1 0 1
6
6.5 7 7.5
RF
★ T型网络中只有两种 2R 电阻R、2R ★ 从任 何 一个接 点 向 左、右、下看进去的等VREF 效电阻均为2R。 2R 2R
3.2 模拟量输出及D/A转换
3.2.1 模拟量输出通道组成及结构形式 1.模拟量输出通道的任务？
把CPU处理后的数字量转换成模拟量（即连续变化电流或电压）
2.模拟量输出通道的基本形式？
模拟量输出通道一般有单路模拟量输出通道和多路模拟量输出通道。

单路模拟量输出通道的一般结构
微型 计算 机
寄 存 器
' 1
' ' i I 0 I1' I 2 I 3' VREF 1 VREF 1 VREF 1 VREF 1 D0 D1 D2 D3 4 3 2 1 3R 2 3R 2 3R 2 3R 2 V 1 1 1 1 REF ( 4 D0 3 D1 2 D2 1 D3 ) 3R 2 2 2 2 V 1 REF 4 ( D3 23 D2 2 2 D1 21 D0 20 ) 3R 2 求和放大器输 VREF R f 3 VREF 1 3 vO iR f － 4 Di 2i Di 2i 出电压： 4 2 3R i 0 3R 2 i 0
一、基本原理
输入是 n位二 进制数 Dn-1
D0 D1
vO (iO ) k Di 2i 位权值
D/A 0 ≦ Di ≦ 1 i (0,1,2,3 n 1)
k:转换比例系数
i 0
n 1
输出模拟电压（或模拟电流）与输入数字量成正比关系。
假设：转换比例系数K=1,输入数字量n=3
输出模拟电压（或模拟电流）为：
☆
分辨率
分辨率是指输入数字量最低有效位为1时，对应输出可分辩的电压 变化量△V与最大输出电压Vm 之比： 即：最小输出电压与最 大输出电压之比的百分 数表示。 说明D/A转换器对输 入信号的分辩能力。
分辨率＝
V 1 n Vm 2 1
分辨率越高，转换时对输入量 的微小变化的反应越灵敏。而分 辨率与输入数字量的位数有关，n 越大，分辨率越高。
vO (iO ) D2 22 D1 21 D0 20
vO (iO ) D2 2 D1 2 D0 2
2 1
0
VO/V
7 6 5 4 3 2 1
000 001 010 011 100 101 110 111 000
D2 D1 D0 VO/V 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 2 3 4
1 （输入数字信号全1时的输出 转换误差＝ n 满值 最大模拟电压） 2 1 7V 875mV n=3 3 2 1 7V 437 mV n=4 4 2 1 7V 6.8mV n = 10 10 2 1 7V 1.7mV n = 12 12 2 输入数字信号的位数越多，输出的模拟信号越接近 连续模拟信号，转换的精度也就越高。
RF
★ 电路构成：（以4位D/A为例） ☆权电阻网络：是一个加权求和电路，通 过它可以把输入数字量D中的各位1按位权 S VREF 变化为相应的电流，再经过运放求和，最 终得到与D成正比的模拟电压VO。
2 0R 2 1R 2 2R 2 3R S2 S1 S0
+
3
+
位权电阻分别为：20R、21R、22R、23R

i 0
i
－
2n 1 R i 0 2 R f VREF n1 R 2n
i 0
Di 2i Di 2i
n 1
同时还与量化级有关。 VREF n
2
★ 输入二进制数码位数越多，量化级越小，D/A输出电压越 接近模拟电压。 例1：设4位D/A转换器输入二进制数码D3D2D1D0=1101,基 准电压VREF=-8V,Rf = R/2,求输出电压VO。 2 R f VREF n 1 8 i －1 4 (1 23 1 2 2 0 21 1 20 ) vo D2 n i 2 R 2 i 0
第三章 智能仪器输出通道
本章内容
3.1 3.2 3.3 3.4
智能仪器输出通道的信号种类 模拟量输出及D/A 转换 开关量输出 数字波形合成技术
3.1 智能仪器输出通道的信号种类
智能仪器输出信号 模拟量输出信号 开关量输出信号 数字量输出信号
3.1 智能仪器输出通道的信号种类
模拟量输出信号
直流电流信号 a. 4mA~20mA(负载电阻250-750) b. 0mA~10mA(负载电阻0-3000) 适用于传输距离较远的场合 优点:抗干扰性能强，信号线电阻不会导致信号损失。 直流电压信号 1V~5V电压信号