模拟量输出通道的应用与优化

模拟量的输出通道就是将微控制器输出的数字量转换为模拟量，这个工作主要由数/模（D-A）转换器来完成。对于模拟量输出通道，要求可靠性高，满足一定的精度，还必须具有保持功能。

1.模拟量输出通道的结构形式

对于要求多路模拟量输出的情况，其结构形式主要取决于输出保持器的结构形式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持与模拟保持两种，这就决定了模拟量输出通道的两种基本形式。

（1）独立数-模（D-A）转换器形式 图7-8为这种形式的结构图。在这种形式中，CPU和通道之间通过独立的接口缓冲器传送信息，因此这是数字保持的方案。它的特点是传送速度快，工作可靠，每条输出通道相互独立，不会由于某一路D-A故障而影响其他通道的工作。由于使用了较多的D-A转换器，因此成本高，但随着大规模集成电路的发展，成本将不成问题。

（2）共用数-模（D-A）转换器形式 这种形式的原理框图如图7-9，因为共用一个数-模（D-A）转换器，故它必须在CPU控制下分时工作，即依次把数-模（D-A）转换器转换成的模拟电压（电流），通过多路模拟开关传送给输出采样保持器。这种结构节省了数/模（D-A）转换器，但因为分时工作，只适用于通道数量多，且速率要求不高的场合。由于需用多路转换器，且要求输出采样保持器的保持时间与采样时间之比很大，因而其可靠性较差。

图7-8 独立数-模（D-A）转换器结构形式

图7-9 共用数-模（D-A）转换器结构形式

2.数-模（D-A）转换接口设计的一般性问题

模拟量输出通道不论采用何种形式，都要取决于数-模转换器和与CPU的接口。

在D-A转换器接口设计中，主要考虑的问题是D-A转换芯片的选择、数字量码的输入及模拟量的极性输出、参考电压多路源、模拟电量输出的调整与分配等。

（1）D-A转换芯片的选择原则 选择D-A转换芯片时，主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D-A转换的技术要求，在结构的应用特性上满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。

D-A转换器性能指标包括静态指标（各项精度指标）、动态指标（建立时间、尖峰等）、环境指标（使用的环境温度范围、各种温度系数）。这些指标通过查阅手册可以得到。

D-A转换器结构特性与应用特性主要表现为芯片内部结构的配置状态，它对接口电路设计影响很大。主要特性有：

1）数字输入特性：包括接收数码制、数据格式及逻辑电平等。D-A转换器一般只能接收二进制数码，当输入数字代码为偏置码或补码等双极性数码时，应外接适当偏置电路才能实现。D-A转换器一般采用并行码和串行码两种数据形式，采用的逻辑电平多为TTL或低压CMOS电平。

2）数字输出特性：指D-A转换器的输出电量特性（电压还是电流），多数D-A转换器采用电流输出。对于输出特性具有电流源性质的D-A转换器，用输出电压允许范围来表示由输出电路（包括简单电阻或运算放大器）造成输出电压的可变动范围，只要输出端电压在输出电压允许范围内，输出电流与输入数字间保持正确的转换关系，而与输出电压的大小无关，对于输出特性为非电流源特性的D-A转换器，无输出电压允许范围指标，电流输出端应保持公共端电流或虚地，否则将破坏其转换关系。

3）锁存特性及转换控制：D-A转换器对输入数字量是否具有锁存功能，将直接影响与CPU的接口设计。若无锁存功能，通过CPU数据总线传送数字量时，必须外加锁存器。同时有些D-A转换器对锁存的数字量输入转换为模拟量要施加控制，即施加外部转换控制信号才能转换和输出，这种D-A转换器在分时控制多路D-A转换器时，可实现多路D-A转换的同步输出。

4）参考电压源：参考电压源是影响输出结果的模拟参量，它是重要的接口电路。对于内部带有参考电压源的D-A转换芯片不仅保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。

（2）参考电压源的配置

多数D-A转换器不带参考电压源，因而设计D-A接口电路时要配置参考电压源。

目前参考电压源主要有带温度补偿的齐纳二极管、能隙电压源，由于能隙电压源工作在正常线性区域，因而内部噪声小，工作稳定性好，在制作精密参考电压源时经常采用。

外接参考电压源，可以采用简单的稳压电路形式，如图7-10a，也可采用带运算放大器的稳压电路，如图7-10b、c所示，简单稳压电路提供的参考电压恒定，带运算放大器的参考电压源具有驱动能力强、负载变化对输出参考电压没有影响，所供参考电压可以调节等性能，目前已有缓冲运算放大器的精密参考电压源使用。

（3）数字输入码与模拟输出电压的极性 所有的D-A转换器的输出电压V₀，都可表示为输入数字量D和模拟参考电压V_R的乘积，即

V₀=D·V_R （7-9）

二进制代码D可表示为(www.xing528.com)

D=α₁2^-1+α₂2^-2+…+α_n2^-n （α_i取0或1） （7-10）

目前大多数D-A转换器输出的是电流量，这个电流要通过一个反相器才能变换为电压输出，图7-11为D-A转换器输出电路。

图7-11所对应的输出电压为

V₀=-DV_R （0≤D<1） （7-11）

在柴油机电控系统中，如果需用双极性电压信号，这时模拟输出通道必须双极性输出。

采用偏移二进制码方法实现D-A转换器的双极性输出比较容易，而且与计算机输出兼容，因为只需将最高位求反，就可将二进制的补码转换为偏移码。

双极性输出的一般原理见图7-12。在单极性（常常为运算放大器的反相输出）之后，再加上一级运算放大器反相输出。

在图7-12中，R₁=R₃=2R₂，对内部有反馈电阻R_fb的D-A转换器，R_f可以不要，可直接将a、b短接后接到R_fb引脚上。在A₁单极性输出基础上，A₂运算放大器起反相求和作用，即参考电压V_REF提供的偏流I₂，它与A₁提供的偏流I₂相反。由于R₁=2R₂，使得A₂的输出在A₁输出的基础上偏移1/2V_REF。输入数据码与理想输出电压的对应关系如表7-1所示。

图7-10 参考电压电路形式

a）简单参考电压源 b）带运算放大器的参考电压源 c）无负载影响的参考电压源 d）精密参考电压源

图7-11 D-A转换器的输出电路

表7-1 输入数据码与理想输出电压的关系

图7-12 D-A转换器双极性输出原理图

上述双极性输出方式把最高位作符号位使用，与单极性输出比较，其分辨率降低一位。在双极性接法时，如果再改变参考对应极性，便可实现四个象限的乘积输出，实现参考电压正负极性切换的方法如图7-13所示。

基准电压切换时要由计算机输出一位控制信号来切换模拟开关。图7-13a切换的是小电流，模拟开关对电源精度影响减小，但要求正、负电源性能一致，温度系数要匹配。图7-13b是另一种切换方式，它没有温度系数问题，但运算放大器的温度漂移，有可能影响参考电压精度。

（4）应用脉宽调制（PWM）技术替代数/模转换D/A功能 脉宽调制（PWM）技术是利用微控制器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种有效技术。简言之，脉宽调制（PWM）技术是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，通过高分辨率的计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体的模拟信号的电平进行编码，PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF），电压或电流是一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去，通的时候即是直流供电被加到负载上去的时候，断的时候即是直流供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟量都可以应用PWM技术进行编码。

图7-13 基准电压切换方法

a）切换方法1 b）切换方法

PWM的技术的一个优点是从微控制器到被控系统信号都是数字形式，无需进行数/模转换。让信号保持为数字形式可将噪声的影响降到最低。噪声只有强烈到足以将逻辑1改为逻辑0，或将逻辑0改为逻辑1时，才可能对数字信号信号影响。

因此PWM技术已经在很多场合替代了以前使用的数/模转换技术D/A，对比数/模转换技术D/A，PWM技术既容易实现又有较好的应用场合，因此获得了广泛的应用。后面将结合比例电磁铁的驱动举例说明。