原创 模拟量输出通道之模拟量输出通道的结构形式

计算机控制系统中，模拟量输出通道所要完成的功能是：把计算机输出的数字控制信号，转换为模拟电压或电流信号，作用在相应的模拟执行机构上，从而实现被控对象的控制。

2.3.2.1模拟量输出通道的组成与结构

1）模拟量输出通道的组成

模拟量输出通道常由接口控制电路、D/A转换器、零阶保持器、后置滤波器等部分组成。其中D/A转换器是其核心环节，也是必不可少的环节，故模拟量输出通道有时又被称为D/A通道。

模拟量输出通道有两种结构形式，其一，是每个通道配置一个D/A转换器，如图2-15（a）所示；其二，是通过多路模拟开关共用一个D/A转换器，如图2-15（b）所示。

2）模拟量输出通道各组成部分的功能和作用

如图2-15所示，模拟量输出通道各组成部分的功能和作用分述如下。

（1）D/A转换器是模拟量输出通道中的核心部件，也是必不可少的部件。有关D/A转换的原理及转换器芯片，我们将在下面介绍。

D/A转换器的分辨率是表示D/A转换精度的性能参数，与D/A转换器的字长直接相关，它表示D/A转换器芯片接收的最小数字量（1LSB），所对应的输出模拟量。如何根据模拟量输出通道的精度及整个系统的精度要求，来确定D/A转换器的字长，我们将在下面进行讨论。

（2）零阶保持器  

D/A转换器是按照采样周期T对控制器输出的数字量进行D/A转换的，但由于D/A转换器具有数据输入所存功能，它能够在接收下一组数字量之前，一直保持前一组数字量不变，因而D/A转换器的输出模拟量，能够在一个采样周期内保持不变，也就是说，D/A转换器本身就具有零阶保持器的功能。

零阶保持器作用的实质，就是在两次输出模拟量之间进行插值，插值的结果能够使时间轴上的离散信号，变为时间轴上的连续信号，是由数字控制信号重构模拟控制信号的重要步骤。

（3）后置滤波器

D/A转换经零阶保持器输出的信号，是时间轴上的连续信号，但信号的幅度值与数字信号量值对应，只能有有限个可能的取值，不符合模拟信号的特征。因此，在模拟量输出通道中，应设置后置滤波器，对D/A转换及零阶保持环节输出的信号，进行滤波平滑处理，以得到真正的模拟信号。同样，后置滤波也是由数字控制信号重构模拟控制信号的重要步骤。

（4）多路模拟开关

模拟量输出通道中，多路模拟开关的作用与模拟量输入通道中多路模拟开关的作用刚好相反，即根据程序的控制，把D/A转换输出的模拟量，按照要求送到特定回路的模拟执行机构中，完成对相应被控对象的控制。

由于CD4051芯片是可以双向工作的，所以它也可以用在模拟量输出通道中。

（5）接口控制电路

模拟量输出通道中，接口控制电路具有控制数字信号的输出、D/A转换的启停、多路模拟开关的切换等功能。有关模拟量输出通道接口控制电路的原理、组成等内容，我们将在2.5节讨论。

（6）D/A通道的隔离电路

由于D/A通道的输出直接与被控对象连接，很容易引入干扰，必须采取相应的措施，来抑制干扰对输出信号的影响。通常可采用光电耦合器件，使得模拟电路的两部分之间只存在光信号的耦合，如图2-16所示。

由图2-16可见，D/A转换器的输出电流信号，经两级光电耦合器转换为输出电流  ，这样，既可以满足D/A转换的隔离要求，又实现了电压/电流信号类型的变换。在实际应用中，应选择线性性能好，且参数相同的两只光电耦合器，并始终让它们工作在线性区域，以保证D/A转换具有良好的转换精度和线性度。

当然，我们也可以把光电耦合器件加在系统总线与D/A转换器的数据、控制信号的输入端之间，利用光电耦合器的开关特性，来实现数字信号的隔离。

两种方法进行比较，模拟信号隔离法的优点，是所需要的光电耦合器件数量较少，成本低，缺点是调试困难，如果器件选择不合适，将会影响D/A转换的精度和线性度；数字信号隔离法的优点是调试比较简单，不影响D/A转换的精度和线性度，缺点是所需要的光电耦合器件数量较多，成本较高。