远洋船舶轮机模拟器是运用于轮机系统仿真的典型的分布式控制系统的毕业论文(编辑修改稿)

远洋船舶轮机模拟器是运用于轮机系统仿真的典型的分布式控制系统的毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

刷新状态，根据需要上下传信息。 MSCIS 接口系统采用开放式结构，不但系统增减十分容易，而且任何链路和任何机箱都可以随时从系统中摘除，这对于故障检测和系统维护是十分方便的。 模拟量输出通道的结构形式 [12][19] 模拟量输出通道的任务是把微型机输出的数字信号转换成模拟量。 它主要由数模（ D/A）转换器和输出保持器组成。 在许 多场合要求具有多路模拟量输出通道，多路模拟量输出通道的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前，使本次控制信号不变，保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种，这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。 武汉理工大学硕士学位论文 12 一、一个通道设置一个 D/A 转换器 图 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达信息，因此这是数字保持的方案。 它的优点是转换速度快、工作可靠，每条输出通路相互独立，不会由于某一路 D/A 转换故障而影响其它通路的工作。 但使用了较多 的 D/A 转换器，因而成本较高，随着大规模集成电路技术的发展，成本将不成问题。 通路 1 通路 n 图 一个通道设置一个 D/A 转换器 二、多个通道共用一个 D/A 转换器 这种形式的原理图如图。 因为共用一个数 /模转换器，故它必须在 CPU 控制下分 时工作。 即依次把 D/A 转换器转换成的模拟电压（或电流） ,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 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。 由于需要多路转换器，且要求输出采样保持的保持时间与采样时间之比必要大，因而其可靠性需要从硬软件两方面认真解决。 通道 1 通道 n 图 多通道共用一个 D/A 转换器 单片机 接口 D/A D/A 单 片 机 接 口 D/A 多 路 开 关 采样保持器 采样保持器 武汉理工大学硕士学位论文 13 D/A 转换器原理 [12][21] D/A 转换器是将数字量转换成模拟量的装置，其转换方式有并行转换和串行转换两种。 并行转换是把转换的各位数字代码同时送到转换器相应的输入端，转换速度快。 串行转换速度慢，但适用于远距离信号传输。 D/A 转换器型号很多，但都包括 R2R 电阻加权网络（ T 型网络）、 MOS或 TTL 型的电流开关、基准电源和运算放大器四部分，如图 所示。 R R R Rf „„ U0 + 2R 2R „„ 2R 2R K Kn2 Kn1 UR 002a 222 nna 112 nna 图 T 型网络组成的 D/A 转换器 R2R 式 T 型网络只用两种数值的电阻 R 和 2R 组成，该电路的特点是，任何一个节点的 3 个分支，其等效电阻是相等的。 如从节点 a 向左、向右、向下看，等效电阻都是 2R；从节点 a、 b 或 c 等向上看，等效电阻都是 3R。 该电路为线性网络，可以应用叠加原理。 根据叠加原理，可以写出流经负载电阻 fR 的电流 1I 的表达式：  0022111 22232 aaaRUI nnnnn R    运算放大器输出的模拟电压为：  00221110 22232 aaaRRURIU nnnnn fRf    可见，输出电压 0U 与输入的二进制数成比例，从而实现了数字量到模拟量的转换。 武汉理工大学硕士学位论文 14 D/A 转换器的主要特性参数 [23][24] 衡量一个 D/A 转换器的性能，可以采用许多参数。 生产 D/A 转换芯片的厂家提供了芯片的各种参数供用户选择，现就一些主要参数介绍如下： 一、 静态参数 （ 1）分辨率 分辨率即输入数字发生单位数码变化时，所对应输出模拟量（电压或电流）的变化量。 在实际使用中，表示分辨率高低更常用 的方法是采用输入数字量的位数或最大输入码的个数表示。 例如， 8 位二进制 D/A 转换器，其分辨率位 8 位。 显然，位数越多，分辨率就越高。 （ 2）精度 D/A 转换器的转换精度与 D/A 转换集成芯片的结构和接口配置的电路有关。 一般说来，不考虑其它 D/A 转换误差时， D/A 转换器的分辨率即为其转换精度。 在实际使用时，常将精度分为绝对精度和相对精度。 绝对精度指对应于给定的满刻度数字量， D/A 转换后实际输出与理论值之间的误差。 相对精度是指满刻度已校准的情况下，在整个刻度范围内，对应于任一数码的模拟量输出与理论值之差。 有两种表示 方法，一种是将偏差用数字量最低有效位的位数 LSB 表示，一种是用该偏差相对满刻度的百分比表示。 对于线性的 D/A转换器，相对精度就是非线性度。 （ 3）失调误差 失调误差是指数字输入全为 0 码时，模拟输出值与理论值之偏差。 对于单极性 D/A 转换，模拟输出的理想值为 0V；对于双极性 D/A 转换，此理想值为负域满量程。 一定温度下的失调误差可以通过外部调整措施进行补偿。 有些 D/A 集成芯片设计有调零端进行调零；有些转换器不设置专门的调零端，要求用户采用外接校正偏置电路加到运算放大器求和端来消除。 （ 4）增益误差 增益误差是指实 际转换的增益与理论增益之间的偏差值。 在一定的温度下，该误差也可以通过外部调整措施实现补偿。 （ 5）温度系数 温度系数是指在规定的使用温度范围内，温度每变化 1℃，增益、零点、精度等参数的变化量。 （ 6）馈送误差 武汉理工大学硕士学位论文 15 馈送误差是指杂散信号通过 D/A 器件内部电路耦合到输出端而造成的误差。 （ 7）线性误差 D/A 转换的理想特征应是线性的，但实际上存在误差，模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。 二、 动态参数 （ 1）建立时间 建立时间是描述 D/A 转换速率快慢的一个重要参数，一般指的是输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应 数值范围内经历的时间。 （ 2）毛刺 当数 /模转换器的输入数字量快速变化时，输出模拟量可能出现的尖峰称为毛刺。 产生毛刺的原因主要有两个。 一个是由于数模转换器中的模拟开关动作时间不一致，因而在开关工作过程中，转换网络相当于接收到短时间的虚假代码，因而在输出端形成瞬变尖峰脉冲。 另一个是由于数字信号变化速度很快，这种快速变化通过内部电路馈送到输出。 （ 3）转换速率 数 /模转换器的转换速率是指大信号工作状态下模拟输出电压的最大变化率。 通常以 V / s 为单位表示。 转换速率反映了电压型输出的转换器中输出运算放大器的特性。 对输出运算放大器需要用户外接的转换器，其转换速率由用户选择的运算放大器决定。 最后还要说明两点： 芯片参数手册和一些教科书可能在上述几种参数之外还给出了一些其它参数，如失调误差、微分线性误差、电源抑制比（或电源敏感度）等，一般说来，那些参数所带来的影响基本上包含在上述基本参数（特别是精度参数）中。 不同厂家对同一参数术语往往给出不完全相同的定义；不同教材给出的定义也不统一。 作者上面介绍的是通常使用的定义。 即使对于定义 相同的参数，不同厂家给出的参数值也常常是在不同规定条件下测试的结果。 所以为了选用合适的器件去查阅性能说明书和参数手册时，要多加注意。 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、武汉理工大学硕士学位论文 16 数字量码的输入及模拟量的极性输出、参考电压电流源、模拟电量输出的调整与分配等。 一、 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， 在结构和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。 主要的特性有： 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。 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。 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。 参考源： D/A 转换中，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。 对接口电路的工作性能、电路结构有很大影响。 使用内部带有参考电压源的 D/A 转换芯片不 仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。 二、 参考电压源的配置 目前多数 D/A 转换器不带参考电压源，因而设计 D/A接口电路时要配置武汉理工大学硕士学位论文 17 参考电源。 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，也可以采用带运算放大器的稳压电路，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，所以参考电压可以调节等性能，目前已 有带缓冲运算放大器的精密参考电源可供使用。 三、 数字输入码与模拟输出电压的极性 目前绝大多数 D/A 转换器输出的模拟量均为电流量，需要通过一个反相输入的运算放大器才能转换成模拟电压输出，在这种情况下，模拟输出电压0V 与输入数字量 A 和参考电压 RV 的关系为 RAVV 0 ( A0 1) 这是一种工作范围为二象限的 D/A 转 换接口，即单值数字量 A 和正负参考电压177。 RV (模拟二象限 )，或单值模拟参考电压 RV 和数字量 A（数字二象限）。 输出模拟电压 0V 的极性完全取决于模拟参考电压的极性。 当参考电压极性不变时，只能获得单极性的模拟电压输出，但如果 RV 是交流电压参考源时，也可以实现数字量与交流输出模拟电压的 D/A 转换。 在实时控制系统中，工业现场的执行机构的控制有时要求双极 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是在单极性输出（常常为运算放大器反相输出）之后，再加上。