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目 錄

誌記

目錄……………………………………………………………………….i

總綱………………………………………………………………………ii

單元一 實驗儀器使用方法與用途介紹………………………………1

實驗一 直流電源供應器實作…………………………….………….13

實驗二 截波器電路實作：三角脈寬調變式直流功率放大器…….16

實驗三 積分器實驗…………………………………………………..21

實驗四 微分器實驗…………………………………………………..26

實驗五 8051單晶片控制應用………………………………………..30

實驗六 利用PIC16F877微控制器作脈寬調變輸出………………...37

實驗七 回授控制系統的建構及整合………………………………..44

誌記

本系自動控制實驗一課，宋震國主任委我控制組同仁陳世樂、鄭榮偉

蔡孟勳、張永志、洪博雄，編纂此一手冊。幾經討論內容乃定，委授

課教師洪博雄纂總綱一篇，各單元實驗再委助教依此總綱編纂而成，

分工如下：

實驗儀器使用方法與用途介紹 李軒宇

實驗一 直流電源供應器製作 周長彥

實驗二 截波器電路實作：三角脈寬調變式直流功率放大器製作

周明峰、詹彥碩

實驗三 積分器實驗 黃親民

實驗四 微分器實驗 丁于倫

實驗五 8051單晶片控制應用 梁鈞銘、李培樺

實驗六 利用PIC16F877微控制器作脈寬調變(PWM)輸出 詹彥碩

實驗七 回授控制系統的構建及整合 詹彥碩

特此誌之

控制組教師

陳世樂

中華民國九十三年二月

大學部自動控制實驗

實驗儀器使用方法與用途之介紹

摘要：

大學部的自控實驗其最主要目的即是讓學生以機電整合為整體方向而機

電整合又以電子電路實驗居多，所以在學生開始學習電子電路實驗之前，必須

讓學生先了解實驗儀器的操作，才能進一步製作電子電路。以下內容是自動控

制實驗會使用到儀器操作部分並作詳細介紹。

一、 麵包板（BREADBOARD）

麵包板是一種免焊電路板，其示意圖如下圖所示：

W

WW W

VcVbVa GND

圖一

注意事項：

A. 麵包板上附有香蕉插座（Va、Vb、Vc及GND）可利用來輸入電壓、信號及接地。

B. 左圖中以短線相連的插孔表示它們是相連的，也就是說可以看作是接在同一接

點上。

C. 接線路時，儘量將接線緊貼麵包板，將線接成直角，避免出現交叉的現象；接

線也不要跨越元件連接，以免增加除錯

時的難度。

D. 麵包板使用久後，有時候插孔間連接銅線會發生脫落的現象，此時請將此排接

點做記號，並不再使用此排插孔。

單元一

二、數位式三用電表（MULTIMETER）

三用電表主要用途在於量測電壓、電流與電阻，故稱為三用電表。除此之

外尚可應用於常用電子零件之檢測。

1.電阻量測

(1)將紅色測試棒插入“Ω/V“孔，黑色測試棒插入“COM“孔。

(2)旋鈕功能鍵切換至 Ω 檔，若不知要測量的電阻大小，請將旋鈕切換至最

大

的範圍。

(3)操作方式

麵包板

圖二

(4)量測高電阻時，勿接近指針，會造成電阻值誤差。

數位式三用電表Ω檔上所刻劃的各個檔位，是用以表示各個檔位所能量測的

最大電阻值，而各電阻器的電阻值則可直接由顯示器上直接讀得。有些數位式

三用電表在Ω檔上繪有 、音符等符號，表示各個檔位除可用來量測二極

體的cut-in voltage，也可用以量測線路是否短路。數位式三用電表在使用前

毋需歸零。

注意：當電路工作時，不可以做電阻值的測量（要測電阻必須關掉電源再測量）

2.電壓量測

電

源

待

測

元

件 +

+

Ω/V−

− COM

紅棒

黑棒

圖三

(1)首先判定要量的電壓是交流(AC)還是直流(DC)。

(2)將紅色測試棒插入“Ω/V“孔，黑色測試棒插入“COM“孔。

(3)旋鈕功能鍵切換至直流電壓檔，若不知要測量的電壓大小，請將旋鈕切換

至最大的範圍。

交流電壓量測只要換成交流電壓檔即可。

3.電流量測

測量待測元件的電流，不能直接以三用電表量測，必須先將線路斷開，再

以三用電表的電流檔測量。測量方式如下：

電

源待

測

元

件

+

− 紅棒

黑棒i i

i

i

O/VCOM

mA

10A

圖四

(1)首先判定要量的電流是交流(AC)還是直流(DC)；有些數位三用電表可以量

測交流電流。

(2)黑色測試棒插入“COM“孔，紅色測試棒則要依說明書指示插入。

(3)旋鈕功能鍵切換至直流電流檔，若不知要測量的電流大小，請將旋鈕切換

至最大的範圍。

有些數位三用電表電流檔插座有限流，必須改變插座。交流電流量測換

成交流電流檔，也必須改變插座。

4.二極體量測

(1)將三用電表撥至Ω檔的 10× 檔

(2)測試二極體時若二極體為順向偏壓，則允許電流通過，電阻值較低，會顯

示一較大數值。

(3)若將紅黑兩棒對調，則為逆向偏壓，三用電表顯示數值為零。

(4)無論紅黑兩棒如何調換，三用電表顯示數值均為零表示該二極體斷路了。

(5)無論紅黑兩棒如何調換，三用電表均顯示大數值，表示該二極體短路了。

二、 電源供應器（DC POWER SUPPLY）

本實驗室所使用的直流電源供應器為GW GPQ 3030D DC POWER SUPPLY。電源

供應器的主要功能是提供一個恆定的電壓/電流，就某種程度來說，你可以把它

看作一個可以調整電壓與電流的理想電池。其外貌如圖五：

圖五

A V A V

CURRENT VOLTAGE CURRENT VOLTAGE

INDEP. SER.

− GND + 5V FIXED 3A− GND + 5V FIXED 1A

TRACKING PAR.

Master 主控制面板Slave 受控面板

圖六

1.直流電源供應器的操作

(1)CURRENT，VOLTAGE鈕：設定輸出的電流值或電壓值。

(2)A/V開關：選擇顯示電流或電壓值。

(3)輸出端：有三個輸出端可以用，其中 5V FIXED 3A是為了方便供應TTL電

路。

(4)限流：為了防止電路因流過過大電流而燒毀，必須限制電源供應器的最大

輸出電流。一旦輸出電流超過此值時，即使我們繼續增加輸出電壓，

電源供應器的輸出電流值不變（仍為先前所設定的最大輸出值）。這

種限流的方法稱為 Automatic Crossover。

操作步驟如下：

a. 決定所需要的最大安全電流(限流值)

b. 先將 VOLTAGE鈕旋至零

c. 將電源供應器輸出正負端暫時短路

d. 微調 VOLTAGE鈕使得指示燈CC發亮

e. 選擇顯示電流值

f. 旋轉 CURRENT至所要的限流值

g. 移去正負端的短路

h. 切換A/V開關至V，將VOLTAGE鈕旋轉至所需電壓大小

2.接地

在power supply上的輸出接頭除了正端與負端外，還有一個ground的接頭。

就理論上而言，「地」（Ground）指的就是絕對零電位的點，是一個參考點。在

大自然界中，「地」是最穩定的參考點，我們可以把大地想像成一個無限大的電

容，因此地面上任何電流的流進流出對於它來說都是微不足道的，因此它可以

維持在絕對穩定的參考電位，也就是零電位。前面所提到的「電壓訊號」，都是

指相對於地的電壓大小。如果我們所使用的各個電壓間沒有一個絕對零電位為

基準，也就是接地不穩，地電壓浮動，可能導致訊號失真、雜訊由地端饋入干

擾、甚至電路振盪等等問題。因此，接地最重要的目標，就是要使地電壓穩定

維持在0伏特。

在此，我們僅對實驗可能遇到的接地問題做一些簡單的說明：

(1)一般我們在實驗室使用的儀器是透過內部的接線，經由電源線接到建築

物的接地接到大地。實驗室的接地設計一般會比家用建築的設計良好。

(2)power supply兩組輸出端的grounds是在內部相連接的，為一個共同參考

點。通常我們把負端接到地，則正端的電壓便是相對於地的電壓；若地端

浮接，則正負端的電壓壓差雖如面板所顯示，與power supply的安全接地

端卻是斷路。

(3)示波器的地在內部是全部連接在一起的，因此由示波器接出的兩cable

線，其黑色鱷魚夾在內部是連接同一點的，也就是說，在同時使用兩個

Channel時，可以只夾其中之一。

除了少數例外，實驗電路板上的所有接地點應該都是連接在一起的，並且還

必須與示波器、波形產生器的黑色地線相接，這樣所有的訊號才有一個統一的

參考點。

三、 示波器（Oscilloscope）

有關示波器的操作，隨機型不同而有些微差距，以TEKTRONIX 2205為例說明

如下：（GOS-653與本機型的差別參閱附錄）

1.開機

開機後，幾個旋鈕要注意：

(1)FOCUS鈕：焦距調整。

(2)INTENSITY鈕：光跡強度調整。注意不要使光跡太亮，以免破壞螢光劑，

縮短示波器壽命。

(3)BEAM FINDER鍵：若開機後找不到光跡，按此鍵可將全部掃描範圍限制在

螢光幕內，調整X或Y軸的POSITION使掃描範圍位於正中

央後再鬆開，即可看到光跡。

(4)開機後需數分鐘時間暖機，機器才會穩定。

2.時間軸調整

時間軸是示波器螢光幕上的水平軸。調整的旋鈕與按鍵在示波器面板上一塊

標示為「HORIZONTAL」的區域內，調整這些按鍵與旋鈕時要注意：

(1)POSITION鈕：此鈕可以左右平移掃描軌跡，通常用來彈性改變軌跡位置，

以方便觀察或測量。不過在「X-Y MODE」中，這個鈕也可以

用來對X軸歸零。

(2)MAG開關：此開關可以延伸水平掃描光跡的長度至十倍長，但來回掃描一

次的時間維持不變。也就是說，對於一些帶有細微變化、或極

高頻的訊號，可以利用這個開關將它「拉長」，以方便觀察細節。

(3)SEC/DIV轉盤：此轉盤可用來調整螢光幕上每一方格的水平時值。請注意

它一共標示了三種單位，視不同範圍的刻度而定。轉盤上

層還有一個微調旋鈕，它是用來在轉盤所選定的範圍內做

微調用的。必須注意若要做定量測量，此鈕一定要記得向

右旋轉到底歸零，以免實驗完畢才發現讀出數值全錯，前

功盡棄！

3.訊號軸調整

訊號軸就是示波器螢光幕上的垂直軸，顯示輸入訊號的大小。調整訊號軸的

各個旋鈕、按鍵位於示波器面板上的「VERTICAL」區域內。訊號軸有兩個Channel

可供訊號輸入，這兩個Channel在單獨使用時操作方法都是一樣的。

(1)POSITION鈕：此鈕可以垂直平移掃描軌跡，歸零用。

(2)VOLTS/DIV轉盤：此鈕可條整垂直軸刻度大小。其刻度指示記號有「1×」

與「10× PROBE」兩種，平時讀取刻度時，只要讀「1×」

所指示即可。此外，同樣記得要定量測量時，其上面的

微調鈕必須向右旋轉到底歸零！

(3)AC/GND/DC開關：它的功能請參考圖五。當開關撥至DC檔時，訊號直接耦

合至示波器內部；撥至AC檔時，訊號經由一串聯大電

容進入，因此訊號的直流成份將被濾除。GND檔則是內

部直接接地，這在示波器歸零時相當方便。

耦合方式

接'放大倍率調整'

AC

DC

GNDCH1CH2

圖七

四、 訊號產生器（Function Generator）

實驗中所需要的訊號波形，就由「波形產生器」（Function Generator）供

給。Function Generator可以做各種調整，輸出適合各個實驗需要的訊號波形，

使我們得以專注在電路的實作上。在這份講義裏，我們通常簡稱Function

Generator為F.G.。本實驗室所使用的是GW公司製造的GFG-813型Function

Generator。(下面的說明是根據參考手冊P.6-3的面板圖寫成)

圖八

1.波形選擇

面板上第（11）號的三個按鍵可以選擇以下的輸出波形

sine wave triangle wave square wave 2.振幅調整

由標有「AMPL」的第（14）號旋鈕和第（15）號按鍵控制。（14）鈕可以

連續調整振幅大小，但是其上並無刻度，所以真正振幅的數值必須從測量儀器

（如示波器）上讀出。

第（15）號的兩個按鍵則稱為「衰減鍵」（attenuator），請特別注意它是

以dB值標示的，當按下左鍵時，振幅會被衰減20dB；按下右鍵時，衰減40dB，

如果兩鍵同時按下，則會衰減60dB。

3.頻率調整

標有「FREQUENCY」的（12）號大轉盤和標有「RANGE」的（10）號一排按

鍵可以調整輸出訊號的頻率。「RANGE」鍵是選擇所需頻率的大範圍；

「FREQUENCY」大轉盤則可以在選定的範圍做微調，以獲得較精確的頻率輸出。

按下「RANGE」時，「FREQUENCY」大轉盤可調範圍是「RANGE」鍵頻率值約0.1~10

倍，至於真正輸出的頻率值，可以在大轉盤上方的（2）號顯示幕上讀到。這

個顯示幕是這台F.G.內附計頻儀的一部份，除了可以配合F.G.顯示外，還能獨

立出來使用。

4.訊號輸出端

F.G. 產生的訊號由標有「OUTPUT」的（17）及（18）兩個BNC插座輸出。

標有「MAIN」的（18）插座是我們所調出的訊號波形，這是最主要的輸出孔，

只要拿附有鱷魚夾的電纜線（Cable）接上旋緊，就可以經由鱷魚夾獲得我們

所需的訊號。至於標有「SYNC」的（17）插座，則會輸出和「MAIN」同步

(synchronous)，但振幅固定為0.6V的方波（一般是做為同步觸發用）。

5、波形對稱度

F.G.面板上的第（14）號標有「SYM」「PULL ADJ」的鈕就是調整波形對稱

度用的。平時此鈕是在壓下的狀態，當要調出不對稱波形時，將此鈕拉起左右

旋轉即可。

對稱波形 不對稱波形

sine wave :

triangle wave :

square wave :

6.直流偏移

0V

Vo

-Vot

V

t

V

DC offset

Vdc Vo+

純粹交流訊號 含直流成份的訊號

0V

Vdc

將標有「DC OFFSET」「PULL ADJ」的（13）鈕拉起，輸出波形將不再是純

粹交流訊號，而會加進直流的成份（參考Fig.17）。這直流的成份即稱為DC

OFFSET，大小可用拉起後的（13）鈕旋轉調整。

五、 參考資料

1. “電子實驗” 郭有順編著

2.“數位電子儀表” 陳錫棋編著

3.“電子電路零組件應用手冊” 張西川編譯

直流電源供應器實作

實驗目的﹔將家用的交流電(AC 110V/60Hz)經過穩壓的電路設計，得到所需要

的穩定直流電壓。

實驗器材﹔三用電表

變壓器

橋式整流器

7815穩壓IC一個

7915穩壓IC一個

電容1000μ/25V兩個 100μ/16V兩個 0.1μ四個

實驗原理﹔直流電源供應器包括下列四個部分﹔

1. 變壓器

2. 整流電路

3. 濾波電路

4. 穩壓電路

如下圖(1)所示

圖(1)直流電源供應的方塊圖

DC Current

AC Current

變壓器 整流 電路

濾波

電路

穩壓

電路

實驗一

電路設計由以下的圖(2)至圖(4)表示

AC V110± AC V12± /60Hz sin wave /60Hz sin wave

圖(2)變壓原理示意

AC 12V

1.7V outV1

-1.7V

outV 2

圖(3)橋式整流電路

+15V GND 0V -15V

圖(4)濾波及穩壓電路

outV 2

outV1

1000μ/16V

1000μ/16V 1000μ

/25V

1000μ/25V

0.1μ 0.1μ

0.1μ 0.1μ

7815

7915

實驗步驟﹔將圖(2)至圖(4)的迴路合併成圖(5)，用三用電表測量輸出電壓是否

為 V15± 的穩定電壓。

五、在電路設計上應注意事項：

一、在各電路上之0.1μF的電容之目的在消除高頻突波或高頻雜訊，

應採用陶瓷電容或鉭質電容，其中又以鉭質電容最好。

二、若採用固定電壓輸出時，應注意輸入電穩壓IC之電壓不可太高

於輸出電壓太高，否則將增加穩壓IC的功率消耗

三、穩壓IC應加上散熱片

四、實用電路尚可並聯一顆LED當指示燈，只是輸出端有無電壓

參考資料﹔微電腦專題製作應用電路 鄧明發 陳茂章

知行文化事業有限公司

截波器電路實作:三角波脈寬調變式直流功率放大器

實驗目的：

本實驗所製作的截波器電路(Chopper)，係一種直流對直流的轉換器(DC To

DC Converter)，在直流系統中的功能相當於交流系統的變壓器。目前許多直流

馬達的速度控制系統中，仍然以各種形式的截波器作為馬達的驅動器，而本實

驗的目的即為製作一馬達的驅動器如圖1所示，由於此驅動器使用開關式的操

作，同時適於能量回收，大大的提高整個直流馬達系統的效率。

實驗器材：

(1) OP放大器(TL084) ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4個)

(2) 電阻：22KΩ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3個)

：1KΩ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4個)

(3) 可變電阻：50KΩ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2個)

：5KΩ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1個)。

(4) 電容：250P ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1個)

(5) 二極體：齊納二極體(9V)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3個)

齊納二極體(5V)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1個)

(6)電壓比較器(LM311) ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1個)

實驗原理

所謂三角波脈寬調變，係指將一直流控制電位Vc和三角波vt比較，在Vc大

實驗二

於vt的期間的期間，比較器送出高電位信號；當Vc小於vt的期間，比較器送出

低電位信號，其相關波形如圖2所示，圖中分別表示了Vc>0，Vc=0，Vc<0三種狀

況。

V0＝(T1－T2)V⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(a)

T1＋T2＝T

T：截波週期

V：截波器直流輸入電源電壓

從圖1和(a)式可以看出：

(1) 當Vc>0，則T1>T2，V0>0。

(2) 當Vc=0，則T1=T2，V0=0。

(3) 當Vc<0，則T1<T2，V0<0。

因此，截波器的輸出平均電壓V0和控制電壓Vc成正比，而且V0的極性隨Vc的極

性而變，而此種控制方式又稱為脈波寬度調變(Pulse

Width Modulation，PWM)。基於這個原因，將此電路稱做直流功率放大器。

Vt

t

Vc>0

Vc<0

(a)

V

V

T

T1

T2

(b)

H

L

V

VH

L

T1

T2

(C)

T2

T1V

V

H

L

圖2三角波脈寬調變的波形(a)三角波(b)Vc=0時 比較器的輸出波形T1=T2(c)Vc>0時比較器的輸 出波 形T1>T2(d)Vc<0 時比較器的輸出波形 T1<T2

(d)

實驗電路實現原理

(1) 三角波產生IC (TL084)

三角脈寬調變式直流功率放大器控制電路

22k 50k

100k

250P

22k

1k 50k

1k

1k

1k5k

2

3

1

22k

5

6

7 13

12

14

2

37

TL084-1

TL084-1

TL084-1

311

1

8

4

-15V

15V

15V

-15V

15V

-15V

-

+

-

+-

+

-

+

PWM輸出

四、實驗結果

電路板接好之後由助教從示波器上檢測輸出端是否有脈波寬度調變(PWM)是否

正確。

參考資料：

1. 楊宗明編著”電力電子理論與實作”全華圖書

2. 陳文耀編著”動動機控制工程”復文書局

積分器實驗

一、 實驗目的

利用OP運算放大器組合一個具電壓積分特性之電路，並且藉此了解OP運

算放大器之原理及其應用。

二、 實驗器材

1、運算放大器741 X 1

2、電阻 10kΩ X 2

1MΩ X 1

3、電容 0.1μF X 1

4、波形產生器 X 1

5、三用電表 X 1

6、麵包板 X 1

7、示波器 X 1

三、 實驗原理

圖 1

實驗三

積分的物理意義為根據某一函數和它的變數，於限定之變數範圍內求其取

現下所涵蓋之面積。如圖1所示。對電子電路而言，我們所處理之訊號為

電壓與時間之函數，其變數為時間。我們可利用電容器儲存電荷之觀念，

再配合一運算放大器即可構成一積分器。其電路圖如圖2所示。

圖 2

其原理如下，首先，電容器之特性為Q=CVc，其中Q為電荷、Vc為電容端

電壓。

於電容器上流動的電流為電荷於單位時間內之變化，即dt

dVC

dtdQI c

c == ，因

Ii=0，故IR=-Ic，且因Vi=0所以Vc=Vo，得RVI

dtdV

CI Ro

c −=−== ，則

VdtRC

dVo1

−= 。

積分得 ∫−=2

1

1 t

to Vdt

RCV ，此式即為積分器輸出與輸入之關係。

其中t1至t2之時間即為所欲觀察訊號之時間。

四、實驗步驟

圖 2

1、 按圖2所示將電路接妥。

2、 輸入訊號

a、 方波，Vp = 2 V，頻率100Hz、1kHz。

b、 三角波，Vp = 2V，頻率同上。

以示波器觀察輸入波形與輸出波形電壓、相位的關係，並記錄結果。

3、 將RF由1MΩ改為10kΩ，則輸入頻率為100Hz時的積分效果比較差請

以測試記錄比較之。

五、結果與討論

4、 結果

a、100Hz

b、1kHz

0

時間

振幅

0

時間

振幅

參考資料

1、 OP Amp應用 + 實驗模擬 盧明智、黃敏祥 編著

全華圖書股份有限公司

2、 電子學實習 (下) 李富民 編著

科有圖書股份有限公司

微分器實驗

一、實驗目的

利用OP運算放大器組合一個具電壓微分特性之電路，並且藉此了解OP運

算放大器之原理及其應用。

二、實驗器材

1、運算放大器741 X 1

2、電阻 10Ω X 1

10kΩ X 1

3、電容 0.1μF X 1

0.001μF X 1

4、波形產生器 X 1

5、三用電表 X 1

6、麵包板 X 1

7、示波器 X 1

實驗四

三、實驗原理

圖 1

微分器之接法如圖1所示，其零件接法正好與積分器相反。由圖1之電

路中分析可得，因Vi = 0，Ii = 0，所以Vc = V， Ic = -IR，

則RV

IdtdVC

dtdV

CI oR

cc −=−===

得 dtdVRCVo −=

由上式中可看出輸出電壓為輸入電壓之微分

四、 實驗步驟

圖 2

1、 按圖 2所示將電路接妥。

2、 輸入訊號

a、 方波，Vp = 2 V，頻率 100Hz、1kHz。

b、 三角波，Vp = 2V，頻率同上。

以示波器觀察輸入波形與輸出波形電壓、相位的關係，並記錄結果。

五、 結果與討論

1、 結果

a、100Hz

b、1kHz

0

時間

振幅

0

時間

振幅

參考資料

1、 OP Amp應用 + 實驗模擬 盧明智、黃敏祥 編著

全華圖書股份有限公司

2、 電子學實習 (下) 李富民 編著

科有圖書股份有限公司

8051單晶片控制應用

實驗內容 A/D轉換與 D/A轉換

目的

認識Ｄ／Ａ（Digital to Analog）與Ａ／Ｄ（Analog to Digital）轉換過

程與應用。

器材

微處理器８９Ｃ５１主版電路 示波器 電源供應器

ＤＡＣ０８０８ ＡＤＣ０８０４ ＬＥＤ發光二極體

ＯＰ：ＵＡ７４１

電阻：排阻 ５ＫΩ×３ １０ＫΩ １００ＫΩ×２ １０ＫΩ

可變電阻

電容：１５０ＰＦ×２

原理

1. ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）與ＡＤＣ（Analog to Digital

Converter）簡介：

在目前許多微電腦或微處理器的控制系統中，經常會碰到需要將微處理

機送出的數位信號（０或１信號）轉換成外界所需的類比輸出信號（電壓或

電流），以及將外界的類比輸入信號轉換成為電腦系統所能接受的數位資料

之動作。至於要如何才能使數位世界與類比世界互相溝通呢？這就有賴數位

實驗五

致類比轉換器（ＤＡＣ）與類比致數位轉換器（ＡＤＣ）。

下圖即為實際應用上的例子。

2. 數位（位元）與類比（電壓）的關係

輸入位元組合 輸出電壓 V

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

0 0.3125 0.6250 0.9375

1.25 1.5625 1.875

2.1875 2.5

2.8125 3.125

3.4375 3.75

4.0625 4.375

4.6875

上表是Ｄ／Ａ過程中輸入位元與輸出電壓的對應關係。當我們所使用的ＤＡＣ

為四個位元，參考電壓為５Ｖ。此時所有位元的組合就有 1624 = 個，每個組合之

間間隔所對應的電壓即為 3125.0165 =÷ ，所以位元組每增加１時，所對應的電壓

就會增加0.3125Ｖ。0.3125Ｖ的間隔有時候無法分辨出電壓很微小的變化，所

以轉換器的解析度便與位元數有相當大的關係。如果我們使用８位元的轉換

器，如此就有２５６種位元組合，而電壓的增量就只有 02.025 8 =÷ 左右，便可以

分辨出較為小的電壓變化，相對的，轉換的時間就會需要比較久。而Ａ／Ｄ的

過程即為Ｄ／Ａ的反向過程，但是較為複雜，在此就不詳加介紹。

位元數 解析度 輸出準位（最小電壓增量） 4 1/16 0.31250V 6 1/64 0.07813V 8 1/256 0.01953V 10 1/1024 0.00488V 12 1/4096 0.00122V 14 1/16384 0.00031V 16 1/65536 0.00007V

步驟

ＡＤ轉換

1. 如圖所示，將８９Ｃ５１主版電路與ＡＤＣ電路連接好。

2. 在電腦上撰寫程式碼並且組譯。

3. 將程式碼燒錄進８９Ｃ５１微處理機晶片中。

4. 供給所需電壓。

5. 調整 ＡＤＣ inV 上的可變電阻輸入不同電壓值，並以三用電表測量出電壓

值。

6. 讀出ＬＥＤ所表示的數位值並且紀錄在表一。

7. 從數位值反推算出對應的電壓值並且與 inV 上的電壓值比較。

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

P2.7

P2.6

P2.5

P2.4

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

RD

WR

INT0

Vcc

EA

RST

Vss

X1

X2

+ 5 V

+ 5 V

+ 5 V

12MHz

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0

RD

WR

INTR

11

12

13

14

15

16

17

18

2

3

5

Vcc

CLKR

CLKIN

A GND

D GND

Vin (+)

Vin (-)

Vref/2

+5V

+5V

CS 20

19

4

8

10

6

7

ADC0804

180Ω7416

10uF/10V

8.2K

20pF

20pF

100K 100K

10K

10K 150PF

1

9

ＤＡ轉換

1. 將上次所接好的ＡＤＣ電路板中的ＬＥＤ線路移除。 2. 如圖所示將ＤＡＣ部分的電路接上去。 3. 從ＡＤＣ的輸入端輸入不同電壓，量測ＤＡＣ的輸出端電壓，紀錄並且比較。 Note: 89C51內的程式碼不需要更改。

P1.0

P1.1

P1.2

P1.3

P1.4

P1.5

P1.6

P1.7

P2.7

P2.6

P2.5

P2.4

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

RD

WR

INT0

Vcc

EA

RST

Vss

X1

X2

+ 5 V

+ 5 V

12MHz

10uF/10V

8.2K

20pf

20pf

16

3

-5V

150 pF

-

+

uA741

示波器

5K

uA7417 (+12V)4 (-12V)

A8

A7

A6

A5

A4

A3

A2

A1

COMP

Vref (+)

Vref (-)

GND

NC

I out

Vee

DAC0808

2

3

6

V0

5K

5KR1

R2

R3

4

2

15

14+ 5V

12

11

10

9

8

7

6

5

+5V

13

89C51

程式碼

;---------------------------------------------- ; A/D 程式 ;----------------------------------------------

ORG 0000H ;初始化位址 ;;;; START A/D CONVERTION ;;;; START:

CLR P3.6 ;令 A/D轉換器WR=0 CLR P3.7 ;令 A/D轉換器 RD=0 SETB P3.6 ;令 A/D轉換器WR=1 開始轉換

WAIT: JB P3.2,WAIT ;等待 A/D轉換器的 INTR=0 MOV A,P2 ;將 P2值放入 A暫存器 MOV P1,A ;將值輸出LED顯示（輸出給D/A作轉換） SETB P3.7 ;設定 RD=1 AJMP START

END

實驗結果

ＡＤ轉換（表一）

輸入電壓Ｖ 數位輸出（位元） 反推算電壓Ｖ

ＤＡ轉換（表二）

輸入電壓Ｖ 輸出電壓Ｖ

問題與討論

1. 在ＡＤ和ＤＡ轉換之後所得到的結果（參考表二），輸入與輸出的電壓是否

相同，為什麼？

參考資料：

1. ＭＣＳ－５１單晶片原理與ＩＯ應用，組合語言版，劉銘中，林琮烈，

儒林圖書公司。

利用PIC16F877微控制器作脈寬調變(PWM)輸出

實驗目的：

利用PIC16F877的Timer(計時器)產生PWM訊號，以輸出

控制MOSFET導通開關，藉以控制馬達轉速大小

實驗設備：

個人電腦一部

KIT-ICD 單晶片燒錄器一台

直流馬達

20MHz 石英震盪器x1

20PF 電容x2

實驗原理：

本實驗將使用PIC的Timer(計時器)產生如圖一所示的PWM

訊號，並將其輸出訊號連接至MOSFET的閘極藉以控制馬達轉速，圖一所示為PWM

脈寬調變訊號，圖二所示為以PIC單晶片為例的電路方塊圖

責任週期

+5V

時間

圖1 PWM訊號

實驗六

PIC16F877

由類比控制 PWM訊號

控制訊號輸入

以控制PWM的

Duty Cycle

圖2 實驗電路方塊圖

PIC16F877內部計時器(Timer2)與PWM週期訊號介紹

PIC 的計時器Timer 2有捕捉、比較與PWM三種主要的工作模式

圖三所示為PIC之PWM工作原理圖。雖然PIC的PWM工作模式下的

Timer 2為10位元的解析度，但以忽略最低2位元的8位元的解析度較常容易

使用。以下說明以8位元解析度的PWM訊號為主。

Fosc Timer 2

RC2

正反器

TMR2ON

圖三 PIC之PWM工作原理圖

RA0

RC2

驅動電路 直流馬達

前除器

÷1，4，16 TMR2

PR2

暫存器

比

較

器

比

較

器

CCPR1L

暫存器

PRS

CLR

Timer2使用於PWM工作模式的初始設定步驟如下：(使用組合

語言)

(1) 設定PORT C之RC2/CCP1接腳為PWM的輸出接腳

TRISC暫存器(位址H 87)之<2>位元需設為0，RC2為PWM信號的輸出接腳。

(2) 設定PWM的工作頻率

T2CON 暫存器(位址 H 12)之<1：0>位元

設為 00時，表示PWM的工作頻率為Fosc(預除值=1)

設為 01時，表示PWM的工作頻率為Fosc/4(預除值=4)

設為 11時，表示PWM的工作頻率為Fosc/16(預除值=16)

(3) 設定Timer 2為PWM 工作模式

CCP1CON 暫存器(位置 H 17)之<3：0>位元必須設為1100

(4) 設定PWM週期

PR2暫存器(位置H 92)代表PWM週期計數值的高8位元，PWM週期計數值

的低2位元被固定為11。PR2暫存器其值越高表示PWM週期越長。當Timer2

的計數值與PR2暫存器相同時，RC2被重置設定為1，此時表示一個新的

PWM責任週期開始。PWM的訊號週期計算式為：

PWM訊號週期=(PR2+1)＊預除頻值/Fosc

(5) 設定PWM的初始責任週期

(6) 啟動Timer 2

實驗程式設計流程圖：

程式初始化

呼叫類比轉數位轉換程式

呼叫PWM設定程式

實驗步驟：

(1) 首先在個人電腦上利用文字編輯軟體編輯程式，編輯好之後再以副檔名

為TXT方式儲存

(2) 再利用PIC單晶片燒錄器所附上得燒入軟體依照使用手冊方式將程式燒

錄到單晶片上

(3) 接妥電路

(4) 接妥後便可利用PWM訊號控制馬達轉速

MAIN LINE

Call Initial

Call ADTransfer

Call PWM

實驗結果：

按照上述步驟接妥電路後，可利用示波器觀察單晶片輸出波形，波形如圖1

所示，會藉由不同的控制訊號輸入改變輸出脈波寬度的責任週期大小，電路

圖置於附錄

問題與討論：

PWM訊號的用途有哪些?

參考書籍：

PIC16F87X系列微控制器原理實習與專題應用 作者：施慶隆

附錄一：

MCR

47K 470

RA0

RA1

RA2

RA3

RA4

RA5

RZ0

RZ1

RZ2

VDD

VSS

OSC1

OSC2

RC1

RC0

RC2

RC3

RD0

RD1

+5V

PWM SIGNAL

COMMAND

RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 RB0 VDD VSS RD7 RD6

RD4

RD5

RC7 RC6 RC5 RC4 RD3 RD2

+5V

PIC 16F877

20MHZ

. PIC 16F877單晶片電路圖

附錄二：

Control Signal

R

+15V

R R

1815

1815

+15V

R

M

Battey+24V

FlywheelDiode

IRF Z44

-15V +15V

Low-Pass filter Filter

R

C

C

C C

Photo Coupler

R

R

HY-25P

Hall Effect Current Sensor

142

3

5 6

feedback signal

針對功率450W馬達的驅動電路(加上Hall Effect 電流感測器

回授控制系統的構建及整合

實驗目的：

本實驗主要目的以實驗一到實驗六所製作的內容作整個閉迴路的建構以

及整合，而受控場為本系提供的DVH-1000馬達平台為主，以控制馬達轉速為

目標

實驗設備：

DVH-1000馬達平台

示波器

電源供應器

實驗一到實驗六所製作成的電路整合

實驗原理：

由於直流馬達的轉速隨負載轉矩而有所變化，為了維持轉速電輸電壓需藉著

改變工作週期來連續調整，實際上在速度控制方面，需要控制加減速。所以針

對系統而言以閉迴路控制系統為最佳控制考量。而閉迴路控制系統有改善系統

精確度、反應時間快、減低受負載干擾和非線性的干擾因素等。一個控制系統

能夠接受外在激勵訊號，並對此特定的輸入命令如轉速、位置或轉矩等產生調

整或追蹤的動態行為。

而控制系統組成主要分為控制器、受控體和回授感測元件等。圖一即為典型的

閉迴路控制系統方塊圖。

實驗七

Wr + We Vc Va Wa

-

圖1典型閉迴路驅動控制系統方塊圖

如果因而外加負載轉矩而使直流馬達速度降低時，則速度誤差We增加，速度控

制器因為 We 的增加，促使控制訊號 Vc增加，藉此改變驅動器的工作週期以達

到增加馬達的電樞電壓，使馬達產生更多的轉矩來使馬達速度恢復原來的設定

值。整個驅動系統反應需經過一段暫態期間，直到馬達產生的轉矩等於負載轉

矩

控制器的實現原理：

一、 比例控制器

1

20

2

0

1

00RR

VV

RV

RV

i

s −=⇒−

=−

比例控制器以控制的觀點，就是一個可調整增益的控制器。藉由增益的改變可

速度感測器 驅動電路 受控場

感測器

調整系統的相對穩定度及穩態誤差。通常增益變大可降低穩態誤差，但是卻破

壞了相對穩定度，反之增益變小可提高相對穩定度可是卻增加穩態誤差，所以

這就是比例控制器每中不足的地方。因此變設計了積分控制器來補償比例控制

器的不足。

二、 積分控制器

積分控制器的加入恰好可解決單獨使用比例控制器的缺點。可以消除比例控制

器所造成的穩態誤差。若積分控制器的積分增益很小時，他將會是一個不錯的

低通濾波器，可消除外在環境的高頻雜訊，但是若提高積分控制器增益勢必讓

系統造成過大的超越量(Overshoot)，所以控制器增益需不斷的調適。

∫

∫

−=⇒

=

=×

t

t

dtRV

CVo

RVi

VodtioC

0

0

111

111

1

三、 微分控制器

微分控制器具有預測系統輸出變化情形的功能。加入一個適當的微分器控制增

益，可降低系統輸出震盪行為，但是微分控制器在頻域的觀點是一個高通濾波

器(High-Pass Filter)，如果增益調整太高，很容易讓系統受到高頻雜訊的影

響，所以在參數的調整上也要多加試誤以達到最適當情形。

PID控制器的電路實現如圖二所示

圖二PID控制器

dtdVCRVo

RVoioi

dtdVC

1

11

−=⇒

===−

V2V3

VeeVcc

1 2

R410k

VCC

VEE

2

3

X2UA741 Vcc

Vee

2 6

R51.2k

6 3

C125u

2

2

3

33 7

R610k

VCC

VEE

8

9

X3UA741

VCC

VEE

7

10

X4UA741

8 9

R710k

7

9

R810k

Vee7

77 7

9

999 9

999

888

8812

C20.033u

121

R91k

1

1111

1

7 10

R1010k

77 10 1010

10

7

7

Vcc

Vee

7

7

實驗步驟：

說明：

本實驗將實驗一到實驗六的部分作閉迴路整合控制，閉迴路控制系統方

塊圖如圖三所示：

實驗一

r + e u PWM w

實驗三、四 實驗五、六 實驗二

說明：

實驗一：將AC110V轉換成控制器、數位電路以及驅動電路所需要的工作電壓。

實驗二：製作直流馬達功率驅動電路，利用PWM調變方式控制馬達轉速。

實驗三、四：設計類比控制器(OP 運算放大器)，調整比例、積分或微分控制器

增益達成控制目標。

實驗五、六：利用8051單晶片或PIC單晶片接收控制訊號並產生PWM

調變訊號輸出至驅動電路以控制馬達。

類比 控制器

PIC微控制

器電路

功率驅動

電路 直流 馬達

AC 110V/60 Hz

穩 壓 電 路

轉速計

實驗結果：

將實驗一到實驗六的部分整合為一閉迴路控制系統後，參考命令以可變電阻作

為輸入，同時可藉由調整控制器增益來改善暫態及穩態響應。

問題與討論：

1、 如果調整控制器的比例增益或是積分增益或是微分增益，各會有何情形發

生？如可以請以控制響應圖說明

2、 調整類比式驅動電路或是調整單晶片的PWM的切換頻率會有何情形發生

參考資料：

模糊理論應用於電動助行車之速度調適 國立中正大學電機工程研究所碩士

論文 90/05