第3章過程通道數(shù)據(jù)采集3

1、第三章 過程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之二A/D、D/A性能參數(shù)性能參數(shù)內(nèi)容提要n概述n模擬量輸入通道nD/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)n數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)n模擬量輸出通道n過程通道的抗干擾措施n小結(jié)回顧: 概述n過程通道：計算機和生產(chǎn)過程之間設置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。（AI、AO、DI、DO）微機控制系統(tǒng)組成框圖回顧: 模擬量輸入通道n模擬量輸入通道的一般組成 一般由信號處理、多路轉(zhuǎn)換器、放大器、采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器組成3 D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù) (1/22)nD/A轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）是一種能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件nA/D轉(zhuǎn)換器

2、（Analog to Digital Converter， ADC）則相反，它能把模擬量轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量。3 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù) (2/22)nD/A轉(zhuǎn)換器的組成 基準電壓（電流） 模擬二進制數(shù)的位切換開關(guān) 產(chǎn)生二進制權(quán)電流（電壓）的精密電阻網(wǎng)絡 提供電流（電壓）相加輸出的運算放大器(010mA,420mA 或者 TTL, CMOS,) 3 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù) 3/22nD/A轉(zhuǎn)換器的原理 轉(zhuǎn)換原理可以歸納為“按權(quán)展開(當前位在輸出中的比例)，然后相加”。因此，D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部必須要有一個解碼網(wǎng)絡，以實現(xiàn)按權(quán)值分別進行D/A轉(zhuǎn)換。 解碼網(wǎng)絡通常有兩種：二進制加權(quán)電阻網(wǎng)絡和T型電阻網(wǎng)絡。 3 D/A轉(zhuǎn)

3、換技術(shù)（4/22）4位權(quán)電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器原理圖-+UES1S2S3S4fR112a222a332a442aR02R12R22R322I4I8I16I3 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)（5/22） E 為基準電壓 為晶體管位切換開關(guān)，受二進制各位狀態(tài)控制 相應位為“0”，開關(guān)接地 相應位為“1”，開關(guān)接E 為權(quán)電阻網(wǎng)絡，其阻值與各位權(quán)相對應，權(quán)越大，電阻越大(電流越小)，以保證一定權(quán)的數(shù)字信號產(chǎn)生相應的模擬電流 運算放大器的虛地按二進制權(quán)的大小和各位開關(guān)的狀態(tài)對電流求和41 SSRn23 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)（6/22） 設輸入數(shù)字量為D，采用定點二進制小數(shù)編碼，D可表示為： 當 時，開關(guān)接基準電壓E，相應支路產(chǎn)

4、生的電流為 當 時，開關(guān)接地，相應支路中沒有電流。 因此，各支路電流可以表示為： 這里121212222nniniiDaaaa1ia 0ia 2iiiEIIR2iiiII a2IE R3 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)（7/22） 運算放大器輸出的模擬電壓為可見，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 U 正比于輸入數(shù)字量 D 缺點：位數(shù)越多，阻值差異越大11121222(222)nniififfiinfnUIRI aRI RDERaaaR 3 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)（8/22） 4位T型電阻網(wǎng)絡（R-2R）D/A轉(zhuǎn)換器原理圖3 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)（9/22） 從節(jié)點a, b, c, d向右向上看，其等效電阻均為2R 位切換開關(guān)受相應的

5、二進制碼控制，相應碼位為“1”，開關(guān)接運算放大器虛地，相應碼位為“0”，開關(guān)接地。 流經(jīng)各切換開關(guān)的支路電流分別為 ， ， ， 各支路電流在運算放大器的虛地相加12REFI14REFI116REFI18REFI3 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)（10/22) 運算放大器的滿度輸出為 這里滿度輸出電壓(流)比基準電壓(流)少了1/16，是因端電阻常接地造成的，沒有端電阻會引起譯碼錯誤 對 n 位D/A轉(zhuǎn)換器而言，其輸出電壓為1212(222)nREFnUIRaaa 111115()2481616FSREFREFUIRIR 3 A/D轉(zhuǎn)換（11/22）n常用A/D轉(zhuǎn)換方式： 逐次逼近式：轉(zhuǎn)換時間短，抗擾性差（電壓

6、比較）ADC0809（8位），AD574（12位） 雙斜率積分式：轉(zhuǎn)換時間長，抗擾性好（積分） MC14433（11位），ICL7135（14位） 計數(shù)比較式：轉(zhuǎn)換速度慢，抗擾性差，較少采用3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（12/22） 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理圖-+D /A 轉(zhuǎn) 換 器SA R時 序 及 控 制 邏 輯比 較 器fVxV轉(zhuǎn) 換 命 令狀 態(tài) 線基 準 電 源數(shù) 字 量輸 出逐次逼近寄存器3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（13/22） 采用對分搜索原理來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換 主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、時序及控制邏輯等部分組成 工作過程：逐次把設定在SAR中的數(shù)字量所對應的D/A轉(zhuǎn)換器

7、輸出的電壓，與要被轉(zhuǎn)換的模擬電壓進行比較，比較時從SAR中的最高位開始，逐次確定各數(shù)碼位是“1”還是“0”，最后，SAR中的內(nèi)容就是與輸入的模擬電壓對應的二進制數(shù)字代碼3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（14/22） 以4位A/D轉(zhuǎn)換器為例，說明其逐次逼近過程的原理： LSB所代表的信號電壓為0.25伏(滿量程,4/24)，模擬輸入電壓為1.8伏 這里誤差為0.05伏。SAR位數(shù)越多，越逼近 ，但轉(zhuǎn)換時間也越長3322211210:1,(1000),2 *0.252 ,:1,(0100),2 *0.251 ,:1,(0110),22*0.251 5 ,:1,(0111),22*0.251.75 ,fxffxf

8、fxffxfDVv VVDVv VVDVv VVDVv VV0一清除二保留三（ ）.保留四（ 2）保留xV3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（15/22）雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換原理圖xV邏輯控制計數(shù)器時鐘基準電源輸入模擬電壓積分器比較器轉(zhuǎn)換開始轉(zhuǎn)換結(jié)束數(shù)字量輸出3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（16/22） 工作原理: 固定時間 T 內(nèi)對模擬輸入電壓 積分 對基準電源反向積分，直到電容放電完畢，記錄反向積分時間 T1 模擬輸入電壓與參考電壓的比值就等于上述兩個時間值之比 應用于信號變化慢, 輸入速度低,精度要求高,干擾重xV3 D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（17/22）nA/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 分辨率 能對轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的

9、最小輸入量，通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示(如: 8位或1/28=0.4%,LSB,) 分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入模擬信號的變化反應就越靈敏 量程(與/全一值區(qū)別, LSB) 所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍3 D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（18/22） 精度 轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實際值的準確度 有絕對精度和相對精度之分 常用數(shù)字量的位數(shù)作為度量絕對精度的單位， 用百分比表示相對精度 轉(zhuǎn)換時間 積分型 毫秒級，逐次比較 微秒級(1200)1LSB23 D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（19/22） 輸出邏輯電平 多數(shù)與TTL電平配合(電平規(guī)范,0-2.2V) 應注意是否要對數(shù)據(jù)進行鎖存等 工作溫度 較好的 ; 差的 對基準電源的要

10、求 電源精度40 850 703 D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（20/22）nD/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù) 分辨率： 能對轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量，通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示(如: 8位或1/28=0.4%,LSB,) 分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入模擬信號的變化反應就越靈敏 穩(wěn)定時間 輸入數(shù)字信號的變化是滿量程時，輸出信號達到穩(wěn)定（離終值 1/2LSB）所需的時間,ns 或ms 輸出電平 不同型號其輸出電平相差很大,510V; 2430V或者20mA,3A 輸入編碼：二進制碼、BCD碼、雙極性時的各種碼等3 D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（20+/22）n滿度, nLSB, 全1值, nLSB/2, A/D躍變

11、點參考：p50, 表3-5，（謝劍英等，微型計算機控制技術(shù)（第3版），國防工業(yè)出版社，2001 ）3 D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（21/22）n調(diào)零和增益校準 大多數(shù)轉(zhuǎn)換器都要進行調(diào)零和增益校準 一般先調(diào)零，然后校準增益，這樣零點調(diào)節(jié)和增益調(diào)整之間就不會相互影響。 調(diào)整步驟：首先在“開關(guān)均關(guān)閉”的狀態(tài)下調(diào)零，然后再在“開關(guān)均導通”的狀態(tài)下進行增益校準3 D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（22/22） D/A轉(zhuǎn)換器的調(diào)整 調(diào)零：設置一定的代碼(全零)，使開關(guān)均關(guān)閉，然后調(diào)節(jié)調(diào)零電路，直至輸出信號為零或落入適當?shù)淖x數(shù)（ 1/10LSB范圍內(nèi) ）為止 增益校準：設置一定的代碼(全1) ，使開關(guān)均導通，然后調(diào)節(jié)增益

12、校準電路，直至輸出信號讀數(shù)與滿度值減去一個LSB 之差小于1/10LSB為止A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)(22+/22) A/D轉(zhuǎn)換器的調(diào)整 調(diào)零：將輸入電壓精確地置于使“開關(guān)均關(guān)閉”的輸入狀態(tài)對應的輸入值高于1/2LSB的電平上（正、負對稱輸出），然后調(diào)節(jié)調(diào)零電路，使轉(zhuǎn)換器恰好切換到最低位導通的狀態(tài) 增益校準：將輸入電壓精確地置于使“開關(guān)均導通”的輸出狀態(tài)對應的輸入值低3/2LSB的電平上 ，然后調(diào)節(jié)增益校準電路，使輸出位于最后一位恰好變成導通之處3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)(22+/22n滿度10V,量程010V; n12bitA/D;nLSB=10/212=2.44mV, 全1值=9.9976, nLSB/2=1.22mV, nA/D躍變點=全1值-LSB/2=9.9963V3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)（22+/22）n繼續(xù): n增益校準: 當輸入電壓為:全1值-LSB/2=9.9963V時, 調(diào)節(jié)校準電路使最后一位恰好導通, 讀數(shù)從111111111110變成111111111111n調(diào)零: 輸入電壓為LSB/2=1.22mV時, 調(diào)節(jié)校準電路使最后一位恰好導通, 讀數(shù)從0000000000000變成000000000001內(nèi)容回顧nD/A轉(zhuǎn)換器的方法: 權(quán)電阻網(wǎng)絡圖,梯形電阻網(wǎng)絡原理圖nA/D轉(zhuǎn)換器的方法: 逐次