學(xué)習(xí)情境七　模擬量輸入與實(shí)時(shí)控制輸出

7.1模擬量與數(shù)字量概述

隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測(cè)等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別、處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理后輸出的數(shù)字量，也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號(hào)才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接收。這樣，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起橋梁作用的電路——模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，如圖7-1所示。

圖7-1模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器

將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC，analogtodigitalconverter）；將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路，稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC，digitaltoanalogconverter）。A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器已成為信息系統(tǒng)中不可缺少的部分。為確保系統(tǒng)處理結(jié)果的精確度，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須具有足夠的轉(zhuǎn)換精度。如果要實(shí)現(xiàn)快速變化信號(hào)的實(shí)時(shí)控制與檢測(cè)，A/D轉(zhuǎn)換器與D/A轉(zhuǎn)換器還要求具有較高的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度是衡量A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的重要技術(shù)指標(biāo)。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已研制和生產(chǎn)出許多單片的和混合集成型的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器，它們具有越來越先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)。

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7.2A/D轉(zhuǎn)換原理

A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通常要經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼4個(gè)步驟。

（1）采樣與保持

所謂采樣，就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為時(shí)間上離散變化的模擬量，如圖7-2所示。

圖7-2采樣

采樣結(jié)果存儲(chǔ)起來，直到下次采樣，這個(gè)過程稱為保持。一般，采樣器和保持電路一起總稱為采樣保持電路。

圖7-3量化

（2）量化與編碼的過程

將采樣電平歸化為與之接近的離散數(shù)字電平，這個(gè)過程稱為量化，如圖7-3所示。由零到最大值（max）的模擬輸入范圍被劃分為n個(gè)值