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1、第三章 过程通道和数据采集系统之二,杨根科 上海交通大学自动化系 2007年3月,内容提要,概述 模拟量输入通道 D/A与A/D转换技术 数据采集系统 模拟量输出通道 过程通道的抗干扰措施 小结,回顾: 概述,过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO）,微机控制系统组成框图,回顾: 模拟量输入通道,模拟量输入通道的一般组成 一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和A/D转换器组成,3 D/A与A/D转换技术 1/22,D/A转换器（Digital to Analog Converter，DAC）是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件 A/
2、D转换器（Analog to Digital Converter， ADC）则相反，它能把模拟量转换成相应的数字量。,3 D/A转换技术 2/22,D/A转换器的组成 基准电压（电流） 模拟二进制数的位切换开关 产生二进制权电流（电压）的精密电阻网络 提供电流（电压）相加输出的运算放大器(010mA,420mA 或者 TTL, CMOS,),3 D/A转换技术 3/22,D/A转换器的原理 转换原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。 解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T型电阻网络。,3 D/A转换技术（4/22）
3、, 4位权电阻网络D/A转换器原理图,3 D/A转换技术（5/22）, E为基准电压 为晶体管位切换开关，受二进制各位状态控制 相应位为“0”，开关接地 相应位为“1”，开关接E 为权电阻网络，其阻值与各位权相对应，权越大，电阻越大(电流越小)，以保证一定权的数字信号产生相应的模拟电流 运算放大器的虚地按二进制权的大小和各位开关的状态对电流求和,3 D/A转换技术（6/22）, 设输入数字量为D，采用定点二进制小数编码，D可表示为： 当 时，开关接基准电压E，相应支路产生的电流为 当 时，开关接地，相应支路中没有电流。 因此，各支路电流可以表示为： 这里,3 D/A转换技术（7/22）, 运算
4、放大器输出的模拟电压为 可见，D/A转换器的输出电压 U 正比于输入数字量 D 缺点：位数越多，阻值差异越大,3 D/A转换技术（8/22）, 4位T型电阻网络（R-2R）D/A转换器原理图,3 D/A转换技术（9/22）, 从节点a, b, c, d向右向上看，其等效电阻均为2R 位切换开关受相应的二进制码控制，相应码位为“1”，开关接运算放大器虚地，相应码位为“0”，开关接地。 流经各切换开关的支路电流分别为 ， ， ， 各支路电流在运算放大器的虚地相加,3 D/A转换技术（10/22), 运算放大器的满度输出为 这里满度输出电压(流)比基准电压(流)少了1/16，是因端电阻常接地造成的，
5、没有端电阻会引起译码错误 对 n 位D/A转换器而言，其输出电压为,3 A/D转换（11/22）,常用A/D转换方式： 逐次逼近式：转换时间短，抗扰性差（电压比较）ADC0809（8位），AD574（12位） 双斜率积分式：转换时间长，抗扰性好（积分） MC14433（11位），ICL7135（14位） 计数比较式：转换速度慢，抗扰性差，较少采用,3 A/D转换技术（12/22）, 逐次逼近式A/D转换原理图,3 A/D转换技术（13/22）, 采用对分搜索原理来实现A/D转换 主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、电压比较器、时序及控制逻辑等部分组成 工作过程：逐次把设定在SAR中的数字
6、量所对应的D/A转换器输出的电压，与要被转换的模拟电压进行比较，比较时从SAR中的最高位开始，逐次确定各数码位是“1”还是“0”，最后，SAR中的内容就是与输入的模拟电压对应的二进制数字代码,3 A/D转换技术（14/22）, 以4位A/D转换器为例，说明其逐次逼近过程的原理： LSB所代表的信号电压为0.25v(满量程,4/24)，模拟输入电压为1.8v 这里误差为0.05v。SAR位数越多，越逼近 ，但转换时间也越长,3 A/D转换技术（15/22）,双斜率积分式A/D转换原理图,3 A/D转换技术（16/22）, 工作原理: 固定时间 T 内对模拟输入电压 积分 对基准电源反向积分，直到
7、电容放电完毕，记录反向积分时间 T1 模拟输入电压与参考电压的比值就等于上述两个时间值之比 应用于信号变化慢, 输入速度低,精度要求高,干扰重,3 D/A与A/D转换技术（17/22）,A/D转换器的主要技术指标 分辨率 能对转换结果发生影响的最小输入量，通常用数字量的位数来表示(如: 8位或1/28=0.4%,LSB,) 分辨率越高，转换时对输入模拟信号的变化反应就越灵敏 量程(与/全一值区别, LSB) 所能转换的电压范围,3 D/A与A/D转换技术（18）, 精度 转换后所得结果相对于实际值的准确度 有绝对精度和相对精度之分 常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位， 用百分比表示相对精度
8、 转换时间 积分型 毫秒级，逐次比较 微秒级(1200),3 D/A与A/D转换技术（19）, 输出逻辑电平 多数与TTL电平配合(电平规范,0-2.2v) 应注意是否要对数据进行锁存等 工作温度 较好的 ，; 差的 对基准电源的要求 电源精度,3 D/A与A/D转换技术（20）,D/A转换器的主要技术参数 分辨率：同A/D 稳定时间 输入数字信号的变化是满量程时，输出信号达到稳定（离终值 1/2LSB）所需的时间,ns 或ms 输出电平 不同型号其输出电平相差很大,510v; 2430v或者20mA,3A 输入编码：二进制码、BCD码、双极性时的各种码等,3 D/A与A/D转换技术（20+）
9、,满度, LSB, 全1值, LSB/2, A/D跃变点 p50, 表3-5,3 D/A与A/D转换技术（21）,调零和增益校准 大多数转换器都要进行调零和增益校准 一般先调零，然后校准增益，这样零点调节和增益调整之间就不会相互影响。 调整步骤：首先在“开关均关闭”的状态下调零，然后再在“开关均导通”的状态下进行增益校准,3 D/A与A/D转换技术（22）, D/A转换器的调整 调零：设置一定的代码(全零)，使开关均关闭，然后调节调零电路，直至输出信号为零或落入适当的读数（ 1/10LSB范围内 ）为止 增益校准：设置一定的代码(全1) ，使开关均导通，然后调节增益校准电路，直至输出信号读数与
10、满度值减去一个LSB 之差小于1/10LSB为止,A/D转换技术（23）, A/D转换器的调整 调零：将输入电压精确地置于使“开关均关闭”的输入状态对应的输入值高于1/2LSB的电平上，然后调节调零电路，使转换器恰好切换到最低位导通的状态 增益校准：将输入电压精确地置于使“开关均导通”的输出状态对应的输入值低3/2LSB的电平上 ，然后调节增益校准电路，使输出位于最后一位恰好变成导通之处,3 A/D转换技术（23+）,满度10V,量程010V; 12bitA/D; LSB=10/212=2.44mV, 全1值=9.9976, LSB/2=1.22mV, A/D跃变点=全1值-LSB/2=9.9
11、963V,3 A/D转换技术（23+）,继续: 增益校准: 当输入电压为:全1值-LSB/2=9.9963V时, 调节校准电路使最后一位恰好导通, 读数从111111111110变成111111111111 调零: 输入电压为LSB/2=1.22mV时, 调节校准电路使最后一位恰好导通, 读数从0000000000000变成000000000001,内容回顾,D/A转换器的方法: 权电阻网络图,梯形电阻网络原理图 A/D转换器的方法: 逐次逼近原理图,双斜率积分式原理图 A/D转换器的主要技术指标 分辨率; 量程; 绝对精度;相对精度; 转换时间; 输入电平;温度;基准电源 D/A转换器的主要技术指标 分辨率; 稳定时间; 输出电平; 输入编码 调零与增益校准 全1值; LSB; LSB/2; 3/2LSB; A/D跃变点 D/A, 1/10LSB; 满量程-LSB 1/10LSB A/D, 1/2LSB; 满量程 - 3/2 LSB,
