过程通道和数据采集系统之二

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3D/A与A/D转换技术1/22D/A转换器（DigitaltoAnalogConverter，DAC）是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter，ADC）则相反，它能把模拟量转换成相应的数字量。3D/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(0~10mA,4~20mA或者TTL,CMOS,…)3D/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。3D/A转换技术（4/22）◆4位权电阻网络D/A转换器原理图-+UES1S2S3S4fR112a222a332a442aR02R12R22R322I4I8I16I3D/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41~SSRn23D/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121212222nniniiDaaaa1ia0ia2iiiEIIR2iiiIIa2IER3D/A转换技术（7/22）◆运算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11121222(222)nniififfiinfnUIRIaRIRDERaaaR3D/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-+US1S2S3S4112a222a332a442aEabcdRRR2R2R2R2R2R3D/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12REFI14REFI116REFI18REFI3D/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，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1212(222)nREFnUIRaaa111115()2481616FSREFREFUIRIR3A/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3A/D转换技术（12/22）•逐次逼近式A/D转换原理图-+D/A转换器SAR时序及控制逻辑比较器fVxV转换命令状态线基准电源数字量输出3A/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3A/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,4/2^4)，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3322211210:1,(1000),2*0.252,,:1,(0100),2*0.251,,:1,(0110),22*0.2515,,:1,(0111),22*0.251.75,,fxffxffxffxfDVvVVDVvVVDVvVVDVvVV0一清除二保留三（＋）.保留四（＋＋2）保留xV3A/D转换技术（15/22）双斜率积分式A/D转换原理图xV逻辑控制计数器时钟基准电源输入模拟电压积分器比较器转换开始转换结束数字量输出3A/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xV3D/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1/2^8=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3D/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◆转换时间—积分型毫秒级，逐次比较微秒级(1~200)1LSB23D/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---0.8v,1---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40~850~703D/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,5~10v;24~30v或者20mA,3A◆输入编码：二进制码、BCD码、双极性时的各种码等3D/A与A/D转换技术（20+）满度,LSB,全1值,LSB/2,A/D跃变点p50,表3-53D/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3D/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3A/D转换技术（23+）满度10V,量程0~10V;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=9.9963V3A/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-3/2LSB