数据采集技术第四讲.ppt

9.7 数/模转换器 数/模转换器是一种将数字量转换成模拟量的器件， 简称 D/A转换器或DAC。在数字控制系统中作为关键器件，用 来把微处理器输出的数字信号转换成为电压或电流等模拟 信号，并送入执行机构进行控制或调节。在逐次逼近A/D 转换器中，曾经见到过DAC，它把SAR中的数字量转换成 模拟量。 D/A转换器已经集成在一块芯片上， 一般无需了解内部电 路细节即可使用，而且非常方便。 1 1 一、D/A转换器的分类和组成 D/A转换器主要有两大类：并行D/A转换器和串行D/A转换器 。 1、并行D/A转换器 并行D/A转换器的位数与输入数码的位数相同， 数码的每一位 都有一个输入端，用来控制相对应的模拟开关，决定是否把基 准电压UREF接到电阻网络：ai=1，接通；ai=0，断开。并行D/A 转换器速度快。 2 2 2、串行D/A转换器 在某些应用中，数字量是串行传送的，使用串行D/A转换器比 较方便。串行二进制代码在时钟的同步下一位接一位送入D/A 转换器实现转换。转换n位输入数码需要n个工作节拍，转换的 速度比并行D/A转换器慢得多。 Ds为输入数码，如果Ds=1，K1闭合， 基准电压与UCi相加，经 放大后，再“2”，准备接收下一位；如果Ds=0，K1断开，用0 与UCi相加，经放大后，再“2”，准备接收下一位。“2”相当 于数码“右移”一位。在最后1位转换后，电容器电压Uci，若减 去初始电压的1/2n，剩余电压为D/A转换器的模拟电压输出。 3 3 3、D/A转换器的基本组成 D/A转换器的基本组成可分为四个部分：电阻网络、模拟切换开 关、基准电源、运算放大器。 l电阻网络：D/A转换器的转换精度与电阻网络的电阻精度有 关系，但有些D/A转换器的转换精度只取决于电阻比值，与电 阻的绝对精度关系不大，保持电阻比值恒定更容易实现。 l基准电源：基准电源的精度直接影响D/A转换器的精度，另 外对基准电源还有噪声低、纹波小、内阻低等要求。 l模拟切换开关：要求开关断开时电阻无限大，开关的断通比 值要高，且力求减小开关的饱和压降、泄漏电流、导通电阻等 。 l运算放大器：D/A转换器的输出端一般要接运算放大器，其 作用是：一，对网络中各支路电流求和；二，为D/A转换器提 供阻抗低、负载能力强的输出。 4 4 二、D/A转换器的主要技术指标 D/A转换器的技术指标很多，包括绝对精度、相对精度、线性 度、输出电压范围、温度系数等，这里讨论几种主要指标。 l分辨率：最小输出电压与最大输出电压之比，反映对输入 量变化的敏感程度。若D/A转换器有n位，则 D/A转换器与位数的关系 分辨率 = 位数分辨率 81/255 101/1023 121/4095 141/16383 161/65535 5 5 l转换精度：转换精度分为绝对精度和相对精度。 转换精度是指输入满量程数字量时，D/A转换器实际 输出值与理论输出值之差，一般应小于1/2 LSB。 相对精度是指绝对精度与额定满量程输出值的比值 。可用偏差多少LSB来表示，或用该偏差相对满量程的包 分数来表示。 l线性误差：线性误差是指D/A转换器的转换特性曲线与 理想特性之间的最大偏差。 6 6 l建立时间：它是描述D/A转换速度快慢的一个参数，是指 从输入数字量开始，到达与终值相差1/2 LSB范围所需要 的时间，其长短取决于所采用的电路和所使用的元件。 l温度系数：在满量程输出条件下，温度每升高1，输出 变化的百分数定义为温度系数。 例如，AD561J的温度系数 为1010-6 FSR / 。 lD/A转换器还有其它技术指标，例如，输出电平、输入数 字电平、工作温度等。由于应用场合不同，对D/A转换器的 要求也有所不同。在自动检测系统中，追求的目标是高精 度，而在控制系统中，则要求高分辨率。 7 7 三、并行D/A转换器 并行D/A转换器的转换速度比较快，各位代码同时转换，转 换时间只取决于转换器中的电压或电流的稳定时间。 1、权电阻D/A转换器 权电阻D/A转换器的实现原理是先把输入的数字量转换为对 应的模拟电流量，然后再把模拟电流转换为模拟电压输出 。 图中以4位为例，UREF为基准电 压，K0-3为模拟电子开关，并受 二进制数位状态控制：某位为0 开关接地、为1开关接基准电压 UREF，其中电阻 Rf = R/2。 8 8 运算放大器对各位电流求和，然后将其转换为模拟量。 对于n位权电阻的D/A转换器： D/A转换器输出的模拟电压： 9 9 2、T型电阻网络 T型电阻网络是由相同的电路环节组成的，每个环路由两个 电阻和一个模拟开关组成，相等于一位二进制代码。仍以4 位二进制代码为例说明。 可见，在电阻网络中仅用了R和2R两种电阻，克服了权电阻 D/A转换器电阻偏差大带来的问题，提高了精度；Rf =R。 1010 由此，可以画出如下等效电路。 接放大器 +或-都等 效于接地 1111 对应四个支路电流I0、I1、I2、I3分别为： 求和后放大器的模拟输出电压为： 推广到 n位，则模拟输出电压为： （切换的是电流，开关速度快，转换速度也快） 1212 四、集成D/A转换器 目前，市场上的D/A转换器芯片品种较多，有快慢之分，有 8位、10位、12位、14位、16位之分，还有串行和并行之分 。 1、DAC0832的特性 8位电流输出型D/A转换器 T型电阻网络 数字量输入，可以双缓冲、单缓冲或直通 与微机可直接连接 输入数据的逻辑电平满足TTL电平规范 满量程误差为1LSB 转换时间1s 参考电压10V，单电源+5V+10V，功耗20mW。 1313 2、DAC0832芯片的内部结构 芯片内部有一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8 位D/A转换器，具有二级缓冲能力，在转换前一个数据的同时 可接收下一个数据，以提高D/A转换的速度。 10 20 11 12 8位 输入 寄存 器 8位 DAC 寄存 器 8位 D / A 转换 器 D7-D0 47 1316 19 1 2 18 17 XFER WR2 CS ILE LE1LE2 VREF IOUT2 IOUT1 Rfb AGND(模拟地) VCC(+5V或+15V) 3 9 8 DAC0832框图 DGND（数字地） Rfb 1 WR1 1 & 1414 引脚说明： lD7D0：输入数据线 lILE：输入锁存允许，输入 lCS#：片选信号，输入 用于把数据写到输入锁存器 lWR1#：写输入锁存器 lWR2#：DAC寄存器的写选通信号 lXFER#：允许输入锁存器的数据传送DAC寄存器，输入 上述二个信号用于启动转换 lVREF：参考电压，-10V+10V，一般为+5V或+10V lIOUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入 lRfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出 lAGND、DGND：模拟地和数字地 1515 3、 DAC0832芯片的工作时序和工作方式 D/A转换可分为两个阶段： CS#=0、WR1#=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器 WR2#=0、XFER#=0,数据传送到DAC寄存器，并开始转换 写输入 寄存器 写DAC 寄存器 D0-D7 ILE （高电平） （模拟输出电流） CS WR1 WR2 XFER 1616 l直通方式：使内部的两个寄存器都处于直通状态，模拟输出始 终跟随输入变化；实现直通方式，必须使ILE=1、且需要把CS#、 WR1#、WR2#和XFER#接数字地。 l单缓冲方式：使输入寄存器或DAC寄存器之一处于直通(不锁存 )状态；CPU只需一次写入即开始转换，控制比较简单通常是把 WR2#和XFER#接地、把ILE接高电平。 l双缓冲方式：输入寄存器或DAC寄存器均处于锁存状态，转换 要有两个步骤： l将数据写入输入寄存器： lCS#=0、WR1#=0、ILE=1 l将输入寄存器的内容写入DAC寄存器 lWR2#=0、XFER#=0 l双缓冲方式的优点在于数据接收与D/A转换可异步进 行；可实现多个DAC同步转换输出，分时写入、同时转换 。 1717 4、与CPU的连接（接口电路） 由于DAC0832有数据锁存器，所以与CPU的接口很简单，以 下是单片DAC0832与CPU的连接。 上图电路的控制程序很简单，输出地址和IO写命令即可。 8086CPU A15-A0 IOW D7-D0 WR2 WR1 译码 电路 CS XFER D7-D0 ILE +5V VREF DAC0832 IOUT2 IOUT1 AGND 1818 9.8 数据采集的抗干扰技术 数据采集系统的工作现场存在各种干扰，会在被测信号上叠 加干扰信号。干扰信号也称为噪声，噪声对有用信号起不良 作用，表现在： 1）测量数据变化： 干扰信号会使数据采集误差加大，甚至 干扰淹没检测的一些微弱信号，如人体的生物电信号等。 2）控制系统失灵： 计算机输出的控制信号常常依赖于某些 状态输入信号及其逻辑处理结果。由于干扰会引入虚假状态 信号，严重时导致系统控制失灵。 3）程序运行失常： 外界干扰会影响程序的正常运行，甚至 导致机器频繁复位、死循环或死机等，使输出严重混乱。 1919 一、硬件抗干扰技术 1、干扰的种类 1）电磁干扰 电和磁均可以通过电路和磁路对数据采集电路产生干扰 作用，电场和磁场的变化会在电路中感应出干扰电压，从而影 响数据采集电路的正常工作。电磁干扰主要有传导干扰和辐射 干扰，这种干扰对于数据采集电路的影响是最为普遍和最为严 重的。 2）机械干扰 由于外部机械的冲击或振动使数据采集电路的元器件发 生振动、变形，电路内部连接导线发生断裂或位移等，这些影 响数据采集电路正常工作的干扰为机械干扰。 2020 3）光干扰 在数据采集电路中，广泛使用着半导体元器件和光电 元件。在光的作用下，半导体材料会激发出“电子空穴”对 ，使半导体器件的电势或阻值产生变化，光电器件的特性发 生变化，从而影响系统的正常工作。 4）热干扰 数据采集电路在工作过程中产生的热量引起的温度波 动以及环境温度的变化，均可引起电路中的元器件参数发生 变化或产生附加的热电势，从而使数据采集电路不能正常工 作。 2121 5）湿度干扰 湿度增加会使电路的绝缘电阻下降，漏电流增加等， 均会影响数据采集系统的工作 6）化学干扰 化学物品会通过化学腐蚀作用损坏系统的元器件和零 部件，还会与金属导体形成化学电势，产生干扰。 在以上的几种干扰中，除电磁干扰外，其它的干扰比 较直接和可预见，采取相应的防护措施，就可以或尽可能避 免；由于电磁干扰比较间接，不容易被觉察，因而比较难控 制。因此，必须充分了解和掌握产生电磁干扰的因素，才能 采取正确的防护措施。 2222 2、电磁干扰的产生 在电磁干扰中，最常见的是电噪声，即叠加在有用信号 上扰乱信号的传输、使原来的有用信号发生畸变的电物理量。 噪声影响数据采集结果，有时甚至会将有用信号淹没掉。 1）噪声的种类 噪声的种类繁多、其产生、传递及抑制的方法也各不相 同，以产生的原因来分类，有内部噪声和外部噪声。 内部噪声是指电路内部或器件本身产生的噪声，如热噪 声、接触噪声、感应噪声、交流噪声、振荡噪声、反射噪声等 。 外部噪声是指从外部侵入到系统内的干扰，有自然噪声 和人为噪声二类。自然噪声有大气噪声、太阳噪声、宇宙噪声 ；人为噪声有放电噪声、高频噪声、工频噪声、辐射噪声等。 2323 2）噪声的耦合方式 噪声来源于噪声源，不同的噪声有不同的噪声源，噪声 源必须通过一定的耦合途径，才能将噪声送至采集电路中。因 此，噪声形成干扰必须具备三要素： 噪声源 噪声敏感的接收电路 噪声源到接收电路的噪声通道 从噪声源到接收电路的耦合方式主要有传导耦合和辐射 耦合，有些噪声可通过传导和辐射两种途径传输。 传导耦合分为电容性耦合、电感性耦合、公共阻抗耦合 和漏电流耦合；电磁辐射耦合是指干扰源通过空间辐射将干扰 传递给接收电路，接收电路受到干扰的程度与所处位置的干扰 强度成正比。 2424 3、电磁干扰的方式 根据噪声进入数据采集电路的方式不同及与有用信号 的关系，可将噪声干扰分为差模干扰与共模干扰。 1）差模干扰 差模干扰是一个信号输入端子相对于另一个信号输入 端子的电位差发生变化而产生的干扰，干扰信号与有用信 号叠加在一起作用于输入端，它直接影响测量结果。 2525 2）共模干扰 共模干扰是相对于公共电位基点（接地点），在两 个输入端子上同时出现的干扰，虽然这种干扰不直接影响 测量结果，但是当信号输入电路参数不对称时，共模干扰 就会转化为差模干扰。共模干扰的电压一般都比较高，其 耦合机理及其耦合电路也比较复杂，排除较为困难，所以 ，共模干扰比差模干扰对数据采集的影响更为严重。 2626 4、干扰的排除 干扰对测量结果的影响是相对于信号而言的，高电平信号 允许有较大的干扰，而低电平信号则不行。通常，噪声的频率范 围很宽，不是所有频率的噪声都会造成相同的干扰结果。抑制干 扰应着眼于噪声形成的三个要素，根据具体情况和要求，有针对 性地采取相应措施。 1）屏蔽：无论外部干扰，还是内部干扰，必须对干扰源或接收器 进行屏蔽，然而，在数据采集系统中，这种方法只能应用于抑制 外部干扰，对于测试系统内的干扰，采用屏蔽是不现实的。 2）接地：接地是抑制干扰的主要方法之一，即将设备地线或屏蔽 层等与大地实行低阻抗连接，其目的在于： 给出电路零电位基 准； 防止由于电荷积聚、电压上升带来不安全因素或引起火花 放电； 给干扰信号一个低阻抗通路，以消除干扰。 2727 3）浮置 浮置是指电子装置的公共线（信号地）不接大地。屏蔽 接地的目的是将干扰电流从信号电路中引开（疏通），消除干 扰；浮置的目的是阻断干扰电流的通路（强堵），从而减小共 模干扰电流。但是，浮置不是绝对的，虽然可减少电阻性漏电 流，但它们之间仍存在寄生电容，容性漏电流仍存在。另外， 浮置需要和屏蔽配合，且单独浮置供电。 4）滤波 滤波是抑制干扰的一项重要措施，无 论抑制干扰源还是消除耦合，都可以 采用滤波技术。如，交流电源的噪声 会通过电源线传导耦合到电路中，形 成干扰，对其进线端的滤波是十分必 要的；输入信号更有必要滤波。 2828 5）隔离 隔离是通过电磁、光电等方式在电路上进行分离，达到抑 制噪声的效果。如隔离变压器、光电耦合器、隔离放大器等。 6）连接线 数据采集电路内外有很多连接线，而连接线是引起干扰的 重要原因，正确布置至关重要；引线电感对高频的影响不能忽视 ，必须尽量减少，如采用同轴电缆、屏蔽线、双绞线等，且导线 应尽可能短；不同用途的连接导线，如电源线、射频线、音频线 、控制线等，要进行分类，且尽量远离，不要平行排列；为了避 免辐射耦合，最好使用屏蔽线；此外，导线的粗细与噪声也有关 ，要选择适当的连接导线。在科学研究和工程实践中，会遇到各 种各样的问题，需要善于分析、解决，排除各种干扰，提高数据 采集的准确性。 2929 隔离方法举例 l电磁隔离： 交流电 l光电隔离： 数字量 l隔离放大器： 模拟量 30