第二章过程通道与数据采集系统

1、第二章过程通道与数据采集系统1 内容与要求内容与要求 重点掌握：过程通道的组成、采样信号与数字信重点掌握：过程通道的组成、采样信号与数字信 号、采样定理、零阶保持器的特性、采样号、采样定理、零阶保持器的特性、采样/ /保持器保持器 与与A/DA/D转换的工作流程。转换的工作流程。 一般掌握：一般掌握：D/AD/A转换器的工作原理及指标，转换器的工作原理及指标，A/DA/D转转 换器的分类、原理及特点，数据采集系统的一般组换器的分类、原理及特点，数据采集系统的一般组 成及工作原理。成及工作原理。 了解内容：了解内容：DAC0832DAC0832与与ADC0809ADC0809芯片的功能，与计芯片

2、的功能，与计 算机的接口电路设计及软件编程。算机的接口电路设计及软件编程。 第二章第二章 过程通道与数据采集系统过程通道与数据采集系统 内内 容容 2.1 概述概述 2.2 信号的采集与恢复信号的采集与恢复 2.3 D/A转换器及接口转换器及接口 2.4 A/D转换器及接口转换器及接口 2.5 计算机数据采集系统计算机数据采集系统 第二章过程通道与数据采集系统3 过程通道实现计算机与生产过程间的信息传递过程通道实现计算机与生产过程间的信息传递 输入通道（模拟量输入、数字量输入、脉冲信号）输入通道（模拟量输入、数字量输入、脉冲信号） 输出通道（模拟量输出、数字量输出）输出通道（模拟量输出、数字量

3、输出） 2.1 2.1 概述概述 模拟量输入模拟量输入 能转换成模拟电信号的量能转换成模拟电信号的量 数字量输入数字量输入 开关状态（开关状态（1或或0） 脉冲量输入脉冲量输入 脉冲形式输入信号脉冲形式输入信号 模拟量输出模拟量输出 执行装置、显示、记录执行装置、显示、记录 数字量输出数字量输出 执行器（通执行器（通/断）、报警断）、报警 第二章过程通道与数据采集系统4 2.1 2.1 概述概述 通常测量元件、执行元件和被控对象是模拟元件，通常测量元件、执行元件和被控对象是模拟元件， 其输入、输出信号是模拟信号。其输入、输出信号是模拟信号。 计算机中只能处理数字信号。计算机中只能处理数字信号。

4、 为了使两种信号在系统中能相互传递，在连续信为了使两种信号在系统中能相互传递，在连续信 号与数字信号之间需要采样、量化与编码，在脉号与数字信号之间需要采样、量化与编码，在脉 冲序列和连续信号间要用保持器。冲序列和连续信号间要用保持器。 采样器与保持器，是采样控制系统的两个特殊环采样器与保持器，是采样控制系统的两个特殊环 节。节。 第二章过程通道与数据采集系统5 信号信号 调理调理 传感器传感器 (温度、压温度、压 力）力） 采样采样/ 保持器保持器 A/D 计算机计算机 输出设备输出设备 D/A 执行器执行器 输入设备输入设备 计算机进行各种数字处计算机进行各种数字处 理（如滤波、控制算理（如

5、滤波、控制算 法）、保存、打印等法）、保存、打印等 控制对象控制对象 典型的计算机控制（采集）系统典型的计算机控制（采集）系统 第二章过程通道与数据采集系统6 2.2 信号的采集与恢复信号的采集与恢复 1.典型的计算机控制系统的结构如下图所示典型的计算机控制系统的结构如下图所示 r(t) A/ D 转 换 数字控 制器 (计算机) y(t)u(t) u*(t) u(kT)e(kT) D/ A 转 换 保 持 器 被控 对象 采 样 器 e*(t) e(t) 计算机控制系统结构框图计算机控制系统结构框图 2.2.0 2.2.0 概述概述 第二章过程通道与数据采集系统7 2. 简化结构框图：简化结

6、构框图： 采样器、保持器和数字控制器采样器、保持器和数字控制器 的结构形式和控制规律决定系统动态特性，是研究的结构形式和控制规律决定系统动态特性，是研究 的主要对象。控制系统的稳态控制精度由的主要对象。控制系统的稳态控制精度由A/D、 D/A转换器的分辨率决定。这说明转换器的分辨率决定。这说明A/D和和D/A转换转换 器只影响系统稳态控制精度。不影响动态指标。器只影响系统稳态控制精度。不影响动态指标。 为了突出重点，只讨论影响系统动态特性的为了突出重点，只讨论影响系统动态特性的 基本问题。为了便于数学上分析和综合，在分析和基本问题。为了便于数学上分析和综合，在分析和 设计计算机控制系统时，常常

7、假定设计计算机控制系统时，常常假定A/D、D/A转换转换 器的精度足够高，使得量化误差可以忽略，于是器的精度足够高，使得量化误差可以忽略，于是 A/D、D/A只存在物理上意义而无数学上意义。即：只存在物理上意义而无数学上意义。即： 数字信号与采样信号数字信号与采样信号e(kT)与与e*(t)，u(kT)与与u*(t)是是 等价的。上图可进一步简化为如下页图所示。等价的。上图可进一步简化为如下页图所示。 第二章过程通道与数据采集系统8 数字控制 器 (计算机) y(t)u(t) u*(t)u(kT) e(kT) r(t) 保 持 器 被控 对象 e*(t) e(t) T T 计算机控制系统结构简

8、化框图计算机控制系统结构简化框图 第二章过程通道与数据采集系统9 2.2.1 信号的采样过程信号的采样过程 1.采样过程及采样开关：采样过程及采样开关： （1） 在计算机控制系统中，信号是以脉冲序列或在计算机控制系统中，信号是以脉冲序列或 数字序列的方式传递的，把连续信号变成数字序列数字序列的方式传递的，把连续信号变成数字序列 的过程叫做采样过程；实现采样的装置叫采样开关。的过程叫做采样过程；实现采样的装置叫采样开关。 采样过程的原理下图所示，其中采样开关为理采样过程的原理下图所示，其中采样开关为理 想的采样开关，它从闭合到断开以及从断开到闭合想的采样开关，它从闭合到断开以及从断开到闭合 的时

9、间均为零。采样开关平时处于断开状态，其输的时间均为零。采样开关平时处于断开状态，其输 入为连续信号入为连续信号f(t)，在采样开关的输出端得到采样，在采样开关的输出端得到采样 信号信号f *(t)。 定时器控制的采样开关定时器控制的采样开关 第二章过程通道与数据采集系统10 t f(t) 0 T 2T 3T 4T 5T t f *(t) 0 T 2T 3T 4T 5T (b) 连续信号连续信号 (c) 采样信号采样信号 信号的采样过程信号的采样过程 f *(t)f (t) T (a) 采样开关采样开关 第二章过程通道与数据采集系统11 2.2.函数函数 第二章过程通道与数据采集系统12 第二章

10、过程通道与数据采集系统13 3.3.采样信号的脉冲序列标示采样信号的脉冲序列标示 第二章过程通道与数据采集系统14 第二章过程通道与数据采集系统15 第二章过程通道与数据采集系统16 2.2.2 采样定理采样定理 计算机控制系统是利用离散的信号进行控制计算机控制系统是利用离散的信号进行控制 运算，这就带来一个问题：采用离散信号能否实运算，这就带来一个问题：采用离散信号能否实 施有效的控制，或者连续信号所含的信息能否由施有效的控制，或者连续信号所含的信息能否由 离散信号表示，或者从离散信号能否一定能代表离散信号表示，或者从离散信号能否一定能代表 原来的连续信号。原来的连续信号。 例如：有两个不同

11、的连续信号例如：有两个不同的连续信号f1(t)和和f2(t)， 假设选择采样周期都为假设选择采样周期都为T，如下图所示，从图中，如下图所示，从图中 可以可以看出，看出，f1(t)和和f2(t)具有相同的采样信号具有相同的采样信号f *(t)， 这说明这说明f *(t)未必能完全反映或近似的反映连续信未必能完全反映或近似的反映连续信 号。号。 第二章过程通道与数据采集系统17 t f(t) f *(t) f2(t) f1(t) 0 T 2T 3T 两个不同的连续信号具有相同采样信号的采样过程两个不同的连续信号具有相同采样信号的采样过程 第二章过程通道与数据采集系统18 1香农香农(Shannon

12、)采样定理采样定理 一个连续时间信号一个连续时间信号f(t)，设其频带宽度是有限的，设其频带宽度是有限的， 其最高频率为其最高频率为max(或或fmax)，如果在等间隔点上对该，如果在等间隔点上对该 信号信号f(t)进行连续采样，为了使采样后的离散信号进行连续采样，为了使采样后的离散信号f *(t)能包含原信号能包含原信号f(t)的全部信息量。则采样角频率的全部信息量。则采样角频率 只有满足下面的关系：只有满足下面的关系： s2max 采样后的离散信号采样后的离散信号f *(t)才能够无失真地复现才能够无失真地复现f(t)。否。否 则不能从则不能从f *(t)中恢复中恢复f(t)。其中，。其中

13、，max是最高角频率，是最高角频率， s是采样角频率。是采样角频率。 T f ss 2 2 第二章过程通道与数据采集系统19 设连续信号设连续信号f(t)的傅里叶变换为的傅里叶变换为F(j)，且其最高，且其最高 频率为频率为max，采样周期为，采样周期为T，则，则T(t)的傅里叶级数为：的傅里叶级数为： tjk k tjk k nT ss e T eCt 1 )( tjk k s etf T tf )( 1 )( * 将将s=j代入上式，得到代入上式，得到f*(t)的傅里叶变换为：的傅里叶变换为： 由由f*(t)=f(t)T(t)，则，则f*(t)为：为： k s jksF T sF)( 1

14、)( * 采样信号采样信号f*(t)的拉式变换为：的拉式变换为： 第二章过程通道与数据采集系统20 F*(j)称为采样函数称为采样函数f*(t)频谱函数。频谱函数。频谱函数的模频谱函数的模 |F*(j)|称为称为f*(t)的振幅频谱，简称为频谱。的振幅频谱，简称为频谱。F (j) 为连续函数为连续函数f(t)的频谱函数。的频谱函数。 k s jkjF T jF)( 1 )( * 可以看出可以看出F*(j)是由一系列是由一系列F (j+ jks)/T组成，组成， 当当k=0时，时， F*(j)的主频谱分量为的主频谱分量为F (j)/T 。由此可由此可 见，见， F F*(j)与与F F ( (j

15、j) )形状相同，幅值为形状相同，幅值为F (j)的的1/T ，最高频率也是，最高频率也是max。 当当k00时，各周期项为主频谱的镜像频谱，形状时，各周期项为主频谱的镜像频谱，形状 与主频谱相同。与主频谱相同。 第二章过程通道与数据采集系统21 连续函数连续函数f(t)及其频谱及其频谱|F(j)| 如果如果s2max，镜象频谱与主频谱分离，如下图。，镜象频谱与主频谱分离，如下图。 此时，可以采用一个低通滤波器，将采样信号频谱中此时，可以采用一个低通滤波器，将采样信号频谱中 的镜象频谱滤除，来恢复原连续信号。的镜象频谱滤除，来恢复原连续信号。 第二章过程通道与数据采集系统22 如果如果s2ma

16、x，镜象频谱与主频谱混叠，如下图。，镜象频谱与主频谱混叠，如下图。 此时，采用低通滤波器的方法恢复的信号中仍混有镜此时，采用低通滤波器的方法恢复的信号中仍混有镜 象频谱成分，不能恢复成为原连续信号。象频谱成分，不能恢复成为原连续信号。 第二章过程通道与数据采集系统23 在计算机控制系统中的执行机构和控制对象的在计算机控制系统中的执行机构和控制对象的 输入信号一般为连续信号，这就必须将计算机输出输入信号一般为连续信号，这就必须将计算机输出 的数字信号序列还原成连续信号，这就是信号的恢的数字信号序列还原成连续信号，这就是信号的恢 复过程。复过程。 由于采样信号在两个采样点时刻上才有值，由于采样信号

17、在两个采样点时刻上才有值， 而在两个采样点之间无值，为了使得两个采样点之而在两个采样点之间无值，为了使得两个采样点之 间为连续信号过渡，以前一时刻的采样值为参考基间为连续信号过渡，以前一时刻的采样值为参考基 值作外推，使得两个采样点之间的值不为零值，这值作外推，使得两个采样点之间的值不为零值，这 样来近似连续信号。将数字信号序列恢复成连续信样来近似连续信号。将数字信号序列恢复成连续信 号的装置叫采样保持器。号的装置叫采样保持器。 2.2.3 信息的恢复过程和零阶保持器信息的恢复过程和零阶保持器 第二章过程通道与数据采集系统24 已知某一采样点的采样值为已知某一采样点的采样值为f(kT)，将其连

18、续信号，将其连续信号 f(t)在该点邻域展开成泰勒级数为：在该点邻域展开成泰勒级数为： 外推的项数称为保持器的阶数。外推的项数称为保持器的阶数。 取等式右端第一项近似，有取等式右端第一项近似，有 f(t) f(kT) kTt(k+1)T 称零阶保持器，表示为称零阶保持器，表示为ZOH。 取等式右端两项之和近似，有取等式右端两项之和近似，有 2 )( ! 2 1 )()()(kTtkTfkTtkTfkTftf kTt )( ) 1()( )()()()(kTt T TkfkTf kTfkTtkTfkTftf 第二章过程通道与数据采集系统25 kTt(k+1)T 称一阶保持器。称一阶保持器。 同样

19、，可以取等式前同样，可以取等式前n项之和近似，就构成了项之和近似，就构成了n阶阶 保持器保持器 在计算机控制系统中，最广泛采用的一类保持器在计算机控制系统中，最广泛采用的一类保持器 是零阶保持器。零阶保持器将前一个采样时刻的采样是零阶保持器。零阶保持器将前一个采样时刻的采样 值值f(kT)恒定地保持到下一个采样时刻恒定地保持到下一个采样时刻(k+1)T。也就是。也就是 说在区间说在区间 kT，(k+1)T 内零价保持器的输出为常数。内零价保持器的输出为常数。 f(kT) t f(t) f(t) t 第二章过程通道与数据采集系统26 零阶保持器的时域方程为：零阶保持器的时域方程为： ( )1(

20、) 1()h tttT ( )(),(1)f tf kTkTtkT 零阶保持器的脉冲过渡函：零阶保持器的脉冲过渡函： 零阶保持器的传递函数：零阶保持器的传递函数： 1 ( ) ( ) Ts h e G sL h t s 第二章过程通道与数据采集系统27 其频率特性为：其频率特性为： /2 1sin(/2) () /2 j T j T h eT GjTe jT 其幅频特性为：其幅频特性为： sin(/2) () /2 h T G jT T 其相频特性为：其相频特性为： /2 sin(/2) () /2 sin 22 j T h T GjTe T TT 第二章过程通道与数据采集系统28 零阶保持器

21、幅频、相频特性如图所示。从图中零阶保持器幅频、相频特性如图所示。从图中 可以看出，零阶保持器是一个低通滤波器，但不是可以看出，零阶保持器是一个低通滤波器，但不是 一个理想低通滤波器，高频信号通过零阶保持器不一个理想低通滤波器，高频信号通过零阶保持器不 能完全消除，同时产生相位滞后。能完全消除，同时产生相位滞后。 2 S T sinsin 2 s T 由于由于 所以所以 故故 ss h TT jG sin 22 sin)( 第二章过程通道与数据采集系统29 Ideal Actual 低通特性低通特性 相角滞后特性相角滞后特性 第二章过程通道与数据采集系统30 第二章过程通道与数据采集系统31 采

22、样采样/保持器保持器 采样采样/ 保持器保持器 A/D 转换器转换器 u1u2模拟模拟 输入输入 数字数字 输出输出 A/D转换转换 命令命令 采样采样/保持器的功能：保持器的功能： 在在A/D转换期间，使转换期间，使A/D 的输入电压的输入电压u2保持不变。保持不变。 第二章过程通道与数据采集系统32 采样采样/保持器电路原理保持器电路原理 C 模拟电子开关模拟电子开关电压跟随器电压跟随器电压跟随器电压跟随器 采样保持电容采样保持电容 输入输入 输出输出 K A/D转换命令转换命令 高电平期间，高电平期间，K合上，合上，C采样采样 低电平期间，低电平期间，K打开，打开，C保持保持 第二章过程

23、通道与数据采集系统33 t 采样采样/保持器输入输出波形图保持器输入输出波形图 A/D转换转换 命令命令 高电平期间高电平期间 u2跟随跟随u1 低电平期间低电平期间u2保持不变，保持不变， 同时同时A/D进行转换进行转换 u1 输入输入 模拟信号模拟信号 u2采样采样/保持器保持器 输出信号输出信号 第二章过程通道与数据采集系统34 采样周期采样周期 采样频率采样频率 A/D转换命令转换命令 T T：采样周期，相邻两次采样之间的时间间隔：采样周期，相邻两次采样之间的时间间隔 单位单位 s，ms， s f=1/T：采样频率，每秒采样的数据个数：采样频率，每秒采样的数据个数 单位单位 Hz，kH

24、z, MHz 第二章过程通道与数据采集系统35 A/D转换器将脉冲下降沿时的转换器将脉冲下降沿时的 模拟电压转换为数字量模拟电压转换为数字量 在计算机屏幕上波形的恢复显示在计算机屏幕上波形的恢复显示 t t1t2t3t4t5t6t7 模拟信号模拟信号 信号幅度信号幅度 时间时间 数字信号数字信号 t1t2t3t4t5t6t7 A/D转转 换命令换命令 计算机计算机 屏幕屏幕 第二章过程通道与数据采集系统36 结论：结论： 因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点组成，所因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点组成，所 以，若将被采样波形恢复显示，必须有足够大的采以，若将被采样波形恢复显示，必须有足够大

25、的采 样率。样率。 t 1ms 1kHz 1 2kHz 2 8kHz 8 16kHz 16 频率为频率为1kHz的正弦波的正弦波 4kHz 4 采样率采样率 每周期采样点数每周期采样点数 在计算机屏幕上波形的恢复显示（续）在计算机屏幕上波形的恢复显示（续） 第二章过程通道与数据采集系统37 D/A功能功能: 将数字量成正比地转换成模拟量将数字量成正比地转换成模拟量 D/A n = 4位位 8位位 10位位 12位位 16位位 n位位 数字量数字量模拟量模拟量 05V或或 010V 2.3.1. D/A转换器功能转换器功能 2.3 D/A 转换器及接口转换器及接口 第二章过程通道与数据采集系统3

26、8 4位数据位数据: 0000 0V 1111 5V 分辨率分辨率: 5V/15=0.333V /每每1个最低有效位个最低有效位 8位数据位数据: 00000000 0V 11111111 5V 分辨率分辨率: 5V/255=0.0196V /每每1个最低有效位个最低有效位 输出电压范围输出电压范围/(2n-1) 第二章过程通道与数据采集系统39 DAC由四部分电路组成：由四部分电路组成： 电阻网络电阻网络 模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器 基准电压源基准电压源 2.3.2 D/A的组成的组成 第二章过程通道与数据采集系统40输入输入4位二进制数位二进制数 输出输出 模拟

27、模拟 电压电压 S0S3: 模拟电子开关模拟电子开关 D=0, S倒向地倒向地 D=1, S倒向倒向VREF 电阻网络电阻网络 求和运算放大器求和运算放大器 VREF 2R2R2R2R2R RRR 2R S0S1 S2S3 精密参精密参 考电压考电压D0D1D2D3 + + - 3R 3R/2 UO 第二章过程通道与数据采集系统41 VREF 2R 2R2R2R2R RR R S0S1 S2S3 D0D1D2D3 2R + + - 3R 3R/2 UO 当当D3D2D1D0=0000时时, S3S2S1S0都倒向地都倒向地 UO=0V 当当D3D2D1D0=0000时时 UO 3R 2R +

28、+ - 3R/2 R 等效电路等效电路 3R 0000 AV= -1 2.3.3 D/A工作原理工作原理 第二章过程通道与数据采集系统42 VREF 2R 2R2R2R2R RRR S0S1 S2S3 D0D1 D2D3 2R + + - 3R 3R/2 UO UO 3R + + - 3R/2 等效电路等效电路 2R2R VREF 2R R VREF/2 UO=-VREF/2 当当D3D2D1D0=1000时时 0001 AV= -1 当当D3D2D1D0=1000时时, S2S1S0都倒向地，都倒向地， S3倒向倒向VREF 第二章过程通道与数据采集系统43 VREF 2R 2R2R2R2R

29、 RR R S0S1 S2S3 D0D1D2D3 2R + + - 3R 3R/2 UO 当当D3D2D1D0=0100时时, S3S1S0都倒向地都倒向地 S2倒向倒向VREF 当当D3D2D1D0=0100时时 UO=-VREF/4 UO 3R + + - 3R/2 等效电路等效电路 2RR VREF 2R 2R 2R 3R VREF/4 0010 AV= -1 第二章过程通道与数据采集系统44 VREF 2R 2R2R2R2R RR R S0S1 S2S3 D0D1D2D3 2R + + - 3R 3R/2 UO 同理可推导，当同理可推导，当D3D2D1D0=0010时，时， UO= V

30、REF/8 当当D3D2D1D0=0001时，时， UO= VREF/16 第二章过程通道与数据采集系统45 D3D2D1D0=1000时，时，UO= VREF/2= D3VREF/21 D3D2D1D0=0100时，时，UO= VREF/4= D2VREF/22 D3D2D1D0=0010时，时，UO= VREF/8= D1VREF/23 D3D2D1D0=0001时，时，UO= VREF/16= D0VREF/24 根据叠加原理根据叠加原理: UO= (D3VREF/21+ D2VREF/22 + D1VREF/23 + D0VREF/24 ) = (D3/21+ D2/22 + D1/2

31、3 + D0/24 ) VREF = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0) 第二章过程通道与数据采集系统46 UO = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0) 此式表明此式表明: D/A电路输出的模拟电压电路输出的模拟电压UO与输入的与输入的 数字量数字量D3D2D1D0成正比成正比 第二章过程通道与数据采集系统47 2.3.4 8位位D/A转换器电路框图转换器电路框图 8 D 锁存器 锁存器 求和电路求和电路 电阻网络电阻网络 电子开关电子开关 UO D7-D0 CP VREF 第二章过程通道与数据采集

32、系统48 2.3.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 分辨率 （8、10、12、14、16） 建立时间 输出端从输出端从0V上升到最大工作电压（上升到最大工作电压（1/2LSB） 经历的时间经历的时间 。 一般为几十几微秒。一般为几十几微秒。 第二章过程通道与数据采集系统49 输入编码 二进制（补码、偏移二进制、数值码）二进制（补码、偏移二进制、数值码） BCD （Binary-Coded Decimal） 00001001 输出电平 输出电压变化范围及极性（输出电压变化范围及极性（V）。）。 （05V、010V、 5V、 10V） D/A转换器的主要技术指标（续）转换器的主要

33、技术指标（续） 第二章过程通道与数据采集系统50 2.3.6 DAC0832 1）功能框图（）功能框图（8位，位，DIP20） ILE: 地址锁存允许地址锁存允许 XFER：数据传送信号：数据传送信号 CS：片选：片选 WR：写信号：写信号 Iout1：电流随输入变化：电流随输入变化 双锁存结构，三种工作模式双锁存结构，三种工作模式 电流输出型电流输出型 内部无基准电压源内部无基准电压源 第二章过程通道与数据采集系统51 2）单极性与双极性输出）单极性与双极性输出 IN VO 00 0V 80h 2.5V FFh 4.98V IN V02 00 -5V 80h 0V FFh 4.96V 第二章

34、过程通道与数据采集系统52 3）与）与 CPU的连接（单缓冲方式）的连接（单缓冲方式） 4200H 第二章过程通道与数据采集系统53 4）与）与 CPU的连接（双缓冲同步方式）的连接（双缓冲同步方式） 写操作（三次）写操作（三次） 1. CS1、IOW 2. CS2、IOW 3. XFER、IOW 第二章过程通道与数据采集系统54 2.4 A/D转换器及接口转换器及接口 (1)A/D功能功能: 将模拟电压成正比地转换成数字量将模拟电压成正比地转换成数字量 A/D UI 输入模拟电压输入模拟电压 D7D0 输出数字量输出数字量 0 5V 分辨率分辨率:5V/255=0.0196V/ 每每1个最低

35、有效位个最低有效位 1. A/D功能、组成及分类功能、组成及分类 第二章过程通道与数据采集系统55 （2）A/D转换器的内部组成转换器的内部组成 A/D 电路电路 模拟模拟 输入输入 三态门三态门 数字数字 输出输出 寄存器寄存器 精密稳精密稳 压电源压电源 电源电源 计算机读计算机读 取命令取命令 时序控时序控 制电路制电路 A/D转换命令转换命令 （来自计算机）（来自计算机） 转换完成信号转换完成信号 （由计算机检测或（由计算机检测或 申请计算机中断）申请计算机中断） A/D转换器转换器 第二章过程通道与数据采集系统56 (3) A/D(3) A/D转换器分类转换器分类 并联比较型并联比较

36、型 特点特点: 转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点: 转换速度中转换速度中,转换时间转换时间 几几 s 100 s 双积分型双积分型 特点特点: 转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms 根据内部电路不同根据内部电路不同,分为以下三类分为以下三类: 第二章过程通道与数据采集系统57 2. 并联比较型并联比较型A/D转换器（三位）原理转换器（三位）原理 D Q D Q D Q D Q D Q D Q D Q 7VR/8 6VR/8 5VR/8 4VR/8 3VR/8 2VR/8 VR/8 VR R R R R R R R

37、 R UI UI 6VR/8时，输出时，输出=1 UI 7VR/8时，输出时，输出=1 UI 7VR/8时，输出时，输出=0 UI 6VR/8时，输出时，输出=0 电压比较器电压比较器D锁存器锁存器 编编 码码 器器 QB QA QG QF QE QC QD D2 D1 D0 输入模拟电压输入模拟电压精密参精密参 考电压考电压 精密电阻网络（精密电阻网络（23个电阻）个电阻） 输出数字量输出数字量 CP UI VR/8时，输出时，输出=1 UI VR/8时，输出时，输出=0 第二章过程通道与数据采集系统58 并联比较型并联比较型A/D转换器中的编码器真值表转换器中的编码器真值表 UI QA Q

38、B QC QD QE QF QG D2 D1 D0 6VR/8 UI 5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VR/8 UI 2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2VR/8 UI VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 VR/8 UI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特点：

39、分辨率低、转换速度极高特点：分辨率低、转换速度极高 第二章过程通道与数据采集系统59 3. 3. 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器（转换器（8 8位）位） 组成：组成： 1. SAR1. SAR 2. D/A2. D/A 3. 3. 比较器比较器 4. 4. 控制电路控制电路 第二章过程通道与数据采集系统60 二分搜索法 特点：分辨率高、转换速度较高。特点：分辨率高、转换速度较高。 第二章过程通道与数据采集系统61 4. 4. 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 特点：抗干扰和噪声的能力强，但转换速度慢。特点：抗干扰和噪声的能力强，但转换速度慢。 t 积分输出 T T1 0 T2

40、固定积分时间 与输入电压成正比 双积分式A/D转换器原理 充电充电 放电放电 第二章过程通道与数据采集系统62 第二章过程通道与数据采集系统63 5. A/D5. A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 分辨率分辨率 （4 4、6 6、8 8、1010、1212、1414、1616） 转换时间转换时间 精度精度 （绝对精度，相对精度）（绝对精度，相对精度） 输出编码（二进制、输出编码（二进制、BCD BCD ） 输入信号输入信号 （单（单/ /双极性、量程）双极性、量程） 工作温度范围工作温度范围 （商用级：（商用级：0 07070；工业级：；工业级：454580 80 ，军用级：，军用级： 5555125 125 ） 第二章过程通道与数据采集系统64 6. 6. 多路多路A/DA/D转换器转换器 ADC0809ADC0809 1. 单片八通道单片八通道 2. 转换时间转换时间100us 3. 外接基准源外接基准源 第二章过程通道与数据采集系统65 7.A/D7.A/D转换器与计算机的接口转换器与计算机的接口 A