数显-2数字显示仪表教材课件

第二章数字式显示仪表§2.1数字式显示仪表的构成及主要性能指标§2.2信号的采样与量化§2.3数字/模拟转换技术§2.4模拟/数字转换技术§2.5集成A/D转换器1§2.1数字式显示仪表的构成及主要性能指标一、数字式显示仪表的基本知识2①准确度高②分辨力高③无主观读数误差④测量速度快⑤能以数码形式输出结果⑥线路简单、可靠性好，耐震性强⑦制造、调试和维修简单(一)数字仪表的主要特点3（二）数字显示仪表的原理

数字式显示仪表是能将被测的连续电量(模拟量)自动地变成断续量,然后进行数字编码,并将测量结果以数字显示的检测仪表。A/D变换器电子计数器显示器模拟量数字量读出图2.1数字式显示仪表方框图4(三)数字显示仪表的基本构成5（1）按输入信号的形式分类：可分为电压型和频率型两类。（2）按被测信号的点数分类：可分为单点和多点两种。（3）按采样速率分类：可分为低速型、中速型、高速型数字显示仪表。（4）按电路中的主要元器件分类：电子管式、晶体管式、集成电路式和带微处理器式数字显示仪表等。(四)数字显示仪表的分类6二、数字仪表的主要技术指标（一）显示位数以十进制显示被测变量值的位数称为显示位数。能够显示“0～9”的数字位称为“满位”；仅显示1或不显示的数字位，称为“半位”或“1/2位”。工业用数字温度显示仪表的显示位数常为（3+1/2）位，可显示－1999～1999。7（二）仪表的量程

仪表标称范围的上、下限之差的模，称为仪表的量程。量程有效范围上限值为满度值。例如XMZ－101数字式温度仪表，测量范围30～180℃，其量程为150℃，满度值为180℃。8（三）准确度△=±a％×读数值±n字或

△=±a％×读数值±b％

×仪表量程△为数字显示仪表的绝对误差

与被测量大小有关的相对项与被测量无关的固定项误差a为误差的相对项系数b为误差的固定项系数n个字为仪表末位数的单位值的n倍9（四）分辨力和分辨率

数字仪表的分辨力是指末位数字改变一个字所对应的被测变量的最小变化值，它表示了仪表能够检测到的被测量最小变化的能力。

分辨率是仪表显示的最小数值与最大数值之比。

分辨力是分辨率与满度量程的乘积。10（五）输入阻抗

数字式显示仪表是一种高输入阻抗的仪表，输入阻抗可达1012Ω。（六）抗干扰能力

数字式显示仪表一般用串模干扰抑制比和共模干扰抑制比来表征抗干扰能力大小。单位是分贝，一般直流电压型数显仪表的串模干扰抑制比为20～60dB，共模干扰抑制比为120～160dB。11串模干扰抑制比串模干扰(SeriesModeinterference)

所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。

串模干扰抑制比12共模干扰抑制比共模干扰(CommonModeinterference)

是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。共模干扰抑制比13、工业自动化对数字仪表的特殊要求

应用于工业自动化中的数字仪表必须具有自身的特殊性能。有以下几方面：①工业自动化仪表的检测参数通常是以温度、压力、流量、物位等为主，这些物理量都是随时间连续变化的非电量。通过各种变送器或A/D，D/A把非电量转换成统一的标准电信号。14②各种传感器输出的电信号往往与被测参数之间呈现出非线性特性，而模－数转换器一般是线性的。因此，在用数字形式显示被测参数时，必须考虑非线性校正问题，以保证测量准确度。15③工业用仪表区别于实验室仪表的一个重要方面，是要考虑生产现场的各种恶劣条件，要有较强的抗各种干扰的能力。因此，在设计、制造这类数字仪表时，必须对仪表使用现场的环境条件进行调查，制订出相应的抗干扰措施，保证仪表具有良好的环境适应性。16④必须考虑标度变换问题，使仪表显示值的单位与被测原始物理量统一起来。⑤由于现代化生产的自动化程度越来越高，要求仪表能对多种参数进行连续测量、自动报警（越限、故障）及自动打印记录等。同时，为了对生产过程实现综合控制与管理，往往将仪表的测量值送入计算机进行运算和存储，以便按给定的规律对参量进行控制。所以要求数字仪表具有数码输出及数据通信功能。17模拟信号：幅值,时间均连续。离散模拟信号:

幅值连续,时间离散。数字信号:

幅值,时间均离散。采样：以一定的时间间隔将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。量化：用一组编码（二进制）去逼进离散模拟信号的幅值,将其变成数字信号的过程。一、采样过程§2.2信号的采样与量化18二、采样定理19

为了使采样输出信号u*（t）能精确地复现原输入模拟信号ui（t），对于一个频率有限的模拟信号来说，采样周期Ts必须满足：

式中fmax——输入模拟信号的最高频率分量二、采样定理采样频率一般选为20三、采样与保持模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。电容C为保持电容，运算放大器A1,A2为跟随器①在采样脉冲S(t)到来的时间τ内，s为高电平，模拟开关接通，UI(t)向电容C充电，，则有：UO(t)＝Uc(t)＝UI(t)。－－采样②采样结束，模拟开关断开，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。－－保持21三、采样与保持7接地,8接大于1.4V电压时，LF398采样。8接低电平时LF398保持。22在tg期间Uo保持不变，此时电路对Uo进行量化-编码。量化：将采样保持信号Uo按指定要求划分成最小量化单位s

的整数倍。编码：就是把量化的数值用二进制代码表示，即ADC的输出。由于数字量位数有限，一个k位二进制码只能代表2k个数值，则只能接近某个量化电平值。两种量化方法：只舍不入法，有舍有入法。四、量化与编码23四、量化与编码只舍不入有舍有入0s≤UA<1s时，UA量化值取0s1s≤

UA<2s时，UA量化值取1s0s≤UA<0.5s时，UA量化值取0s0.5s≤

UA<1.5s时，UA量化值取1s最大量化误差为?S/2即1/15V1/82/83/84/85/86/87/80vI/Vt11/82/83/84/85/86/87/80vI/Vt11/153/155/157/159/1511/1513/151S=1/8V最大量化误差为?24能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。§2.3数字－模拟转换技术25压力,温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的模拟信号由DAC转换成模拟量信号的电压和或电流数字计算机工业控制系统示意图由计算机依次选通，进入ADC转换成数字量信号经过计算机数据处理，输出为数字量计算机选择某一执行机构，去调节控制对象。26一、基本D/A转换器

D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。27二、DAC的基本原理

DAC将每一位代码按其权的数值转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，得到总模拟量便是和数字量成正比的模拟量，这样就完成了D/A转换。数码缓冲寄存器n位数控模拟开关解码网络n位数字量输入模拟量输出求和电路参考电压n位D/A转换器方框图281.权电阻网络D/A转换器

权电阻网络DAC原理图三、D/A转换器的主要电路形式权电阻双向模拟开关数字量输入模拟量输出权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器基准电源电阻解码网络基准电源模拟开关运算放大器组成29集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。原理分析：开关Si的位置受数据锁存器输出的数码di控制：当di=1时，Si将对应的权电阻接到参考电压UREF上；当di=0时，Si将对应的权电阻接地。虚短30虚断运算放大器总的输入电流为运算放大器输出电压为令RF=R/2，则即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。31

DAC输出电压u0与输入数字量N之间关系k位二进制数32例2.1在5位DAC中，已知λ=0.2V，当输入为11100时，u0为多少？

DAC输出电压u0与输入数字量N之间关系332.倒T型电阻网络D/A转换器数字量输入模拟量输出电阻解码网络中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻2R总是与地相连。这样，倒T型网络的各节点向上看和向右看的等效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R。求和点倒T型电阻网络D/A转换器原理图34参考电压UREF供出的总电流为：分流：流入求和点的各支路电流为：35数模转换器流入求和点的电流为：虚断，运算放大器的输出电压为：36倒T型电阻网络D/A转换器的特点：

①优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。②应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。数模转换器令RF=R，则即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。37例已知4位倒T型DAC，输入数字量为1101，UREF=-8V，Rf=R，则输出模拟量UO=?解：38数模转换器1.DAC0832结构框图四、8位集成DAC08328位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFB它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器、一个8位D/A转换器和选通控制逻辑四大部分组成，D/A转换器采用了倒T型R-2R电阻网络。LE＝1，跟随＝0，锁存数字量输入控制信号输入模拟信号输出电源392.DAC0832引脚功能

DI7～DI0：8位输入数据信号。IOUT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大（满量程输出）；为全0时，IOUT1为0。IOUT2：DAC输出电流2。满足IOUT1+IOUT2＝满量程输出电流。ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。

CS：片选信号，低电平有效。WR1：输入数据写选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）XFER：数据传送选通信号，低电平有效。

WR2：D/A寄存器的写选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）40DGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。AGND：模拟地，是放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。

UREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。UREF可在-10V至+10V范围内选择。UCC：电源输入端（一般取+5V～+15V）。

Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了Rfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。413.DAC0832的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器：LE＝1，直通（输出等于输入）

LE＝0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout142直通方式LE1＝LE2＝1输入的数字数据直接进入D/A转换器。LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout143单缓冲方式LE1＝1，或者LE2＝1两个寄存器之一始终处于直通状态；另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）。LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout144双缓冲方式LE1＝0，并且LE2＝0两个寄存器都处于受控（缓冲）状态；能够对一个数据进行D/A转换的同时，输入下一个要转换的数据，可以有效地提高转换速度。

LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout145双极性实用电路4.DAC0832的双极性电路46五、DAC的主要参数（一）静态参数1．分辨率

分辨率是指输入数字量发生单位数码变化时，所对应输出模拟量（电压或电流）的变化值。表示方法：(1)用输入二进制数的位数表示：(2)用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。该比值显然等于：例如，8位二进制D／A转换器，其分辨率为8位。分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。472．转换精度输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。3.失调（零点）误差是指数字输入全为“0”码时，模拟输出值与理论输出值之偏差。4.满值（增益）误差

是指数字输入全为“1”码时，模拟输出值与理论输出值之偏差。（一）静态参数48有时也称为非线性误差（线性度）。它表示实际的D/A转换特性和理想转换特性之间的最大偏差。表示方法：（1）最低有效位的倍数。如：1LSB。（2）输出电压满刻度FSR(FullScaleRange)的百分数。如：0.1％FSR。5.转换误差：（一）静态参数49（二）动态参数用完成一次转换所需的时间——建立时间tset——来衡量。建立时间：从输入信号变化开始到输出电压进入与稳态值相差1/2LSB范围以内的时间。50

A/D转换是将连续变化的模拟量转换为断续的数字量。转换过程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。采样保持量化编码UiDO模拟量输入数字量输出§2.4模拟－数字转换技术一、模数转换器的工作原理51二、模数转换器的分类间接法直接法并行比较器反馈型计数型逐次逼近型电压时间变换型（双积分型）电压频率变换型52123456785＞L＞

4量化为4尺子物体同时与各个刻度比较三、并行比较型A／D转换器53用电阻分压形成7个标准电压三、并行比较型A／D转换器刻度是什么？是一系列的标准电压如何实现？54模拟信号比较器被量物体？模拟输入电压Vi如何比较？当V+大于V-时，VO输出高电平；当V+小于V-时，VO输出低电平。三、并行比较型A／D转换器55如何同时比较？每个电压刻度使用一个比较器。Vi=4.32VVi=3.28V1111111711101111116110001111151010001111410000001113011000001120100000001100100000000000

三、并行比较型A／D转换器编码器d2d1d0寄存器d2d1d056电压比较器

U+≥U-时，Ci＝1；

U+＜U-时，Ci＝0。

三、并行比较型A／D转换器编码逻辑图编码器逻辑表达式：57真值表1输入模拟电压比较器输出数字量输出（编码器输入）（编码器输出）CCCCCCC7654321ddd210uA8~()8)(8~8)(8~8)(8~8)(8~8)(8~8)(8~8)(~102233445566771UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：uA＝5.2V，UREF＝8V。5V～6V则数字量输出d2d1d0＝101。三、并行比较型A／D转换器58①优点：转换速度很快，又称高速A/D转换器。含有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。②缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需２n-1个电压比较器和2n-1个触发器，编码电路也随n的增大变得相当复杂。该电路一般用于n≤4的情况。因此，这种转换器适用于高速，精度较低的场合。并行比较型A/D转换器的特点：三、并行比较型A／D转换器59保留的砝码为128g+16g+4g+1g=149g相当于转换的数码为D7~D0=10010101逐次逼近型A/D转换器它是将模拟电压与基准电压相比较而得到数字输出的一种转换方式。用一个可调的参考电压作为基准与输入电压进行比较，当两者平衡时，得到测量值。四、逐次逼近型A/D转换器14916128重物砝码14（一）转换原理2724222060四、逐次逼近型A／D转换器（二）组成框图61①启动脉冲后，锁存器和SAR清“0”；CP开始工作。②开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为10000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压UOA=UR/2，送到比较器中与UA进行比较。若UOA≤UA，C=1，留码；若UOA

>

UA

，C=0，去码。③然后，按同样的方法将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。再比较时SAR溢出，EOC=1，说明转换结束，此时SAR中的状态就是所要求的数字量输出。（三）逐次逼近型A/D转换器的工作过程四、逐次逼近型A/D转换器设n=562例2.2：一逐次逼近型A/D转换器，已知UR=-1V,UA=0.85V,锁存器输出n=5位，求D=d4d3d2d1d0=?四、逐次逼近型A/D转换器D=d4d3d2d1d0=1101163例1、一个8位逐次比较型ADC，设VREF=-10V，如输入的模拟电压为vI=8.56V，试说明转换过程并计算出转换结果。CPd7d6d5d4d3d2d1d0vO比较结果处理1234100000001100000011100000110100005V7.5V8.75V8.125VvI＞vOvI

＞vO(d7)1保留(d6)1保留(d5)1不保留(d4)1保留vI＞vOvI<vO5678110110001101110011011010110110118.4375V8.59375V8.515625V8.5546875VvI＞vOvI

>vO(d3)1保留(d2)1不保留(d1)1保留(d0)1保留vI<vOvI>vO转换结果为1101101164（一）基本原理

先将输入模拟电压通过两次积分转换为与其平均值成正比的时间间隔，然后用固定时钟脉冲和计数器，测量这一时间间隔，再把时间间隔变换成数字量。五、双积分型A／D转换器65计数器+-++-+&

1、积分器：由运放和RC积分网络组成。输入端接开关S,开关S受触发器Qn控制。S★开关S接输入信号Ui，积分器对输入信号Ui进行积分。★开关S接基准电压UREF，UREF=－

UR，积分器对－UR进行积分。

积分器进行两次反相积分，积分的结果UB送入过零比较器。（二）结构框图清零积分器定时触发器过零比较器UA66+-++-+&2、过零比较器★当积分器输出UB>0时，UC=0封锁与门，CP不能加给计数器。★当积分器输出UB≤0时，UC=1与门开放，CP加到计数器，计数器开始计数。3、计数器4、定时器FF0~FFn-1为N=2n典型异步加法计数器。CP接前级输出。FFn为定时触发器。UAS>0=0=1反相输入大于基准输出为0过零比较器计数器定时触发器67在清零信号/RD的作用下，所有触发器置0,Qn=0,开关S接输入Ui,积分器对输入进行积分。n位计数器开始计数。当计数器计到2n+1个脉冲Qn由0→1、控制开关S接－UR，积分器对基准电压进行二次积分。计数器又从0开始计数。QnQn-1┅Q1Q000┅0000┅01┇┇┅┇┇01┅1110┅0010┅01┇┇┅┇┇11111n级计数器定时器S接UiS接UREF=-UR（三）工作过程68采样阶段1、采样阶段：★在启动脉冲的作用下，全部触发器置0，由于Qn=0,开关S接Ui，积分器对Ui进行积分，积分输出为：★由于UB<0，零值比较器输出UC=1,CP通过与门加到计数器，n位二进制计数器从0开始计数，一直计到2n个脉冲后：TCP:标准时钟周期★n位计数器又全部返回到0，定时触发器Qn由0→1，使开关S接基准电压UREF，UREF=-UR，采样结束。★采样结束t1时的积分电压为：采样结束时：积分器输出电压UB和输入模拟电压Ui成正比关系。Ui-UR692、比较阶段：★由于采样结束时：Qn=1，开关S接－UR，积分器对-UR进行积分。（积分器负向积分）积分电压为：★当UB积分电压逐步上升至：UB≥0，过零比较器UC=0，与门封锁，计数器停止计数。★假设二次积分时，计数器记录了N1个脉冲：★二次积分结束时，UB=0,代入(1)：可见N1个脉冲和Ui成正比，N1所对应的二进制码即为数字量输出，这样通过二次积分实现了对输入信号的A/D转换。比较阶段采样阶段Ui-UR(1)70例1、某双积分A/D转换器中计数器由四片十进制集成计数器组成，它的最大计数容量D=(5000)10。计数脉冲的频率fcp=25KHz，积分器R=100KΩ,C=1μF,输入电压范围VI=0~5V。试求：1、第一次积分时间T1；2、积分器的最大输出|VOMAX|；3、当VREF=|10|V，若计数器的计数值M=(1740)10时，表示输入电压VI为多大？711、第一次积分时间T1；其中2n表示计数器计满值的情况，即最大计数容量D=(5000)10表示1个脉冲周期第一次积分共计了2n=5000个计数脉冲所以：722、积分器的最大输出|VOMAX|；积分器最大输出电压VBO值时当计数为5000时，输入为5V时，积分器的输出值。||3、当VREF=|10|V，若计数器的计数值M=(1740)10时，表示输入电压VI为多大？73例2、双积分ADC的VREF=-10V，计数器为12位二进制加法计数器。已知时钟频率fcp=1MHz。(1)该ADC允许输入的最大模拟电压是多少？完成一次转换所需要的时间是多少？(2)当vI=6V时，求输出的数字量。(3)已知输出的数字量为(4FF)H，求对应的输入电压vI。74实际的双积分型A/D转换器，可以根据输入电压ui的极性，自动改变参考电压UREF的极性。B75双积分式A/D转换器优点：1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线性带来的误差。2.由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。3.只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。76线性锯齿波发生器信号电压比较器零值电压比较器与门电路脉冲源计数器并行输出代码启动脉冲☆在启动脉冲地作用下，线性良好地锯齿波同时加到两个比较器输入端，和输入电压VI及0电位比较。☆比较的结果B、C两输出决定门电路开放还是禁止。☆门开放：脉冲源地脉冲加到计数器输入端，计数器开始计数，输出为并行二进制代码。☆门禁止：脉冲源的脉冲不能通过门电路，计数器无计数脉冲而停止计数。VA<VI,VC=1☆计数器在单位时间T内输出的状态为记录M个计数脉冲的二进制码，就是输入VI的数字量代码。即把VI→T→D六、V-T变换型A/D转换器VI:采样－保持信号同项输入大于基准输出为177线性锯齿波发生器零值电压比较器启动脉冲门电路脉冲源信号电压比较器当：VA<0,VB=0当：VA≥0,VB=1VA≥VI,VC=0当：VA<0,VB=0假设：锯齿波斜率为K=VI/t并行输出代码VA<VI,VC=1与门禁止VE=0，计数器不计数。VA<VI,VC=1与门开放VE=CP，计数器计数。当：VA≥0,VB=1与门禁止VE=0，计数器停止计数。VA<VI,VC=1与门禁止VE=0，计数器不计数。可见：计数脉冲的数目M与输入信号VI成正比，计数器输出的状态为记录了M个计数脉冲的二进制码。也是VI的数字量代码。VA<VI,VC=1同项输入大于基准输出为1计数器脉冲源频率为FCP，周期为TCP计数器782、计数斜坡式A/D转换器工作原理：1、电路组成：★

由n位二进制计数器、D/A转换器和电压比较器三大部分组成。

D/A转换器接收二进制计数器输出的数字信号，产生斜坡式（阶梯波）的模拟参考电压V'R，并与输入模拟信号VI进行比较；

当V'R<VI时，VC=1,与门开放，CP脉冲加到计数器，计数器计数。

当V'R≥VI时，VC=0,与门关闭CP脉冲不能加到计数器，计数器停止计数。

此时计数器的输出即为输入信号VI的数字量代码。这种A/D转换器的精度取决于比较器和D/A的性能。是直接转换方式最简单的一种电路。也是转换速度最慢的一种。七、计数斜坡式A/D转换器反相输入大于基准输出为0N位二进制计数器&D/A转换器+-+模拟输入VI并行输出计数休止79八、Ａ/Ｄ转换器的主要技术性能指标

1.分辨率分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从