第3章 信号转换技术.ppt

1、2020年8月5日10时7分,3.1概述 3.2输入通道技术 3.2.2 传感器 3.2.3 信号调理技术（放大） 3.2.4 多路模拟开关技术 3.2.5 采样保持 3.2.5 A/D转换 3.3输出通道技术 3.3.1输出通道结构 3.3.2 光电隔离耦合技术 3.3.2 D/A转换,第3章 信号采集转换技术,2020年8月5日10时7分,举例：温度测控系统,2020年8月5日10时7分,信号采集转换系统组成,物理信号 （非电量）,电信号,数字信号,数字信号,物理信号 （电量）,输入通道,输出通道,信号处理,控制输出,信号调理,传感器,信号采集转换部分,2020年8月5日10时7分,3.2

2、.1输入通道技术,输入通道（前向通道）的基本形式：被测对象与微处理器或计算机联系的信号通道。包括传感器或敏感元件、通道结构、信号调节、A/D转换、电源的配置、抗干扰等。,2020年8月5日10时7分,典型输入通道结构,2020年8月5日10时7分,二、特点,（1）要靠近拾取对象采集信息； （2）传感器、变送器的性能和工作环境因素严重影响通道的方案设计； （3）一般是模拟、数字等混杂电路； （4）常需要放大电路； （5）抗干扰设计非常重要。,2020年8月5日10时7分,三、输入通道的结构类型：,2020年8月5日10时7分,三、输入通道的结构类型(续),大信号模拟电压AD单片机 大信号模拟电压

3、VF单片机 小信号模拟电压放大AD单片机 小信号模拟电压放大VF单片机 小信号频率F放大整形单片机 TTL电平的频率信号单片机 非TTL电平的开关信号防抖电平变换整形单片机,2020年8月5日10时7分,三、输入通道的结构类型（续）,大信号电流(010mA，4mA20mA)IVAD单片机 大信号电流(010mA，4mA20mA)I/VVF单片机 小信号电流(mA、A)IV放大AD单片机 小信号电流(mA、A)IV放大VF单片机,2020年8月5日10时7分,3.2.2 传感器技术,一、传感器的定义： 传感器是测量系统中的一种前端部件，它将各种输入变量转换成可供测量的电信号。 Sensor; T

4、ransducer, Transmitter,2020年8月5日10时7分,一、传感器的作用,传感器 - 被测信息按照一定的规律转换成某种可用信号输出器件/装置,传感器,（重要、关键）,检测系统：,物理量、化学量、生物量/其他,便于处理和传输的信号,人的五官：,眼睛 耳朵 鼻子 舌头 皮肤,视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉,2020年8月5日10时7分,二、传感器的分类,2020年8月5日10时7分,三、传感器的发展方向,（1）利用新的物理现象、化学反应、生物效应设计传感器。 （2）引入数据融合技术。 （3）使用新型材料，向微功耗、集成化及无源化发展。 （4）采用新的加工技术。 （5）向微型化发展

5、。 （6）向高可靠性、宽温度范围发展等。 （7）器件自身是数字化的，不需要再经过数/模、模/数变换。,2020年8月5日10时7分,工业在线检测、计量测试、检定标定,- 几何量中最基本的测试内容,三、长度及线位移传感器,1、电容传感器：,平板电容器的电容量：,原理：被测量 - 电容变化,特点：结构简单，分辨力高，非接触,应用：可在高温、辐射、振动等条件下工作,1）电容传感器原理、结构与特性,a) 变极距型电容传感器,初始电容量：,极距变化：0 - 电容变化：,长度 - 面与面、线与线、点与点之间的距离及它们之间的组合,2020年8月5日10时7分,b) 变面积型电容传感器,电容：,(a)扇形平

6、板结构； (b)柱面板结构,相对变化：,结论:,灵敏度：,(1)传感器输出为线性；,(2)灵敏度与初始极距成反比：减小极距 -提高灵敏度 ，,(3)保持极距不变：中间移动式；,(4)差动结构：提高灵敏度,2020年8月5日10时7分,4、激光测距系统,- 大范围远距离测距（几千/几十千米）,1）脉冲测距法,2）相位差测距法,测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）,远距离 - 固体/二氧化碳；近距离 - 半导体,巨脉冲激光器 - 地球月球距离（分辨力：1m）,激光束调制 - 相位差 - 时间 - 距离,距离,特点：测量精度高、分辨力强,2020年8月5日10时7分,Keyence 激光

7、测距传感器,2020年8月5日10时7分,特点： 非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、 抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高,精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征,2020年8月5日10时7分,应用：,2020年8月5日10时7分,2020年8月5日10时7分,光纤传感器,其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。,2020年8月5日10时7分,传光型光纤传感器以多模光导纤维来传输光信号，根据光接受强度不同进行测量，而对被测参数起检测

8、作用的是其他敏感元件。这种传感器多用于工业检测液位、压力、形变、温度、流速、电流、磁场等。它的优点是性能稳定可靠，结构简单，造价低廉，缺点是灵敏度低,2020年8月5日10时7分,光强调制型光纤传感器在压力作用下光纤产生微弯变形导致光强度变化，从而引起光纤传输损耗的改变，并由吸收、发射或折射率变化来调制发射光，可制成微弯效应的光纤压力传感器,2020年8月5日10时7分,五、传感器的选取：,1、类型的选择 量程大小、传感器体积、测量方式、信号引出方式、传感器的来源、价格 2、精度要求 一个重要性能指标，满足精度即可 定性分析：重复精度高 定量分析：精度等级高 3、灵敏度 在线性范围内，灵敏度越

9、高越好。输出信号比较大。外界噪声。信噪比 4、频率响应的选择 5、线性范围的确定：量程,2020年8月5日10时7分,3.2.3 信号调理,一、常用放大器 在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大器、程控增益放大器等。,2020年8月5日10时7分,二、放大器的基本原理,2020年8月5日10时7分,2020年8月5日10时7分,图3.8 两种调理电路的对比,三、放大器与滤波器前后位置的关系讨论,2020年8月5日10时7分,由于 K1,所以， ，这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。,20

10、20年8月5日10时7分,四、仪用放大器,2020年8月5日10时7分,仪用放大器是一种高性能的放大器， 其对称性结构可同时满足对放大器的抗共模干扰能力、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。 仪用放大器内部基本结构如图下图所示，它由三个通用运算放大器构成， 第一级为两个对称的同相放大器 第二级是一个差动放大器。仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4R6，R5R7。可以推出仪用放大器闭环增益为：,2020年8月5日10时7分,五、仪用放大器的性能,1. 非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。当增益为1时，如果一个12位A/D转换器有0.025%的非线性

11、偏差，当增益为500时，非线性偏差可达0.1%，相当于把12位A/D转换器变成10位以下转换器，故一定要选择非线性偏差小于0.024%的仪用放大器。,2020年8月5日10时7分,2. 温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生(150)V/变化，这与仪用放大器的增益有关。,2020年8月5日10时7分,3. 建立时间 建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。 4. 恢复时间 恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影

12、响数据采集系统的采样速率。,2020年8月5日10时7分,五、程控增益放大器,程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测量仪器中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。在智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。,2020年8月5日10时7分,权电阻网络、T型网络、反T型网络,2020年8月5日10时7分,并行数字输入,模拟信号输出,UREF,2020年8月5日10时7分,3.2.4 多路模拟开关技术,一、多路模拟开关的定义 多路模拟开关可以实现多个回路的A/D、D/A转换通道之间的信

13、号切换。,2020年8月5日10时7分,多路输入的处理：A:使用多路开关，价低，速慢，不同时 B：使用多个A/D芯片，价高，速快，同时,2020年8月5日10时7分,二、多路模拟开关的基本要求,当切换开关接通时，它的导通静态电阻无穷小； 当切换开关断开时，它的开路静态电阻无穷大，即开关的泄漏电流越小越好（0.5nA1nA）； 切换速度越快越好（延迟时间一般为100ns0.8s）。,2020年8月5日10时7分,三、多路开关分为两类：,一类是机电式: 大电流，高电压，低速切换场所；机械触点式干簧继电器 一类是电子式：小电流，低电压，高速场所。半导体模拟开关 电子多路开关根据其结构可分为双极型晶体

14、管开关、场效应晶体管开关、集成电路开关三种类型。 单向开关 例：AD7501、AD7506 双向开关 例：CD4051、CD4052,2020年8月5日10时7分,四、多路开关集成芯片特点,直接与TTL或CMOS电平相兼容 内部带有通道选择译码器 可采用正或负双极性输入 转换速度快，导通或关断时间在1s左右 接通电阻低，小于100 断开电阻高，高于109,2020年8月5日10时7分,模数转换技术的综述,集成化 转换一次 低速10ms以下 中速几十至几百微秒 高速 几微秒或者小于1微秒 位数：8、12、16、24，位数越高，分辨率和精度越高，价格越贵。 从内部结构上看 有单独的A/D转换器，A

15、DC0801,AD673 有地址码锁存、译码，AD0809 有内部有模拟多路开关/数据放大器、采样保持器，AD363 全并行5-50ns逐次比较型0.4us逐次逼近型双积分型,2020年8月5日10时7分,模/数转换器的主要技术指标,模/数转换器的主要技术指标 分辨率（Resolution）反映转换器所能分辨的被测量的最小值，通常用二进制代码的位数来表示。 精度（precision） 量程（满刻度范围Full Scale Range） 转换时间（Conversion Time） 线性度误差（Linearity Error）,2020年8月5日10时7分,一、分辨率（Resolution） 分辨

16、率是指转换器所能分辨的被测量的最小值。通常用输出二进制代码的位数来表示。例如称八位A/D转换器的分辨率称为8位，它把模拟电压的变化范围分成28-1级（255级）。对于10位的转换器，它被分成1023级。10位所能测量的最小值比8位所能测量的最小值小的多。位数越多，分辨率越高 8位的时候，是占满刻度的百分比0.4 10为的时候，是占满刻度的百分比0.1 16位的时候，是占满刻度的百分比0.0015,2020年8月5日10时7分,二、精度（precision）,精度是指转换的结果相对于实际的偏差，精度有两种表示方法 （1）绝对精度：用最低位（LSB）的倍数来表示，如（1/2）LSB或1LSB等 （

17、2）相对精度：用绝对精度除以满量程值的百分数来表示，例如0.05%等 注意：分辨率与精度是两个不同的概念。0804和AD570的分辨率均为8为，但是一个是1LSB，一个2LSB。 分辨率高但精度不一定高，精度高则分辨率必然高。,2020年8月5日10时7分,三、量程（满刻度范围Full Scale Range）,量程是指允许输入模拟电压的变化范围。例如，某转换器具有010V的单极性输入模拟电压的范围，或-5V+5V的双极性范围，那么，它们的量程都为10V 应当指出，实际上A/D、D/A转换器的最大输出值总是比满刻度值小1/2n，n为转换器的位数，这是因为模拟量的0值是2n个转换状态中的一个，在

18、0值以上，则有2n-1个梯级,2020年8月5日10时7分,按通常习惯，转换器的模拟量范围总是用满刻度表示。例如12位的A/D转换器，其满刻度值为10V，而实际的最大输出值为,2020年8月5日10时7分,量化误差,A/D转换器的有限分辨率所引起的误差。 在不计其它误差的情况下，一个分辨率有限的A/D的阶梯转移特性曲线与具有无限分辨率A/D转换器转移特性曲线之间的最大偏差，一般为正负1/2LSB 提高分辨率可以减少量化误差。量化误差和分辨率是统一的。,2020年8月5日10时7分,四、转换时间（Conversion Time）,从启动转换开始直至转换出稳定的二进代码所需的时间称为转换时间。转换

19、时间与转换器工作原理及其位数有关。同种工作原理的转换器，通常位数越多，其转换时间则越长 五、线性度误差（Linearity Error） 理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的误差，通常用多少LSB表示,2020年8月5日10时7分,逐次逼近型A/D转换器,逐次逼近的基本思想：类似于用天平称物,2020年8月5日10时7分,四位逐次逼近型ADC的转换过程,2020年8月5日10时7分,四、8位集成ADC0809,1.ADC0809特性参数,分辨率： 8位 精度： 8位 转换时间： 100s 增益温度系数：

20、 20ppm/ 输入电平： TTL 功耗： 15mW,ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位八通道逐次逼近型A/D转换器。,2020年8月5日10时7分,输入3位地址信号，在ALE脉冲的上升沿将地址锁存，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器； 发出A/D转换启动信号START，在START的上升沿将SAR清0，转换结束标志EOC变为低电平，在START的下降沿开始转换； 转换过程在时钟脉冲CLK的控制下进行； 转换结束后，EOC跳为高电平，在OE端输入高电平，从而得到转换结果输出。,ADC0809工作原理,2020年8月5日10时7分,IN0IN7：8路模拟电压输入。 ADDC、ADDB

21、、ADDA：3位地址信号。 ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。 D7D0（2-12-8）：8位二进制数码输出。 OE：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1时， 打开输出锁存器的三态门，将数据送出。 UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端。,3.ADC0809引脚功能,2020年8月5日10时7分,A/D转换芯片AD574,一、AD574的引脚功能 AD574是一种逐次逼近型12位A/D转换芯片，也可以用作8位A/D转换，转换时间为1535s，若转换成12位二进制数，可以一次读出，也可分成两次读出，即先读出高8位后读出低4位。AD574内部能自动提供基准电压，并具有三态输出缓冲器

22、，使用十分方便,2020年8月5日10时7分,AD574的引脚图,2020年8月5日10时7分,（1）REFOUT：内部基准电压输出端（+10V） （2）REFIN：基准电压输入端，该信号输入端与REFOUT配合，用于满刻度校准 （3）BIP：偏置电压输入，用于调零 （4）DB11DB0：12位二进制数的输出端 （5）STS：“忙”信号输出端，高电平有效。当其有效时，表示正在进行A/D转换,各引脚定义如下,2020年8月5日10时7分,（6）12/8*：用于控制输出字长的选择输入端。当其为高电平时，允许A/D转换并行输出12位二进制数；当其为低电平时，A/D转换输出为8位二进制数 （7）R/C

23、*：数据读出/启动A/D转换。当该输入脚为高电平时，允许读A/D转换器输出的转换结果；当该输入脚为低电平时，启动A/D转换 （8）A0：字节地址控制输入端。当启动A/D转换时，若A0=1，仅作8位A/D转换；若A0=0，则作12位A/D转换。当作12位A/D转换并按8位输出时，在读入A/D转换值时，若A0=0，可读高8位A/D转换值，若A0=1，则读入低4位A/D转换值,2020年8月5日10时7分,AD574单极性与双极性输入时的连接方法,2020年8月5日10时7分,2020年8月5日10时7分,A/D转换器的选用（一）,A/D转换位数的确定 不仅决定转换的模拟电压的动态范围，同时也很大程

24、度上影响到转换精度。 ui.min*kg大于E/2 m (小信号不被量化噪声淹没 ui.maxkg小于E(E为满量程)大信号不是A/D溢出 Ui.max/ui.min小于2m L1=20lg Ui.max/ui.min通常上下限的分贝数为动态范围。 M=L1/6 Kg转换器钱放大器的增益。,2020年8月5日10时7分,A/D转换器的选用（二）,MUX，SH和A/D总误差是这三组成部分的分项误差的在综合值，因此选择器件精度的一般规则是：每个元件的精度指标应优于系统精度的10倍。 0.1%的数据采集系统，所用A/D及其它二个的线性误差都应小于0.01% 已知A/D的量化误差为正负LSB，因此可以

25、根据精度,2020年8月5日10时7分,A/D转换器的选用（三）,A/D从启动到转换结束输出稳定的数字量，需要一定的时间。不同的转换器，输出的时间不同。 低速适合温度、压力、流量等缓变参量的检测 中速适合工业多通道单片机检测系统和声频数字转换系统 高速采用双极性和cmos工艺，适用于雷达、实时光谱分析、数字通信、视频转换系统。,2020年8月5日10时7分,根据环境温度条件选择A/D 对于工作温度、功耗、可靠性等级参数。根据环境条件来选择 选择A/D的输出状态 并行输出还是串行输出（适合远距离），二进制编码还是BCD码输出； 使用外部时钟还是内部时钟。 有无三态输出缓冲器，以及与TTL、CMO

26、S 电路的兼容性。,A/D转换器的选用（四）,2020年8月5日10时7分,采样保持器（Sample Holder）,在A/D转换器进行采样期间，保持被转换输入信号不变的电路称为采样保持电路 A/D转换器完成一次转换所需要的时间称为转换时间 不同A/D转换芯片，其转换时间各异，对于连续变化较快的模拟信号如果不采取采样保持措施，将会引起转换误差 慢速变化的模拟信号，在A/D转换系统中，完全可以不必采用采样保持电路，而且并不会影响A/D转换的精度,2020年8月5日10时7分,采样-保持（S/H）电路,2020年8月5日10时7分,采样/保持示意图,2020年8月5日10时7分,3.3 输出通道技

27、术,输出通道技术概述 D/A转换 光电隔离技术 数据处理初步,2020年8月5日10时7分,单片机开关量光隔功放开关量控制装置(开关量控制照明灯) 单片机数字量光隔D/A模拟控制装置(模拟量驱动的各种模拟仪表) 单片机数字量光隔数字量调节数字量控制装置(为其他的数字（智能）设备提供的数字信息) 单片机频率量光隔F/V功放模拟控制装置(用PWM或HSO口驱动模拟仪表) 单片机频率量光隔频率信号调节频率调节系统(变频调速器),2020年8月5日10时7分,输出通道的输出信号,2020年8月5日10时7分,3.3.1数/模转换技术,一、DAC（Digital-Analog Converter）,20

28、20年8月5日10时7分,二、D/A转换的基本原理,2020年8月5日10时7分,两个相邻数码转换出的电压值是不连续的，两者的电压差由最低码位代表的位权值决定。它是信息所能分辨的最小量，也就是用1LSB(Least Significant Bit)表示。,2020年8月5日10时7分,三、D/A的性能指标,分辨率 线性度 转换精度 建立时间及转换速度,2020年8月5日10时7分,四、D/A转换器分类,2020年8月5日10时7分,2020年8月5日10时7分,电阻型D/A,二进制权电阻网络D/A转换器,2020年8月5日10时7分,2020年8月5日10时7分,2020年8月5日10时7分,

29、五、D/A转换器的选择要点,结构上分类 一类设置有数据寄存器、片选引脚和写入引脚 一类没有锁存器 输入两种形式：并行和串行。 根据输出模拟量的精度要求来选择D/A的分辨率和转换精度。 在同一系统中，一般D/A转换器的精度要小于A/D转换器的精度。 在精度方面，D/A转换器的零点误差和满量程误差可以通过电路调整进行补偿。主要考虑非线性误差,2020年8月5日10时7分,五、常用D/A芯片介绍 -DAC0832,1、8位 D/A转换芯片0832的组成 8位数/模转换器 两条回路分别产生两个电流信号IOUT1和IOUT2。 8位输入寄存器和8位DAC寄存器二次缓冲方式 可以直接与8位微机数据总线相连

30、接， 其逻辑电平与TTL电平相兼容,2020年8月5日10时7分,分辨率： 8位 建立时间： 1s 增益温度系数： 20ppm/（ppm百万分之一,10-6） 输入电平： TTL 功耗： 20mW,2.DAC0832特性参数,2020年8月5日10时7分,3、DAC0832的内部结构与引脚图,2020年8月5日10时7分,（1）D7D0，8条输入数据线（图中标记为DI7DI0） （2）CS*，选片信号，低电平有效 （3）ILE，输入寄存器选通信号，高电平有效 （4）WR1*，写输入寄存器信号，低电平有效 （5）WR2*，写8位DAC寄存器信号，低电平有效 （6）WFER*，允许8位DAC寄存器

31、数据送到8位D/A转换器。 （7）IOUT1，DAC输出电流1，当8位DAC寄存器为全1时，此时输出电流最大，当为全0时，输出电流最小,4、DAC0832的20条引脚定义,2020年8月5日10时7分,（8）IOUT2，DAC输出电流2，IOUT2=常数-IOUT1 （9） Rfb，反馈电阻引出端，即片内在Rfb与IOUT1之间制作了一个反馈电阻 （10）VREF，参考电压输入端。该端连至片内R-2R T型电阻网络，由外部提供一个准确的参考电压。该电压的精度直接影响D/A转换的精度 （11）VCC，电源电压，可接+5V+15V （12）AGND，模拟地 （13）DGND，数字地,2020年8月

32、5日10时7分,5、DAC0832的三种工作方式,（b）单缓冲方式：适合在不要求多片D/A同时输出时。此时只需一次写操作，就开始转换，提高了D/A的数据吞吐量。,（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。,（c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。,2020年8月5日10时7分,DAC0832转换器输出为电流形式，通常需要通过运算放大器将输出电流转变成电压输出。按电压输出时还可分为单极性和双极性两种形式,MCS-51与DAC0832的接口设计,2020年8月5日10时7分,2020年8月5日10时7分,一、光电耦合隔离技术概述,3.3.2光电耦合隔离器技术,2020年8月5日10时7分,二、光电耦合隔离器的种类,2020年8月5日10时7分,三、光电隔离的应用,2020年8月5日10时7分,四、抑制尖脉冲和各种噪声干扰的原因：,输入阻抗很小 输入回路与输出回路之间没有电气联系 很好的安全保障作用 响应速度快，10um,2020年8月5日10时7分,五、采用光电耦合技术的注意事项,(1) 在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。 (2) 当用光电耦合起来隔离输入输出通道室，必须对所有的信号(包括数字量信号、