第9章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

第9章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第一頁，共38頁。9.1典型的測控系統(tǒng)組成典型的測控系統(tǒng)組成框圖ADC或A/D：AnalogtoDigitalConverterDAC或D/A：

DigitaltoAnalogConverter第二頁，共38頁。9.2多路模擬開關(guān)在實(shí)際的系統(tǒng)中，被測量的回路往往是幾路或幾十路，不可能對每一回路的參量配置一個A/D轉(zhuǎn)換器，常利用多路開關(guān)，輪流切換各被測回路與A/D間的通路，以達(dá)到各回路分時占用A/D轉(zhuǎn)換電路的目的。模擬開關(guān)是一種能夠按照控制指令對模擬信號傳輸進(jìn)行通、斷控制的電子器件。模擬開關(guān)多用場效應(yīng)管來構(gòu)成，開關(guān)接通時還會有一導(dǎo)通電阻，在斷開狀態(tài)時仍會有一小的關(guān)斷電流。第三頁，共38頁。CC4051是一個允許雙向使用的CMOS多路開關(guān)集成芯片，它既可用于8路到一路的切換(用于A/D)，又可用于一路到8路的切換(用于D/A)。第四頁，共38頁。9.3采樣保持電路

采樣保持電路常用于輸入信號變化較快或具有多路輸入信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。在A/D轉(zhuǎn)換過程中，因?yàn)槊看无D(zhuǎn)換過程需要一定的時間，所以需要采樣保持電路的配合，以便有一個穩(wěn)定的采集量。采樣保持器的工作過程由外部控制信號來決定，工作過程分采樣和保持兩個周期。采樣：就是要求輸出信號能快速而準(zhǔn)確地跟隨信號的變化；保持：則是在兩次采樣間隔時間內(nèi)保持上一次采樣結(jié)束時的狀態(tài)。第五頁，共38頁。第六頁，共38頁。9.4D/A轉(zhuǎn)換器D/A功能:將數(shù)字量線性地地轉(zhuǎn)換成模擬量D/An=4位8位10位12位16位n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10V第七頁，共38頁。

為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，必須將二進(jìn)制數(shù)的每一位代碼按“權(quán)”值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位二進(jìn)制數(shù)的這些模擬量相加，這樣便得到與數(shù)字量成正比的模擬量。 設(shè)輸入數(shù)字量為D=d3d2d1d0

d3U3,

d2U2,d1U1,

d0U0輸出模擬量為Uo=U3+U2+

U1+U0=kDk是一個常數(shù)；D為n位二進(jìn)制數(shù)。第八頁，共38頁。DAC轉(zhuǎn)換特性：輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系最小輸出電壓ULSB

：

相臨兩組代碼轉(zhuǎn)換出來的模擬量之差（2V)。分辨率：

電路所能分辨出的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。分辨率=ULSBUomax=1

2n-1四位二進(jìn)制的分辨率？

若最大輸出電壓仍為14V，最小輸出電壓將變大還是變??？000001010011100101110111DDDACuo24101206814uo/V設(shè)D為三位二進(jìn)制要求uomax=14V第九頁，共38頁。n位二進(jìn)制DAC框圖基準(zhǔn)電壓UR輸出U0電阻解碼網(wǎng)絡(luò)…數(shù)字模擬開關(guān)…

數(shù)字寄存器…

dn1

d0第十頁，共38頁。DAC有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型T型電阻網(wǎng)絡(luò)型倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分類：第十一頁，共38頁。

1.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器下圖是四位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖，它由R-2R構(gòu)成的倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、求和放大器A及基準(zhǔn)電壓源UR組成。第十二頁，共38頁。從A、B、C、D各點(diǎn)向左看其等效電阻均為R，電源的總電流為:RFS2Ad0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’第十三頁，共38頁。同理:I2=d2

I/4,I1=d1

I/8,I0=d0

I/16若d3=1,則通過S3流入運(yùn)放的電流I3=I/2，若d3=0,I3=0,

因此,I3=d3

I/2I'ARFS2Ad0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’第十四頁，共38頁。I'I'RFS2Ad0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’第十五頁，共38頁。輸出電壓為：

I’RF如果是n位D/A轉(zhuǎn)換器，并設(shè)RF=R，則Uo的表達(dá)式為：

第十六頁，共38頁。

2.集成DAC0832簡介及應(yīng)用

集成DAC電路芯片種類很多。按輸入二進(jìn)制的位數(shù)分類有八位、十位、十二位和十六位等。例如DAC0832，是一個具有兩個輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的倒T型8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖9.4.3所示(1)DAC0832簡介第十七頁，共38頁。第十八頁，共38頁。(2)DAC0832的輸出方式

DAC0832為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，可提供單極性和雙極性兩種輸出方式，電路如圖9.4.5所示。

單極性輸出：在其電流輸出端接一運(yùn)算放大器從A點(diǎn)輸出。輸出電壓uA=IOUT1×Rfb。當(dāng)UREF接+5V(或-5V)時，uA的電壓范圍是0~-5V(或0~+5V)。第十九頁，共38頁。雙極性輸出：在單極性輸出的基礎(chǔ)上再增加一級運(yùn)算放大器，便構(gòu)成了電路，從B點(diǎn)輸出?？紤]到R1：R2：R3=2：1：2，這樣，恰恰使B點(diǎn)的輸出特性在A點(diǎn)輸出的基礎(chǔ)上位移了二分之一。假設(shè)UREF=+5V，則uA

=0~-5V，而uB=-5~+5V。第二十頁，共38頁。(1)

分辨率電路所能分辨的最小輸出電壓ULSB與滿刻度輸出電壓Uomax之比，分辨率當(dāng)Uomax一定時，n越大，分辨能力越高。12110-12111-n=10的DAC分辨率=n=11的DAC分辨率=3.DAC的主要參數(shù)第二十一頁，共38頁。(2)轉(zhuǎn)換誤差一般是指輸入端加滿刻度的數(shù)字量時，DAC輸出電壓的理論值與實(shí)際值之差。轉(zhuǎn)換誤差一般應(yīng)低于。例如，某控制系統(tǒng)中有一D/A轉(zhuǎn)換器，如果系統(tǒng)要求該D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差（相對誤差）小于0.25%，試問應(yīng)選擇多少位的D/A/轉(zhuǎn)換器？解：轉(zhuǎn)換誤差Uomax<0.25%轉(zhuǎn)換誤差Uomax<UomaxUomax0.25%≤LSBUUomax0.5%≤121100%05%n-≤.n=7.64D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)至少為8位。第二十二頁，共38頁。（3）轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是指從數(shù)碼輸入到模擬電壓穩(wěn)定輸出之間所經(jīng)歷的響應(yīng)時間。一般取輸入由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時，其輸出達(dá)到穩(wěn)定值所需的時間，也稱轉(zhuǎn)換時間。第二十三頁，共38頁。9.5A/D轉(zhuǎn)換器(1)A/D功能:將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V~分辨率:5V/255=0.0196V/每1個最低有效位1.A/D功能及分類第二十四頁，共38頁。(2)A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間10ns~1s②逐次逼近型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度中,轉(zhuǎn)換時間幾s~100s③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間幾百s~幾ms根據(jù)內(nèi)部電路不同,分為以下三類:第二十五頁，共38頁。

逐次比較型ADC，又稱逐次逼近型ADC。其工作原理類似與天平的稱重過程（如稱13克的重物）。2.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器序號砝碼（8、4、2、1克）砝碼取留18留24留32去41留第二十六頁，共38頁。組成：3位DAC、電壓比較器、模5環(huán)形計數(shù)器、鐘控RS觸發(fā)器。UR=5V，Ui=3.2V，初始化（圖中未畫)QAQBQC=000Q1Q2Q3Q4Q5=00001

當(dāng)?shù)谝粋€脈沖Q1Q2Q3Q4Q5=10000。因?yàn)镼1=1，則QAQBQC=100 Uo=5/23×22=2.5V因?yàn)閁o<Ui，比較器的輸出UB=0。 &&第二十七頁，共38頁。

第二個CP到來后，Q1Q2Q3Q4Q5=01000。因?yàn)镼2=1，QB被置1；由于UB=0，封鎖了與門G1，Q2不能通過門G1使QA復(fù)位，QA仍為1，因此QAQBQC=110Uo=5/23×（22+21）=3.75V因?yàn)閁o>Ui，比較器輸出UB=1。

第三個CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00100。由于Q3=1，QC被置1；此時因?yàn)閁B=1，門G2被打開，Q3通過門G2使QB=0；同時Q1=Q2=0，使QA保持1狀態(tài)不變。因而QAQBQC=101，Uo=5/23×（22+20）=3.125V因?yàn)閁o<Ui，比較器的輸出UB=0。&&第二十八頁，共38頁。

第四個CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00010。由于UB=0，封鎖了門G1～G3，同時由于Q1Q2Q3=000，所以QA

、QB

、QC保持原狀態(tài)不變，即QAQBQC=101。第五個CP來后，Q1Q2Q3Q4Q5=00001。由于Q5=1，使QAQBQC通過門G6、G7、G8，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果d2d1d0=101。再來一個CP脈沖后，Q1Q2Q3Q4Q5=10000，又重新開始轉(zhuǎn)換。&&第二十九頁，共38頁。2．集成ADC

目前一般用的多數(shù)是單片集成ADC，其種類很多，如AD571，ADC0801，ADC0809等。下面介紹CMOS、8通道、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。

ADC0809是按逐次逼近原理工作的，它除了具有基本的A/D轉(zhuǎn)換功能之外，內(nèi)部還包括8路模擬輸入通道，為了實(shí)現(xiàn)8路信號的分時采集，在片內(nèi)設(shè)置了8路模擬選擇開關(guān)以及相應(yīng)的通道地址鎖存和譯碼電路，輸出具有三態(tài)緩沖能力，能與微機(jī)總線直接相連。第三十頁，共38頁。CBA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7第三十一頁，共38頁。第三十二頁，共38頁。3.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)

分辨率：ADC的分辨率是指輸出數(shù)字量變化一個最低有效位(LSB)所對應(yīng)的輸入模擬電壓的變化量。例如ADC輸入模擬電壓變化范圍為0～10V，輸出為10位數(shù)碼，則分辨率為分辨率也可用百分?jǐn)?shù)表示，即

一般來說，位數(shù)愈多，則每一位二進(jìn)制代碼所代