PLC模拟量与数字量之间的转换.ppt

,*,3.3,模拟量与数字量之间的转换,3.3.1 A/D,转换器,A,D,转换器是一种将模拟量转换成数字量的器件，通常也称为,ADC,。在数据采集系统中，传感器的输出大部分为模拟信号,(,电压、电流,),，而计算机只能接收数字量。为此，需要在传感器与计算机之间进行模数转换，以便将模拟电压信号转换成计算机能识别的二进制数字信号。因此,A,D,转换器是数据采集系统的重要环节，它直接关系到测量的准确度、分辨力和转换速度。,A,D,转换器的类型较多。按其转换输出数据的方式，可分为并行和串行两种，其中并行又分为,8,位、,10,位、,14,位和,16,位等；按其转换原理可分为逐次逼近式和双积分式等。,并行与串行,ADC,各有其优势。并行,ADC,占用较多的数据线，具有输出速度快的优点，在转换位数较少时具有很高的性价比。串行,ADC,占用的数据线少，转换速度慢，但它也有自身的优点：一是便于信号隔离，只需少数几路光电隔离器件就可以实现电气隔离，在,转换位数较多的情况下具有较高的性价比；二是其芯片小、引脚少，便于线路板的制作。,A,D,转换器的主要技术特性如下：,(1),分辨力与分辨率。,A,D,转换器的分辨率习惯上以输出二进制位数或,BCD,码位数表示。分辨力为,1 LSB(,最低有效位数,),。,12,位,A,D,转换器,AD574,的分辨率为,12,位，用百分数表示为,5G14433,双积分式,A,D,转换器的分辨率为,3,位半。它的满度字位为,1 999,，其百分数表示的分辨率为,A,D,转换器的分辨力,(1 LSB),对数据采集系统的总分辨力起着决定性作用。,(2),量化误差,e,在理论上,1/2LSB,。,(3),转换时间。完成一次,A,D,转换的时间,T,C,为,A,D,转换时间，在这段时间里输入,A,D,的模拟电压数值应稳定不变，否则就会造成,A,D,转换的误差。通常转换时间,T,C,比采样,/,保持器的孔径时间,T,AP,大，更比孔径抖动,T,AJ,大得多，因此若不加采样保持器，在保证转换误差不大于量化误差,e,的条件下，,A,D,转换器直接转换输入信号,V,x,(,t,),的最高频率是很低的，公式,(2-2),是转换时间,T,C,和转换器的位数与可采集信号的最高频率的关系：,（,2-2,）,例如：,8,位,ADC(080X),，,n,=8,，,T,c,=100,s,，,f,H,6.3 Hz,；,12,位,ADC(AD574),，,n,=12,，,T,c,=35s,，,f,H,1.1 Hz,；,例如：,8,位,ADC(080X),，,n,=8,，,T,c,=100,s,，,f,H,6.3 Hz,；,12,位,ADC(AD574),，,n,=12,，,T,c,=35,s,，,f,H,1.1 Hz,；,为了对更高频率的输入信号进行模一数转换，在,A,D,转换器前都要加采样保持器。,(4),转换速率是转换时间,T,c,的倒数，如,T,c,=20 ns,，,即转换速率为,50MSPS,。,(5),其他参数如对电源电压变化的抑制比,(PSRR),、,零点和增益温度系数、输入电阻等。,A,D,转换器除了以上主要技术特性外，作为一个测量系统中的一个环节，它也有测量环节的基本特性,(,静态特性、动态特性,),相对应的技术指标，如零点、非线性误差,(,线性度,),、量程等，除厂家给出外，用户可以自行检验或标定。,1,、逐渐逼近式,A/D,转换器,A/D,转换器有直接转换法和间接转换法两大类。,直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接,A/D,转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。,间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间,t,或频率,f,然后再将,t,或,f,转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接,A/D,转换器有单次积分型、双积分型等。,逐次逼近的方法,ADC,的内部主要由逐次逼近寄存器,SAR,、,D,A,转换器、电压比较器和一些时序控制逻辑电路等组成。其原理框图如图,1,所示：,图,1,逐次逼近式,A/D,转换器,其工作原理非常类似于用天平称重。在转换开始前，先将,SAR,寄存器各位清零，然后设其最高位为,1,（对,8,位来讲，即为,10000000B,）,就像天平称重时先放上一个最重的砝码一样，,SAR,中的数字量经,D/A,转换器转换为相应的模拟电压,V,C,，,并与模拟输入电压,VX,进行比较，若,V,X,V,C,，,则,SAR,寄存器中最高位的,1,保留，否则就将最高位清零,(,若砝码比物体轻就要保留此砝码，否则去掉此砝码,),。然后再使次高位置,1,，进行相同的过程直到,SAR,的所有位都被确定。转换过程结束后，,SAR,寄存器中的二进制码就是,ADC,的输出。,ACD1143,及其应用,ACD1143,是一个,16,位逐次逼近式,A/D,转换器。,主要特性：,16,位高分辨率,转换时间,ADC1143J,最大转换时间为,70s,ADC1143K,最大转换时间为,100s,自带参考电源和时钟脉冲,低功耗,当,V,S,=15V,时，最大功耗为,175mW,当,V,S,=12V,时，最大功耗为,150mW,最大非线性,ADC1143J,为,0.006%,ADC1143K,为,0.003%,动态非线性温度系数,ADC1143J,最大为,2,ADC1143K,最大为,1,供电范围,V,S,=11.4V18.0V,V,D,=+3.0V+18.0V,ADC1143,由,16,位,CMOS,逐次逼近,DAC,、,16,位逐次逼近寄存器、低功耗比较器、内部时钟、低噪声参考电源以及模拟输入电阻网络和高质量耦合电容组成，其功能框图如图,2,所示,：,图,2 ADC1143,功能框图,ADC1143,的引脚功能：,模拟输入电压引脚（,2729,脚）,模拟电压范围可编程,模拟电压范围,V,输出电压,模拟电压引入脚,26,脚连接情况,20,脚连接情况,+5,二进制,27,、,28,29,开断,2,+10,二进制,27,、,28,开断,2,、,29,+20,二进制,27,开断,2,、,28,、,29,5,偏移二进制、二进制补码,29,27,2,、,28,10,偏移二进制、二进制补码,28,27,2,、,29,参考电源输入、输出（,25,、,26,脚）,当使用内部参考电源时，将它们之间接一个,100,精密电位器,当使用外部参考电源时，按下图进行连接,偏移调节引脚（,24,脚）零输出校正。,并行数据输出引脚（,419,脚）具有数据锁存功能，无三态驱动，以偏移二进制码输出。,补码输出（,3,脚）二进制补码输出使用位,模拟地和数字地（,30,、,2,脚）应通过外部连接，以一点连接为最佳,状态引脚（,22,脚）,ADC1143,的工作状态信号。,转换命令引脚（,21,脚）启动,ADC,进行,A/D,转换，在该信号的下降沿，各内部状态全部复位。,(2)ADC1143,的工作过程,(3),ADC1143,与,80C31,接口,ADC1143,与,80C31,接口,双积分型,ADC,的转换原理是先将模拟电压,U,I,转换成与其大小成正比的时间间隔,T,，,再利用基准时钟脉冲通过计数器将,T,变换成数字量。,双积分型,A/D,转换器,这种,A/D,转换器具有很多优点。首先，其转换结果与时间常数,RC,无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值,T,1,，而,T,2,正比于输入信号在,T,1,内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种,A/D,转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（,T,1,+,T,2,）,内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中。,双积分,A/D,转换器,MC1443,及其应用,MC1443,是一种,CMOS,双积,分,3,位,A/D,转换器，其主要特性如下：,转换精度 读数的,1/2000,（相当于,12,位二进制数）,转换速度,810,次,/s,输入阻抗 大于,100M,工作电压,4.5 8V(,或,916V),转换结束输出形式 输出为,4,位,BCD,码,由,DS,1,DS,4,分时选通输出,(1)MC14433,引脚功能,电源接入,基准电压输入,被测信号输入,外接积分元件的选取,时钟,外接失调补偿电容,转换更新控制,转换结果输出,MC14433,引脚图,D,S1,选通时,Q,0,Q,3,的含义,D,S1,Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,输出结果状态,1,1,0,千位数为,0,1,0,0,千位数为,1,1,1,0,输出结果为正值,1,0,0,输出结果为负值,1,0,1,输入信号过量程,1,1,1,输入信号欠量程,（,2,）,MC14433,与,8031,接口,MC14433,的,Q,0,Q,3,和,D,S1,D,S4,与,8031,单片机的,P,1,口相连，当采用连续变换方式，则,8031,读取,A/D,转换结果，当采用中断方式，则设为边沿触发方式。,MC14433,与,8031,的接口,分辨率用于表征,D/A,转换器对输入微小量变化的敏感程度。,分辨率,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,。,1.,分辨率,D/A,转换器的主要性能指标,D/A,转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输入数字量的位数,n,表示,D/A,转换器的分辨率；,可用,D/A,转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率。,0,5/7,5,001,010,011,100,101,110,111,v,o,/V,D,000,2.,转换精度,D/A,转换器的转换精度是指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.,转换速度,从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差,0.5LSB,范围内所需要的时间，称为建立时间,t,set,。目前单片集成,D/A,转换器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到,0.1,微秒以内。,4.,温度系数,在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高,1,，输出电压变化的百分数作为温度系数。,D/A,转换器,DAC0832,（,1,）,DAC0832,结构原理及引脚功能,它由一个,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,三大部分组成。它为,20,脚双列直插式封装结构，其逻辑结构及引脚如下图所示：,2.DAC0832,引脚功能,DI,7,DI,0,：,8,位输入数据信号。,I,OUT1,：,DAC,输出电流,1,。当,DAC,锁存器中为全,1,时，,I,OUT1,最大（满量程输出）；为全,0,时，,I,OUT1,为,0,。,I,OUT2,：,DAC,输出电流,2,。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足,I,OUT1,+I,OUT2,常数。,ILE,：输入锁存允许信号，高电平有效。,CS,：片选信号，低电平有效。,WR,1,：输入数据选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）,XFER,：数据传送选通信号，低电平有效。,WR,2,：数据传送选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）,R,fb,：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,R,fb,，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。,U,REF,：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。,U,REF,可在,-10V,至,+10V,范围内选择。,U,CC,：电源输入端（一般取,+5V,+15V,）。,DGND,：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。,任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的,“,地,”,，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑,“,地,”,的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的,“,地,”,对测量的精度是构成影响的，因此，,通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线,，只在板中的一点把它们连接起来。,3.DAC0832,特性参数,分辨率：,8,位,建立时间：,1,s,增益温度系数：,20ppm/,（,ppm,-,百万分之一，,10,-6,）,输入电平：,TTL,功耗：,20mW,4.DAC0832,工作方式,当,ILE,、,CS,和,WR,1,同时有效时，输入数据,DI,7,DI,0,进入输入寄存器；并在,WR,1,的上升沿实现数据锁存。当,WR,2,和,XFER,同时有效时，输入寄存器的数据进入,DAC,寄存器；并在,WR,2,的上升沿实现数据锁存。八位,D/A,转换电路随时将,DAC,寄存器的数据转换为模拟信号（,I,OUT1,+,I,OUT2,）,输出。,（,2,）,DAC0832,与,MCS-51,单片机接口,DAC0832,的使用有直通型、,单缓冲器型,双缓冲器型三种工作方式。,直通工作方式：输出随输入的变化随时转换。线路连接如下图所示：,单缓冲工作方式：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。连接方式如下图所示：,双缓冲工作方式：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。连接图如下图所示：,