第3章 过程通道数据采集3.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 过程通道和数据采集系统之二,杨根科,上海交通大学自动化系,2005,年,9,月,内容提要,概述,模拟量输入通道,D/A,与,A/D,转换技术,数据采集系统,模拟量输出通道,过程通道的抗干扰措施,小结,回顾,:,概述,过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（,AI,、,AO,、,DI,、,DO,）,微机控制系统组成框图,回顾,:,模拟量输入通道,模拟量输入通道的一般组成,一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样,/,保持器和,A/D,转换器组成,3 D/A,与,A/D,转换技术,1,D/A,转换器（,Digital to Analog Converter,，,DAC,）,是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件,A/D,转换器（,Analog to Digital Converter,，,ADC,）,则相反，它能把模拟量转换成相应的数字量。,3 D/A,与,A/D,转换技术,2,D/A,转换器的组成,基准电压（电流）,模拟二进制数的位切换开关,产生二进制权电流（电压）的精密电阻网络,提供电流（电压）相加输出的运算放大器,3 D/A,与,A/D,转换技术,3,D/A,转换器的原理,转换原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，,D/A,转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行,D/A,转换。,解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和,T,型电阻网络。,3 D/A,与,A/D,转换技术（,4,）,4,位权电阻网络,D/A,转换器原理图,3 D/A,与,A/D,转换技术（,5,）,E,为基准电压,为,晶体管位切换开关，受二进制各位状态控制,相应位为“,0”,，开关接地,相应位为“,1”,，开关接,E,为权电阻网络，其阻值与各位权相对应，权越大，电阻越大,(,电流越小,),，以保证一定权的数字信号产生相应的模拟电流,运算放大器的虚地按二进制权的大小和各位开关的状态对电流求和,3 D/A,与,A/D,转换技术（,6,）,设输入数字量为,D,，,采用定点二进制小数编码，,D,可,表示为：,当 时，开关接基准电压,E,，,相应支路产生的电流为,当 时，开关接地，相应支路中没有电流。,因此，各支路电流可以表示为：,这里,3 D/A,与,A/D,转换技术（,7,）,运算放大器输出的模拟电压为,可见，,D/A,转换器的输出电压,U,正比于输入数字量,D,缺点：位数越多，阻值差异越大,3 D/A,与,A/D,转换技术（,8,）,4,位,T,型电阻网络（,R-2R,）,D/A,转换器原理图,3 D/A,与,A/D,转换技术（,9,）,从,节点,a,b,c,d,向右向上看，其等效电阻均为,2R,位切换开关受相应的二进制码控制，相应码位为“,1”,，开关接运算放大器虚地，相应码位为“,0”,，开关接地。,流经各切换开关的支路电流分别为 ，,，,各支路电流在运算放大器的虚地相加,3 D/A,与,A/D,转换技术（,10,）,运算放大器的满度输出为,这里满度输出电压,(,流,),比基准电压,(,流,),少了,1/16,，是因端电阻常接地造成的，没有端电阻会引起译码错误,对,n,位,D/A,转换器,而言，其输出电压为,3 D/A,与,A/D,转换技术,-A/D,转换（,11,）,常用,A/D,转换方式,：,逐次逼近式：转换时间短，抗扰性差（电压比较）,ADC0809,（,8,位），,AD574,（,12,位）,双斜率积分式：转换时间长，抗扰性好（积分）,MC14433,（,11,位），,ICL7135,（,14,位）,计数比较式：转换速度慢，抗扰性差，较少采用,3 D/A,与,A/D,转换技术（,12,）,逐次逼近式,A/D,转换原理图,3 D/A,与,A/D,转换技术（,13,）,采用对分搜索原理来实现,A/D,转换,主要由逐次逼近,寄存器,SAR,、,D/A,转换器、电压比较器、时序及控制逻辑等部分组成,工作过程：逐次把设定在,SAR,中的数字量所对应的,D/A,转换器输出的电压，与要被转换的模拟电压进行比较，比较时从,SAR,中的最高位开始，逐次确定各数码位是“,1”,还是“,0”,，最后，,SAR,中的内容就是,与输入的模拟电压对应的二进制数字代码,3 D/A,与,A/D,转换技术（,14,）,以,4,位,A/D,转换器为例，说明其逐次逼近过程的原理：,LSB,所代表的信号电压为,0.25v(,满量程,4/24,),，模拟输入电压为,1.8v,这里误差为,0.05v,。,SAR,位数越多，越逼近,，,但转换时间也越长,3 D/A,与,A/D,转换技术（,15,）,双,斜率积分式,A/D,转换原理图,3 D/A,与,A/D,转换技术（,16,）,工作原理,:,固定时间,T,内对模拟输入电压 积分,对基准电源反向积分，直到电容放电完毕，记录反向积分,时间,T1,模拟输入电压与参考电压的比值就,等于,上述两个时间值之比,3 D/A,与,A/D,转换技术（,17,）,A/D,转换器的主要技术指标,分辨率,能对转换结果发生影响的最小输入量，通常用数字量的位数来表示,(,如,:8,位或,1/28,LSB),分辨率越高，转换时对输入模拟信号的变化反应就越灵敏,量程,(,与,/,全一值区别,),所能转换的电压范围,3 D/A,与,A/D,转换技术（,18,）,精度,转换后所得结果相对于实际值的准确度,有绝对精度和相对精度之分,常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位，,用百分比表示相对精度,转换时间,积分型 毫秒级，逐次比较 微秒级,(1200),3 D/A,与,A/D,转换技术（,19,）,输出逻辑电平,多数与,TTL,电平配合,(,电平规范,0-2.2v),应注意是否要用三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存,工作温度,较好的 ，,;,差的,对基准电源的要求,电源精度,3 D/A,与,A/D,转换技术（,20,）,D/A,转换器的主要技术参数,分辨率：同,A/D,稳定时间,输入数字信号的变化是满量程时，输出信号达到稳定（离终值,1/2LSB,）,所需的时间,ns,或,m,s,输出电平,不同型号其输出电平相差很大,510v;2430v,或者,20mA,3A,输入编码：二进制码、,BCD,码、双极性时的各种码等,3 D/A,与,A/D,转换技术（,21,）,调零和,增益校准,大多数转换器都要进行调零和增益校准,一般先调零，然后校准增益，这样零点调节和增益调整之间就不会相互影响。,调整步骤：首先在“开关均关闭”的状态下调零，然后再在“开关均导通”的状态下进行增益校准,3 D/A,与,A/D,转换技术（,22,）,D/A,转换器的调整,调零：设置一定的代码，使开关均关闭，然后调节调零电路，直至输出信号为零或落入适当的读数（,1/10LSB,范围内,）,为止,增益校准：设置一定的代码，使开关均导通，然后调节增益校准电路，直至输出信号读数与满度值减去一个,LSB,之差小于,1/10LSB,为止,D/A,与,A/D,转换技术（,23,）,A/D,转换器的调整,调零：将输入电压精确地置于使“开关均关闭”的输入状态对应的输入值高于,1/2LSB,的,电平上，然后调节调零电路，使转换器恰好切换到最低位导通的状态,增益校准：将输入电压精确地置于使“开关均导通”的输出状态对应的输入值低,3/2LSB,的,电平上,，然后调节增益校准电路，使输出位于最后一位恰好变成导通之处,