第一章数字显示仪表——汪露.docVIP

应化1102班 汪露 座机电话号码0228 第二节 模拟转换器的基本原理 模拟转换器（也称A/D转换器）是数显仪表的重要组成部分，它可将连续变化的模拟信号变换成离散的数字信号，A/D转换器的转换关系可以表示为 式中的ai为第i位数码（非零即1），n为二进制数的位数，由上式可知，A/D转换器的第一位（最高位）如果是1，代表A/D转换器满量程的1/2，第二位代表满量程的1/4，第n位表示满量程的1/2n。对一个n位的A/D转换器，称1/2n为其分辨率，也就是说一个n位A/D转换器的量化误差小于满量程的1/2n。 A/D转换器的种类很多，根据转换原理可分为逐位比较反馈式、V/T转换式、V/f转换式......。下面就几种常见的A/D转换器的基本原理的基本工作原理作以下简单介绍。 逐位比较反馈式A/D转换器 逐位比较反馈式A/D转换器是目前使用较多的一类。它利用数模转换原理，对数字量从高位到低位逐位试加，将转换的模拟量电压同D/A转换器输出的反馈电压进行n次比较，使量化的数字量次逼近输入的模拟量。它的基本思想在于比较，就是用天平秤东西，先加天平满量程的1/2砝码，于被测物比较。当被测物重量大于满量程的1/2砝码的重量，保留砝码，再加满量程的1/4砝码与被测物进行比较（即用天平满量程的3/4砝码试秤被测物的重量）。当被测物重量小于满量程的3/4就去掉1/4的砝码，再加满量程的1/8的砝码进行比较，这样逐次比较，使砝码重量逐步接近被测物重量，与其比较，这样逐次比较，使砝码逐步接近被测物重量，以达到测量的目的，图1-2位三位逐位比较接近被测物重量，其中，VR位参考电压，扥与满量程电压，对应数字量1000. 逐位比较型A/D转换器由比较器、D/A转换器、时钟电路、节拍发生器、数据寄存器、控制电路等构成，其框图如图1-3所示。当转换启动命令到来后，控制器启动节拍发生器，置位数据寄存器为最高位（即第一位），数据寄存器变为1000......000，D/A转换器输出1000......000对应的模拟电压，即1/2VR，反馈到电压比较器的输入端，与输入模拟电压进行比较。当第一节拍到来时，控制其根据比较器的输出，保留或者置零最高位，若Vi≥1/2VR,则保留最高位的“1”;若Vi 1/2VR，则置零最高位，同时，置第二位位“1”，第二位以下各位为零。第一位和第二位组成的数据经数模转换器输出的相应的模拟电压与输入电压继续比较。第二个节拍来到时，控制器根据比较结果，保留或者置零第二位，同时置位第三位，一次类推。第n节拍到来时，决定第n位是1还是零，此时一次转换结束，数据寄存器中的数据，即为输入的模拟量转换成二进制的数字量。 逐位比较型A/D转换器的优点是转换速度快、准确度高。误差主要来源于参考电压源、D/A转换器和电压比较器。 脉宽调制型A/D转换器 脉宽调制型A/D转换器先将输入的模拟信号转换成脉冲信号，且输出脉冲的宽度正比于输入的模拟信号，即将输入的模拟信号变换成脉冲的宽度，然后再利用计数器测出脉宽（时间），这样就完成了模数转换。它是V/T转换型的一种，即将模数电压变换成时间，再测量时间。 图1-4所示为脉宽调制型A/D转换器的框图。它是由计数器、时钟发生器、控制器、电压比较器、线性增长的锯齿波发生器构成。锯齿波电压和输入的模拟电压，分别加到电压比较器的两输入端进行比较。这样比较器输出的脉冲宽度为输入模拟电压的函数。电压比较器的输入输出波形图，如图1-5所示。 转换开始前，开关K闭合，闭锁锯齿波发生器不产生锯齿波信号，同时控制器封锁计数门，计数器开始计数，恒流源对电容C开始充电。由于采用了恒流源充电，所以电容C上的电压线性增长。当电容上的电压Vb等于V1时，比较器输出状态改变，控制器封锁计数门，并闭合开关K。使电容上的电压回到零，此时计数器的数字显示值正当于输入电压V1，也就是将输入的模拟电压转换成了计数器内的数字量，完成了一次A/D转换。 此种转换器的优点是结构简单，但转换速度比较慢，计数器是从零开始计数的，每次只能记下一个量化电平。对于一个7位A/D转换器，就要计127个时钟脉冲才能达到满度，它的误差主要来源于电压计数器和锯齿波的线性度。 双积分式A/D转换器 双积分式A/D转换器也是V/T型转换器的一种。它是将模拟电压转换成时间间隔，再利用计数器测量时间间隔，所谓双积分，就是经过两次积分将模拟电压转换成时间间隔。它的工作原理是，在同一个积分器上，先对待转换的模拟信号进行定时积分，在此的基础上利用标准电压进行第二次反相积分。当积分器输出到第一次积分开始时的电压时（一般为零伏），第二次积分结束。这样第二次积分的时间正比于第一次积分的电压，测出第二次积分的时间，就求出了第一次积分输入模拟电压的数字值，即完成了A/D转换。