第11章 数摸和模数转换.pptVIP

在生产控制过程中，监测和控制的往往是连续变化的模拟量，例如，电流、电压、温度、压力、位移、流量等。利用计算机实现对生产设备的检测和控制，需要将模拟量转换成计算机所能接受的数字量；也需要将数字量转换成模拟输出，驱动模拟调节执行机构工作。 从模拟量到数字量的转换称为模/数转换，简称A/D（Analog to Digital）转换；从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换，简称D/A（Digital to Analog）转换。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简称ADC（Analog-Digital Converter）；实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简称DAC（Digital-Analog Converter）。 1. 模拟量输入通道 （1）传感器 传感器是把工业生产中非电物理量转换成电量（电流、电压）的器件。例如，热电耦能够把温度这个物理量转换成几毫伏或几十毫伏的电压信号，故它可作为温度传感器；而有些传感器不是直接输出电量，而是把电阻值、电容值或电感值的变化作为输出量，反映对应的物理量的变化。 工业控制中，传感器输出的电信号不是统一的，而且有时信号比较微弱，在输入到A/D转换器之前必须添加适当的外围转换电路，如各种变送器，将传感器输出的微弱电信号或电阻值等转换成0～10mA或4～20mA电流信号或0～5V电压信号，变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器等。工业控制中的物理量（温度、压力、流量等）通过变送器很容易与A/D转换器相联系。 （2）信号处理环节 由于不同传感器输出的电信号各不相同；而且传感器处于恶劣工作环境，其输出有各种干扰信号，需增加滤波电路，滤去干扰信号。经过信号处理环节，将传感器输出的信号放大处理成与A/D转换器的输入相适应的电压信号。因此，信号处理环节主要包括信号放大电路和滤波电路等。 （3）多路转换开关 生产过程中，要监测或控制的模拟量往往不止一个，而且有不少模拟量是缓慢变化的。对于模拟量的采集，为了节约投资，可采用多路模拟开关，使多个模拟量共用一个A/D转换器进行A/D转换。 （4）采样保持器 采样保持电路是在A/D转换期间采样输入量并保持一段时间的电路。由于输入模拟量是连续变化的，而A/D转换器要完成一次转换是需要时间的，这段时间称为转换时间。不同类型的A/D转换芯片，其转换时间不同。对变化较快的模拟量来说，如果不采取措施，将会引起转换误差。A/D转换器的转换时间越长，对同样频率模拟量转换精度的影响就越大。为了保证转换精度，可用采样保持器在A/D转换期间，保持采样输入信号大小不变。 （5）A/D转换器 A/D转换器是模拟量输入通道的核心环节，其作用是将模拟输入量转换成数字量，以便于计算机读取和分析处理。通常A/D转换器的输入有以下几种电压等级：双极性为0～±2.5伏、0～±5伏、0～±10伏；单极性为0～5伏、0～10伏、0～20伏等。 2．模拟量输出通道 计算机输出的是数字量，执行元件要求提供电流或电压等模拟量。因此，必须采用模拟量输出通道来实现D/A转换，把微型计算机输出的数字量转换成模拟量。D/A转换器在转换过程中需要一定的转换时间，输入待转换的数字量应保持不变，而计算机输出的数据量，在数据总线上稳定的时间很短。因此在计算机与D/A转换器间需用锁存器来保持数字量的稳定。经过D/A转换器得到的模拟信号要经过低通滤波器使其输出平滑波形；同时，为了驱动受控设备，应采用功率放大器作为模拟量输出的驱动电路。 D/A转换器的作用是把数字量信号转换成与此数字量相对应的模拟量信号。目前使用的D/A转换电路多以集成D/A芯片的形式出现，其转换时间一般在几十纳秒到几微秒之间，转换精度按芯片位数可分为8位、10位、12位、16位等。下面先简单讨论D/A转换的基本原理，然后介绍常用D/A转换芯片及其与微型计算机的接口方法。 11.2.1 D/A转换器的工作原理 D/A转换的基本原理是把数字量的每一位代码按权大小转换成模拟分量，然后根据叠加原理将各代码对应的模拟输出分量相加。D/A转换器的主要部件是电阻开关网络，网络形式有权电阻网络和倒T型电阻网络等。 由模拟电路知识可知，在简单的运算放大电路中，当放大器的放大倍数足够大时，其输出电压Vo和输入电压Vi的关系为： （11.1） 其中，Rf：为运算放大电路的反馈电阻，R：为输入端输入电阻。若输入端有n个支路，则输入和输出的关系可表示为：