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 AD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AD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。,AD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。,AD转换器的主要技术特性如下： (1) 分辨力与分辨率。AD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AD转换器AD574的分辨率为12位，用百分数表示为,5G14433双积分式AD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,AD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AD转换的时间TC为AD转换时间，在这段时间里输入AD的模拟电压数值应稳定不变， 否则就会造成AD转换的误差。通常转换时间TC比采样/保持器的孔径时间TAP大，更比孔径抖动TAJ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，AD转换器直接转换输入信号Vx(t)的最高频率是很低的，公式(2-2)是转换时间TC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，Tc=100s，fH6.3 Hz；12位ADC (AD574)，n=12，Tc=35s，fH1.1 Hz；,例如：8位ADC (080X)，n=8，Tc=100s，fH6.3 Hz；12位ADC (AD574)，n=12，Tc=35s，fH1.1 Hz； 为了对更高频率的输入信号进行模一数转换，在AD转换器前都要加采样保持器。 (4) 转换速率是转换时间Tc的倒数，如Tc=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。 AD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、DA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VC，并与模拟输入电压VX进行比较，若VXVC，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VS=15V时，最大功耗为175mW 当VS=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 VS=11.4V18.0V VD=+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,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UI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T1，而T2正比于输入信号在T1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（T1+T2）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DS1DS4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,DS1选通时Q0Q3的含义,（2）MC14433与8031接口,MC14433的Q0Q3和DS1DS4与8031单片机的P1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。,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tset。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,DI7DI0：8位输入数据信号。,Rfb：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Rfb，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。,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： 1s 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WR1同时有效时，输入数据DI7DI0进入输入寄存器；并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR2和XFER同时有效时，输入寄存器的数据进入DAC寄存器；并在WR2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（IOUT1+IOUT2）输出。 ,（2）DAC0832与MC