《DAAD转换》PPT课件.ppt

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 1/22,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转换技术 2/22,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(010mA,420mA 或者 TTL, CMOS,),3 D/A转换技术 3/22,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转换技术（4/22）, 4位权电阻网络D/A转换器原理图,3 D/A转换技术（5/22）, 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转换技术（6/22）, 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转换技术（7/22）, 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转换技术（8/22）, 4位T型电阻网络（R-2R）D/A转换器原理图,3 D/A转换技术（9/22）, 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转换技术（10/22), 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 A/D转换（11/22）,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 A/D转换技术（12/22）, 逐次逼近式A/D转换原理图,3 A/D转换技术（13/22）, 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 A/D转换技术（14/22）, 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 A/D转换技术（15/22）,双斜率积分式A/D转换原理图,3 A/D转换技术（16/22）, 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 应用于信号变化慢, 输入速度低,精度要求高,干扰重,3 D/A与A/D转换技术（17/22）,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=0.4%,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, LSB) 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) 应注意是否要对数据进行锁存等 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ms 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（20+）,满度, LSB, 全1值, LSB/2, A/D跃变点 p50, 表3-5,3 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(全零)，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(全1) ，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,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,3 A/D转换技术（23+）,满度10V,量程010V; 12bitA/D; LSB=10/212=2.44mV, 全1值=9.9976, LSB/2=1.22mV, A/D跃变点=全1值-LSB/2=9.9963V,3 A/D转换技术（23+）,继续: 增益校准: 当输入电压为:全1值-LSB/2=9.9963V时, 调节校准电路使最后一位恰好导通, 读数从111111111110变成111111111111 调零: 输入电压为LSB/2=1.22mV时, 调节校准电路使最后一位恰好导通, 读数从0000000000000变成000000000001,内容回顾,D/A转换器的方法: 权电阻网络图,梯形电阻网络原理图 A/D转换器的方法: 逐次逼近原理图,双斜率积分式原理图 A/D转换器的主要技术指标 分辨率; 量程; 绝对精度;相对精度; 转换时间; 输入电平;温度;基准电源 D/A转换器的主要技术指标 分辨率; 稳定时间; 输出电平; 输入编码 调零与增益校准 全1值; LSB; LSB/2; 3/2LSB; A/D跃变点 D/A, 1/10LSB; 满量程-LSB 1/10LSB A/D, 1/2LSB; 满量程 - 3/2 LSB,模数转换的原理误差,取样量化导致信息丢失。这主要来自两个方面的原因，其一：取样使得我们用时间轴上的有限时间点来代替原模拟信号的无限连续时间点；其二：量化使得我们用幅度轴上有限位数（模数转换器的有限位数）来代替模拟信号的无限位数。 这样两个因素导致我们无法获得真实模拟信号中的信息，或者说：破坏了模拟信号的完整性。同时要指出的是：这是一个原理性的误差源，若要想消除这个误差，只有提高采样速率，增加模数转换器的准确度（提高转换器的位数），当这两个参数达到极限时，我们就可以复现出模拟信号。然而，十分不幸的是：这两个参数在现实世界总是处在相互矛盾之中。就我们目前的技术而言，还无法和谐、统一的处理它们。,在NI可提供的产品中： NI PXI-5154是目前采样速率最高的模数转换器，但分辨率只有8bits。 NI PXI-4071是目前测量分辨率最高的模块，26bits分辨率时，每秒7次读数。 NI PXI-5922则是高速度、高分辨率二者兼顾最好的模数转换器，24bits分辩率时500KHz采样速率；16bits分辨率时15MHz采样率。,模数转换器的位数越多越好吗？,为了消除模数转换器的原理误差，应该尽可能的提高采样速率和分辨率，这个概念是对的，但是模数转换器的分辨率越高就意味着测量准确度越高吗？ 有人说：NI PXI-4461（NI USB-9233）都具备24bits的分辨率，所以测量精度就很高。这对吗？绝对不对！这是一个极其错误的概念，它将精密度与准确度（精度）混为一谈了，精密度高不等于精度高（正是由于避免混用的原因，精度这个词已经不建议使用了）。 可以说模数转换器的分辨率高，测量的精密度好，动态范围大。,以NI USB-9233为例,从它的产品介绍来看：它的准确度在060度的环境温度范围内是：0.1dB。这个数值是比较差的，即便是与它的动态范围相比，其准确度也就在：正、负0 .1。实际上，14bits以上的模数转换器都可以达到这样的技术性能 .但是要注意，它的稳定性很好，对比数据可以发现，它的稳定性指标要比准确度指标好100倍，所以适合做精密测试。,那干什么还要用24bits的模数转换器呢？ 其实这来自于测量不同信号的需求，我们知道：声音和振动冲击信号的（瞬时值）变化范围比较大，比如：声音的最大变化范围可以是：0140dB（通常最大为120dB）。为了测量这些信号需要再同一个量程下实现完整的测量，这就需要这种动态范围较大的模数转换器，而相对转换准确度的要求并不是很高，比如：工业声级计的测量准确度为：1dB。,所以这类模数转换器也被称为：DSA（动态信号采集卡）。 NI USB-9233等就是专为这些用途设计的，当然也包含了信号调理部分（IEPE激励源）。 顺便提一下NI USB-9233的替代产品NI USB-9234，它的技术性能要好很多，并且可以使用在AC或DC耦合方式下。但价格也要多2000元。,上图中左边是NI USB-9233的准确度指标，右边是 NI USB-9234准确度的技术指标，可以看出后者的技术性能要好的多。 NI还有许多24bits分辨率的数据采集卡，比如：NI 9217（温度）、NI 9219（多功能）、NI 9229（通用） 、NI9239（通用）、NI 9237（应变测量）等等以适应不同的测量用途。 NI PXI-5922 这是一块货真价实的模数转换器，其技术性能堪称一流，也难怪它一出现就被评为：2006年最佳测试仪器。,（一）、A/D转换器选择要点,1如何确定A/D转换器的位数 A/D转换器位数的确定与整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度有关，但又不能唯一确定系统的精度。 估算时，A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位 。 实际选取的A/D转换器的位数应与其它环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，选得太高既没有意义，而且价格还要高得多。,补充知识点： A/D转换器的选择要点及实用技术,2如何确定A/D转换器的转换速率,积分型、电荷平衡型和跟踪比较型A/D转换器转换速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，只能构成低速A/D转换器，一般运用于对温度、压力、流量等缓变参量的检测和控制。 逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几S到100S左右，属于中速A/D转换器，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数字转换系统等。 高速A/D转换器适用于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等。,3如何决定是否要加采样保持器,原则上直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其它情况都要加采样保持器,4工作电压和基准电压 如果选择使用单+5V工作电压的芯片，与单片机系统可共用一个电源就比较方便。 基准电压源是提供给A/D转换器在转换时所需要的参考电压，这是为保证转换精度的基本条件。在要求较高精度时，基准电压要单独用高精度稳压电源供给。,（二）、A/D转换器应用设计的几点实用技术,1、A/D转换器与MCS-51单片机接口逻辑设计 各种型号的A/D转换器芯片均设