PLC模拟量与数字量之间的转换

1、13.3 模拟量与数字量之间的转换模拟量与数字量之间的转换3.3.1 A/D转换器转换器AD转换器是一种将模拟量转换成数字量的器件，通常也转换器是一种将模拟量转换成数字量的器件，通常也称为称为ADC。在数据采集系统中，传感器的输出大部分为模拟信。在数据采集系统中，传感器的输出大部分为模拟信号号(电压、电流电压、电流)，而计算机只能接收数字量。为此，需要在传，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转换器是数据采转换器是

2、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。换速度。 2A AD D转换器的类型较多。按其转换输出数据的方式，可分转换器的类型较多。按其转换输出数据的方式，可分为并行和串行两种，其中并行又分为为并行和串行两种，其中并行又分为8 8位、位、1010位、位、1414位和位和1616位位等；按其转换原理可分为逐次逼近式和双积分式等。等；按其转换原理可分为逐次逼近式和双积分式等。 并行与串行并行与串行ADCADC各有其优势。并行各有其优势。并行ADCADC占用较多的数据线，占用较多的数据线， 具有输出速度快的优点，在转换位数

3、较少时具有很高的性价比。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。 串行串行ADCADC占用的数据线少，转换速度慢，但它也有自身的优点：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。芯片小、引脚少，便于线路板的制作。 3A AD D转换器的主要技术特性如下：转换器的主要技术特性如下： (1) (1) 分辨力与分辨率。分辨力与分辨率

4、。A AD D转换器的分辨率习惯上以输出转换器的分辨率习惯上以输出二进制位数或二进制位数或BCDBCD码位数表示。分辨力为码位数表示。分辨力为1 LSB (1 LSB (最低有效位最低有效位数数) )。 12位位AD转换器转换器AD574的分辨率为的分辨率为12位，用百分数表示为位，用百分数表示为 %0244. 0%10040961%100211245G14433双积分式双积分式AD转换器的分辨率为转换器的分辨率为3位半。它的位半。它的满度字位为满度字位为1 999，其百分数表示的分辨率为，其百分数表示的分辨率为 %05. 0%10019991A AD D转换器的分辨力转换器的分辨力(1 LS

5、B)(1 LSB)对数据采集系统的总分辨力对数据采集系统的总分辨力起着决定性作用。起着决定性作用。 (2) 量化误差量化误差e 在理论上在理论上1/2LSB。 5 (3) 转换时间。完成一次转换时间。完成一次AD转换的时间转换的时间TC为为AD转换转换时间，在这段时间里输入时间，在这段时间里输入AD的模拟电压数值应稳定不变，的模拟电压数值应稳定不变， 否则就会造成否则就会造成AD转换的误差。通常转换时间转换的误差。通常转换时间TC比采样比采样/保持保持器的孔径时间器的孔径时间TAP大，更比孔径抖动大，更比孔径抖动TAJ大得多，因此若不加采大得多，因此若不加采样保持器，在保证转换误差不大于量化误

6、差样保持器，在保证转换误差不大于量化误差e的条件下，的条件下，AD转换器直接转换输入信号转换器直接转换输入信号Vx(t)的最高频率是很低的，公式的最高频率是很低的，公式(2-2)是转换时间是转换时间TC和转换器的位数与可采集信号的最高频率的关系：和转换器的位数与可采集信号的最高频率的关系：CnTf1211H（2-2） 例如：例如：8位位ADC (080X)，n=8，Tc=100s，fH6.3 Hz；12位位ADC (AD574)，n=12，Tc=35s，fH1.1 Hz； 6例如：例如：8位位ADC (080X)，n=8，Tc=100s，fH6.3 Hz；12位位ADC (AD574)，n=1

7、2，Tc=35s，fH1.1 Hz；为了对更高频率的输入信号进行模一数转换，在为了对更高频率的输入信号进行模一数转换，在AD转换转换器前都要加采样保持器。器前都要加采样保持器。(4) 转换速率是转换时间转换速率是转换时间Tc的倒数，如的倒数，如Tc=20 ns，即转换速率，即转换速率为为50MSPS。(5) 其他参数如对电源电压变化的抑制比其他参数如对电源电压变化的抑制比(PSRR)、零点和增、零点和增益温度系数、输入电阻等。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统中的一个环节

8、，它也有测量环节的基本特性(静态特性、动静态特性、动态特性态特性)相对应的技术指标，如零点、非线性误差相对应的技术指标，如零点、非线性误差(线性度线性度)、量、量程等，除厂家给出外，用户可以自行检验或标定。程等，除厂家给出外，用户可以自行检验或标定。 71、逐渐逼近式、逐渐逼近式A/D转换器转换器 A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。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

9、方便。直接速度高，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。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间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间时间t或频率或频率f, 然后再将然后再将t或或f转换成数字量。其特点是转换成数字量。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。间接性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。转换器有单次积分型、双积分型等。8 逐次逼近的方法逐次逼近的方法ADC的内部主要由逐的内部主要由逐次逼近寄存器次逼近寄存器

10、SAR、DA转换器、电压比转换器、电压比较器和一些时序控制逻辑电路等组成。其较器和一些时序控制逻辑电路等组成。其原理框图如图原理框图如图1所示：所示： 9图图1 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器10 其工作原理非常类似于用天平称重。在转换其工作原理非常类似于用天平称重。在转换开始前，先将开始前，先将SAR寄存器各位清零，然后设其最寄存器各位清零，然后设其最高位为高位为1（对（对8位来讲，即为位来讲，即为10000000B）就像就像天平称重时先放上一个最重的砝码一样，天平称重时先放上一个最重的砝码一样，SAR中中的数字量经的数字量经D/A转换器转换为相应的模拟电压转换器转换为相应的模拟电压

11、VC，并与模拟输入电压并与模拟输入电压VX进行比较，若进行比较，若VXVC，则，则SAR寄存器中最高位的寄存器中最高位的1保留，否则就将最高位保留，否则就将最高位清零清零(若砝码比物体轻就要保留此砝码，否则去掉若砝码比物体轻就要保留此砝码，否则去掉此砝码此砝码)。然后再使次高位置。然后再使次高位置1，进行相同的过程，进行相同的过程直到直到SAR的所有位都被确定。转换过程结束后，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寄存器中的二进制码就是ADC的输出。的输出。 11ACD1143及其应用及其应用 ACD1143是一个是一个16位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器。转换器。

12、 主要特性：主要特性： 16位高分辨率位高分辨率 转换时间转换时间 ADC1143J最大转换时间为最大转换时间为70s ADC1143K最大转换时间为最大转换时间为100s 自带参考电源和时钟脉冲自带参考电源和时钟脉冲 低功耗低功耗 当当VS=15V时，最大功耗为时，最大功耗为175mW 当当VS=12V时，最大功耗为时，最大功耗为150mW12 最大非线性最大非线性 ADC1143J为为0.006% ADC1143K为为0.003% 动态非线性温度系数动态非线性温度系数 ADC1143J最大为最大为2 ADC1143K最大为最大为1 供电范围供电范围 VS=11.4V18.0V VD=+3.

13、0V+18.0VC06/10C06/1013 ADC1143由由16位位CMOS逐次逼近逐次逼近DAC、16位逐次逼近寄存器、低功耗比较器、内位逐次逼近寄存器、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，其功能框阻网络和高质量耦合电容组成，其功能框图如图图如图2所示所示：14图图2 ADC1143功能框图功能框图15 ADC1143的引脚功能：的引脚功能： 模拟输入电压引脚（模拟输入电压引脚（2729脚）脚） 模拟电压范围模拟电压范围可编程可编程模拟电模拟电压范围压范围V输出电压输出电压模拟电压引模拟电压引入脚入脚26脚连

14、接情脚连接情况况20脚连接情脚连接情况况+5二进制二进制27、2829开断开断2+10二进制二进制27、28开断开断2、29+20二进制二进制27开断开断2、28、295偏移二进制、偏移二进制、二进制补码二进制补码29272、2810偏移二进制、偏移二进制、二进制补码二进制补码28272、2916参考电源输入、输出（参考电源输入、输出（25、26脚）脚） 当使用内部参考电源时，将它们之间接一个当使用内部参考电源时，将它们之间接一个100精精密电位器密电位器 当使用外部参考电源时，按下图进行连接当使用外部参考电源时，按下图进行连接17偏移调节引脚（偏移调节引脚（24脚）脚） 零输出校正。零输出校

15、正。并行数据输出引脚（并行数据输出引脚（419脚）具有数据锁存功能，无三脚）具有数据锁存功能，无三态驱动，以偏移二进制码输出。态驱动，以偏移二进制码输出。补码输出（补码输出（3脚）脚） 二进制补码输出使用位二进制补码输出使用位模拟地和数字地（模拟地和数字地（30、2脚）应通过外部连接，以一点脚）应通过外部连接，以一点连接为最佳连接为最佳状态引脚（状态引脚（22脚）脚） ADC1143的工作状态信号。的工作状态信号。转换命令引脚（转换命令引脚（21脚）启动脚）启动ADC进行进行A/D转换，在该信转换，在该信号的下降沿，各内部状态全部复位。号的下降沿，各内部状态全部复位。18(2)ADC1143(

16、2)ADC1143的工作过程的工作过程19(3) ADC1143与与80C31接口接口2021ADC1143与与80C31接口接口22 双积分型双积分型ADCADC的转换原理是先将模拟电压的转换原理是先将模拟电压U UI I转换成与其大转换成与其大小成正比的时间间隔小成正比的时间间隔T T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T T变变换成数字量。换成数字量。 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 这种这种A/DA/D转换器具有很多优点。首先，其转换结果与时间转换器具有很多优点。首先，其转换结果与时间常数常数RCRC无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，无

17、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。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，且是一个固定值其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T T1 1，而而T T2 2正比于输入信号在正比于输入信号在T T1 1内的平均值，这对于叠加在输入信号内的平均值，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，这种上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种A/DA/D转换器不必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采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（T

18、T1 1+ +T T2 2）内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精）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。度较高而转换速度要求不高的仪器中。 23 双积分双积分A/DA/D转换器转换器MC1443及其应用及其应用 MC1443MC1443是一种是一种CMOSCMOS双积双积分分3 位位A/DA/D转换器，其转换器，其主要特性如下：主要特性如下： 转换精度转换精度 读数的读数的1/2000（相当于（相当于12位二进位二进制数）制数） 转换速度转换速度 810次次/s 输入阻抗输入阻抗 大于大于100M2124 工作电压工作电压 4.5 8V(或或91

19、6V) 转换结束输出形式转换结束输出形式 输出为输出为4位位BCD码码,由由DS1DS4分时选通输出分时选通输出 25(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26MC14433引脚图引脚图27DS1选通时选通时Q0Q3的含义的含义DS1Q3Q2Q1Q0输出结果状态输出结果状态110千位数为千位数为0100千位数为千位数为1110输出结果为正值输出结果为正值100输出结果为负值输出结果为负值101输入信号过量程输入信号过量程111输入信号欠量程输入信号欠量程28（2）MC14433与8031接口 MC14433的Q

20、0Q3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。29MC14433与与8031的接口的接口30分辨率用于表征分辨率用于表征D/AD/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转换器对输入微小量变化的敏感程度。 121UUnm 分辨率分辨率 分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。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，而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高越大，分辨率越高。 1. 分辨率分辨率 D/AD/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标D

21、/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输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入数字量的位数n表示表示D/A转换器的分辨率；转换器的分辨率；可用可用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。示分辨率。05/75001010011100 101110111vo/VD000312. 转换精度转换精度 D/A 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。值之差，即最大静态转换误差。3. 转换速度转换速度 从输入的数字量发生突变开始，从输入

22、的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差到输出电压进入与稳定值相差0.5LSB0.5LSB范围内所需要的时间，称为范围内所需要的时间，称为建立时间建立时间t tsetset。目前单片集成。目前单片集成D/AD/A转换转换器（不包括运算放大器）的建立时间器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到最短达到0.10.1微秒以内。微秒以内。 4. 温度系数温度系数 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化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高11，输出电压变，输出电压变化的百分数作为温度系数。化的百

23、分数作为温度系数。32D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832（1 1）DAC0832DAC0832结构原理及引脚功能结构原理及引脚功能 它由一个它由一个8 8位输入寄存器位输入寄存器、一个、一个8 8位位DACDAC寄存器寄存器和一个和一个8 8位位D/AD/A转换器转换器三大部分组成。它为三大部分组成。它为2020脚双列直插式封装脚双列直插式封装结构，其逻辑结构及引脚如下图所示：结构，其逻辑结构及引脚如下图所示：33342.DAC08322.DAC0832引脚功能引脚功能 DIDI7 7DIDI0 0：8 8位输入数据信号。位输入数据信号。I IOUT1OUT1：DACDAC输

24、出电流输出电流1 1。当。当DACDAC锁存器中为全锁存器中为全1 1时，时，I IOUT1OUT1最最大（满量程输出）；为全大（满量程输出）；为全0 0时，时，I IOUT1OUT1为为0 0。 I IOUT2OUT2：DACDAC输出电流输出电流2 2。它作为运算放大器的另一个差分。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足输入信号（一般接地）。满足 I IOUT1OUT1+I+IOUT2 OUT2 常数。常数。ILEILE：输入锁存允许信号，高电平有效。：输入锁存允许信号，高电平有效。 CSCS：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。 WRWR1 1：输入数据选通信号

25、，低电平有效。（：输入数据选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁上升沿锁存）存）XFERXFER：数据传送选通信号，低电平有效。：数据传送选通信号，低电平有效。 WRWR2 2：数据传送选通信号，低电平有效。（：数据传送选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁上升沿锁存）存）35R Rfbfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832DAC0832中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了设置了R Rfbfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运

26、放增益不够，还须外加反馈电阻。增益不够，还须外加反馈电阻。U UREFREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。电压基准源。U UREFREF可在可在-10V-10V至至+10V+10V范围内选择。范围内选择。U UCCCC：电源输入端（一般取：电源输入端（一般取+5V+5V+15V+15V）。）。 DGNDDGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。 AGNDAGND：模拟地，是放大器、：模拟地，是放大器、A/DA/D和和D/AD/A转换器中模拟电路的转换器中模拟电路的零电位。

27、零电位。 36 任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，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，通常是不需要考虑由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地地”的形式的，但对的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的于模拟电路而言，这个不同地方的“地地”对测量的精度是构成对测量的精度是构成影响的，因此，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通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线开布线，只在板中的一点把它们连接起来。，只在板中的一点把它们连接起来。 373.DAC08323.DAC0832特性参数特性