第9章数据采集系统

第9章数据采集系统第一页，共38页。9.1典型的测控系统组成典型的测控系统组成框图ADC或A/D：AnalogtoDigitalConverterDAC或D/A：

DigitaltoAnalogConverter第二页，共38页。9.2多路模拟开关在实际的系统中，被测量的回路往往是几路或几十路，不可能对每一回路的参量配置一个A/D转换器，常利用多路开关，轮流切换各被测回路与A/D间的通路，以达到各回路分时占用A/D转换电路的目的。模拟开关是一种能够按照控制指令对模拟信号传输进行通、断控制的电子器件。模拟开关多用场效应管来构成，开关接通时还会有一导通电阻，在断开状态时仍会有一小的关断电流。第三页，共38页。CC4051是一个允许双向使用的CMOS多路开关集成芯片，它既可用于8路到一路的切换(用于A/D)，又可用于一路到8路的切换(用于D/A)。第四页，共38页。9.3采样保持电路

采样保持电路常用于输入信号变化较快或具有多路输入信号的数据采集系统中。在A/D转换过程中，因为每次转换过程需要一定的时间，所以需要采样保持电路的配合，以便有一个稳定的采集量。采样保持器的工作过程由外部控制信号来决定，工作过程分采样和保持两个周期。采样：就是要求输出信号能快速而准确地跟随信号的变化；保持：则是在两次采样间隔时间内保持上一次采样结束时的状态。第五页，共38页。第六页，共38页。9.4D/A转换器D/A功能:将数字量线性地地转换成模拟量D/An=4位8位10位12位16位n位数字量模拟量0~5V或0~10V第七页，共38页。

为了将数字量转换为模拟量，必须将二进制数的每一位代码按“权”值转换成相应的模拟量，然后将代表各位二进制数的这些模拟量相加，这样便得到与数字量成正比的模拟量。 设输入数字量为D=d3d2d1d0

d3U3,

d2U2,d1U1,

d0U0输出模拟量为Uo=U3+U2+

U1+U0=kDk是一个常数；D为n位二进制数。第八页，共38页。DAC转换特性：输入与输出的对应关系最小输出电压ULSB

：

相临两组代码转换出来的模拟量之差（2V)。分辨率：

电路所能分辨出的最小输出电压与最大输出电压之比。分辨率=ULSBUomax=1

2n-1四位二进制的分辨率？

若最大输出电压仍为14V，最小输出电压将变大还是变小？000001010011100101110111DDDACuo24101206814uo/V设D为三位二进制要求uomax=14V第九页，共38页。n位二进制DAC框图基准电压UR输出U0电阻解码网络…数字模拟开关…

数字寄存器…

dn1

d0第十页，共38页。DAC有权电阻网络型T型电阻网络型倒T型电阻网络型数模转换器的分类：第十一页，共38页。

1.倒T型电阻网络D/A转换器下图是四位倒T型电阻网络D/A转换器的原理图，它由R-2R构成的倒T型电阻网络、模拟开关、求和放大器A及基准电压源UR组成。第十二页，共38页。从A、B、C、D各点向左看其等效电阻均为R，电源的总电流为:RFS2Ad0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’第十三页，共38页。同理:I2=d2

I/4,I1=d1

I/8,I0=d0

I/16若d3=1,则通过S3流入运放的电流I3=I/2，若d3=0,I3=0,

因此,I3=d3

I/2I'ARFS2Ad0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’第十四页，共38页。I'I'RFS2Ad0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’第十五页，共38页。输出电压为：

I’RF如果是n位D/A转换器，并设RF=R，则Uo的表达式为：

第十六页，共38页。

2.集成DAC0832简介及应用

集成DAC电路芯片种类很多。按输入二进制的位数分类有八位、十位、十二位和十六位等。例如DAC0832，是一个具有两个输入数据缓冲区的倒T型8位D/A转换芯片，其结构框图如图9.4.3所示(1)DAC0832简介第十七页，共38页。第十八页，共38页。(2)DAC0832的输出方式

DAC0832为电流输出型D/A转换器，可提供单极性和双极性两种输出方式，电路如图9.4.5所示。

单极性输出：在其电流输出端接一运算放大器从A点输出。输出电压uA=IOUT1×Rfb。当UREF接+5V(或-5V)时，uA的电压范围是0~-5V(或0~+5V)。第十九页，共38页。双极性输出：在单极性输出的基础上再增加一级运算放大器，便构成了电路，从B点输出。考虑到R1：R2：R3=2：1：2，这样，恰恰使B点的输出特性在A点输出的基础上位移了二分之一。假设UREF=+5V，则uA

=0~-5V，而uB=-5~+5V。第二十页，共38页。(1)

分辨率电路所能分辨的最小输出电压ULSB与满刻度输出电压Uomax之比，分辨率当Uomax一定时，n越大，分辨能力越高。12110-12111-n=10的DAC分辨率=n=11的DAC分辨率=3.DAC的主要参数第二十一页，共38页。(2)转换误差一般是指输入端加满刻度的数字量时，DAC输出电压的理论值与实际值之差。转换误差一般应低于。例如，某控制系统中有一D/A转换器，如果系统要求该D/A转换器的转换误差（相对误差）小于0.25%，试问应选择多少位的D/A/转换器？解：转换误差Uomax<0.25%转换误差Uomax<UomaxUomax0.25%≤LSBUUomax0.5%≤121100%05%n-≤.n=7.64D/A转换器位数至少为8位。第二十二页，共38页。（3）转换速度 转换速度是指从数码输入到模拟电压稳定输出之间所经历的响应时间。一般取输入由全0变为全1或由全1变为全0时，其输出达到稳定值所需的时间，也称转换时间。第二十三页，共38页。9.5A/D转换器(1)A/D功能:将模拟电压成正比地转换成数字量A/DUI输入模拟电压D7~D0输出数字量0~5V~分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位1.A/D功能及分类第二十四页，共38页。(2)A/D转换器分类①并联比较型

特点:转换速度快,转换时间10ns~1s②逐次逼近型

特点:转换速度中,转换时间几s~100s③双积分型

特点:转换速度慢,转换时间几百s~几ms根据内部电路不同,分为以下三类:第二十五页，共38页。

逐次比较型ADC，又称逐次逼近型ADC。其工作原理类似与天平的称重过程（如称13克的重物）。2.逐次比较型A/D转换器序号砝码（8、4、2、1克）砝码取留18留24留32去41留第二十六页，共38页。组成：3位DAC、电压比较器、模5环形计数器、钟控RS触发器。UR=5V，Ui=3.2V，初始化（图中未画)QAQBQC=000Q1Q2Q3Q4Q5=00001

当第一个脉冲Q1Q2Q3Q4Q5=10000。因为Q1=1，则QAQBQC=100 Uo=5/23×22=2.5V因为Uo<Ui，比较器的输出UB=0。 &&第二十七页，共38页。

第二个CP到来后，Q1Q2Q3Q4Q5=01000。因为Q2=1，QB被置1；由于UB=0，封锁了与门G1，Q2不能通过门G1使QA复位，QA仍为1，因此QAQBQC=110Uo=5/23×（22+21）=3.75V因为Uo>Ui，比较器输出UB=1。

第三个CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00100。由于Q3=1，QC被置1；此时因为UB=1，门G2被打开，Q3通过门G2使QB=0；同时Q1=Q2=0，使QA保持1状态不变。因而QAQBQC=101，Uo=5/23×（22+20）=3.125V因为Uo<Ui，比较器的输出UB=0。&&第二十八页，共38页。

第四个CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00010。由于UB=0，封锁了门G1～G3，同时由于Q1Q2Q3=000，所以QA

、QB

、QC保持原状态不变，即QAQBQC=101。第五个CP来后，Q1Q2Q3Q4Q5=00001。由于Q5=1，使QAQBQC通过门G6、G7、G8，输出转换结果d2d1d0=101。再来一个CP脉冲后，Q1Q2Q3Q4Q5=10000，又重新开始转换。&&第二十九页，共38页。2．集成ADC

目前一般用的多数是单片集成ADC，其种类很多，如AD571，ADC0801，ADC0809等。下面介绍CMOS、8通道、8位模数转换器ADC0809。

ADC0809是按逐次逼近原理工作的，它除了具有基本的A/D转换功能之外，内部还包括8路模拟输入通道，为了实现8路信号的分时采集，在片内设置了8路模拟选择开关以及相应的通道地址锁存和译码电路，输出具有三态缓冲能力，能与微机总线直接相连。第三十页，共38页。CBA选中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7第三十一页，共38页。第三十二页，共38页。3.A/D转换器的主要技术参数

分辨率：ADC的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效位(LSB)所对应的输入模拟电压的变化量。例如ADC输入模拟电压变化范围为0～10V，输出为10位数码，则分辨率为分辨率也可用百分数表示，即

一般来说，位数愈多，则每一位二进制代码所代