数据采集系统-计算机测控系统

第十章数据采集系统——计算机测控系统§10.8采样保持器§10.9D/A转换器§10.10A/D转换器§10.7多路模拟开关§10.6典型的测控系统组成§10.6典型的测控系统组成传感器传感器变送器变送器多路模拟开关模拟控制器采样保持器计算机A/DD/A······测控系统框图

把模拟量转换为数字量的过程称为模数转换，完成这种转换的电路称为模数转换器(AnalogtoDigitalConverter)，简称为ADC或A/D；把数字量转换为模拟量的过程称为数模转换，完成这种转换的电路称为数模转换器(DigitaltoAnalogConverter)，简称DAC或D/A。§10.7多路模拟开关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

注意：模拟开关多用场效应管来构成，因为场效应管的VGS能够使D、S之间导通和断开，但这样做成的实际的模拟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一、场效应管结构原理

场效应管（FiedlEffectTransistor——FET）是利用电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具有输入电阻高（MOSFET最高可达1015Ω）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中得到广泛应用。按结构，场效应管可分两大类：结型场效应管（JFET）绝缘栅型场效应管（IGFET）

绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为金属（铝）栅极和半导体之间绝缘层，又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorFET)。MOSFET可分为增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道二、绝缘栅型场效应管结构1）结构N沟道增强型MOSFET在P型半导体上生成一层SiO2

薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区。栅极G源极S漏极D衬底B1、N沟道增强型MOSFET栅源电压vGS的控制作用——形成导电沟道

正电压vGS产生的反型层把漏-源连接起来，形成宽度均匀的导电N沟道，自由电子是沟道内的主要载流子。反型层刚形成时，对应的栅源电压vGS称为开启电压，用VT表示。2）工作原理原理1漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用

vGS≥VT，加vDS，形成iD，且iD与vDS基本成正比。因vDS形成电位差，使导电沟道为梯形。

vDS增大至vGD=vGS−vDS<VT，沟道被预夹断（漏端），管子进入饱和区。原理2沟道预夹断后，vDS继续增大，夹断点向源极方向移动，iD略有增大。vGS变化时，vGS<VT，没有导电沟道，iD≈0；

vGS=VT时开始形成导电沟道；vGS≥VT时，导电沟道变宽。从而改变vGS

的大小有效地控制沟道电阻的大小。——输入电压vGS

对输出电流iD的控制3）特性曲线——输出特性——转移特性

P沟道增强型N沟道耗尽型N沟道增强型P沟道耗尽型2、场效应三极管的参数2）夹断电压VGS(off)(或VP)

耗尽型FET的参数。在VDS为某一固定值条件下,iD等于一微小值（便于测量）时所对应的VGS。3）饱和漏极电流IDSS

耗尽型FET重要参数。在VGS=0的条件下，管子预夹断时的漏极电流。1）开启电压VGS(th)(或VT)

增强型FET的重要参数。在VDS为某一固定值下能产生iD所需要的最小|VGS|值。6）最大漏极功耗PDM

最大漏极功耗可由PDM=vDSiD决定，与双极型三极管的PCM相当。4）直流输入电阻RGS、rds

栅源电压与漏极电流之比，通常JFET的RGS>107Ω，MOSFET的RGS>109Ω。5）低频跨导gm

表征工作点Q上栅源电压vgs对漏极电流id的控制作用大小的参数，单位是mS。双极型三极管场效应三极管结构NPN型PNP型C与E一般不可倒置使用结型耗尽型N沟道P沟道绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移输入量电流输入电压输入电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)二、双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管场效应三极管噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成使用注意事项：（1）绝缘栅场效应管不能用万用表检查，必须用测试仪。使用四引线的场效应管，其衬底引线必须接地。（2）保存场效应管时应将各电极短路，以免外电场作用使管子损坏。焊接时，电烙铁必须有外接地线，以防止烙铁带电而损坏管子。焊接绝缘栅场效应管时，要按源极-漏极-栅极的顺序焊接，并且最好断电后进行焊接。二、多路模拟开关§10.8采样保持电路

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”要求输出信号能快速而准确地跟随信号的变化“保持”是在两次采样间隔时间内保持上一次采样结束时的状态。采样保持电路

模拟开关存储电容缓冲放大器当L为高电平时：T管导通，电路处于采样状态当L为低电平时：T管截止，电路处于保持状态转换基本原理

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。§10.9数模转换器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？D000001010011100101110111DDACuo24101206814uo/V设D为三位二进制要求uomax=14Vn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…

求和电路解码网络结构不同有权电阻网络型T型电阻网络型倒T型电阻网络型数模转换器的分类：模拟电子开关电路结构不同CMOS开关型双极型开关电流开关型ECL电流开关型倒T型电阻网络D/A转换器

uo++-AS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR2RRRRI3I2I1I0IABCD由R,2R构成的倒T形电阻网络模拟电子开关S求和放大器A基准电压源UR先计算电阻网络的输出电流Io1:计算时要注意两点：(1)不论模拟开关接到运放的反相输入端(虚地)或接地，也就是不论输入数字信号是1或0，倒T形电阻网络可用右图所示的电路来等效；(2)00’、11’、22’、33’左边部分电路的等效电阻均为R。如果输入的是n位二进制数，则当取RF=R时，则上式为上式表明，DAC输出的模拟电压Uo与输入n位二进制数字量dn-1，dn-2，…

，d0成正比，从而实现了数模转换。

的主要参数1、转换精度12110-12111-一般用分辨率和转换误差来描述转换精度(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。n=10的DAC分辨率=n=11的DAC分辨率=(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。2、转换速度当DAC输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，而需要一段时间。通常用建立时间和转换速率来描述。

建立时间（tset）指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。一般用DAC输入的数字量NB从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围（±LSB/2）时所需时间表示。转换速率（SR）用大信号工作状态下，模拟电压的变化率表示。

3、温度系数是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化发生的变化量。10.10A/D转换器转换的一般步骤及分类A/D转换器的一般步骤（1）采样、保持。采样：就是把一个时间上连续的信号变换为时间上离散的信号。保持：将采样信号保持一段时间，使A/D转换器有充分时间进行A/D转换。（2）量化、编码

模拟信号经采样、保持而抽取的采样电压值，就是在t1、t2、t3、…时刻ui的瞬时值，这些值的大小，在时间上是离散的，但在幅值上仍属于模拟量。

数字量是离散的，把采样电压归到ULSB的整数倍的离散电平上去，这一转化过程称为量化。把量化的结果再转化为对应的代码，就是编码。UiD000001010011100101110111ULSB2.A/D转换器的分类A/D转换器直接型并联比较型反馈比较型计数型逐次比较型间接型电压时间变换型（U/T变换型）电压频率变换型（U/f变换型）直接型A/D转换器1、快速并行

A/D转换器0≤Ui<（1/14）UR时：000（1/14）UR≤Ui<（3/14）UR时：00100000000000000000（1/14）UR为量化单位111表电路的代码转换UiQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1D2D1D00≤Ui<1/14UR00000000001/14UR≤Ui<3/14UR00000010013/14UR≤Ui<5/14UR00000110105/14UR≤Ui<7/14UR00001110117/14UR≤Ui<9/14UR00011111009/14UR≤Ui<11/14UR001111110111/14UR≤Ui<13/14UR011111111013/14UR≤Ui<UR1111111111

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