過(guò)程通道與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、1 內(nèi)容與要求內(nèi)容與要求重點(diǎn)掌握重點(diǎn)掌握：過(guò)程通道的組成、采樣信號(hào)與數(shù)字信：過(guò)程通道的組成、采樣信號(hào)與數(shù)字信號(hào)、采樣定理、零階保持器的特性、采樣號(hào)、采樣定理、零階保持器的特性、采樣/ /保持器保持器與與A/DA/D轉(zhuǎn)換的工作流程。轉(zhuǎn)換的工作流程。一般掌握一般掌握：D/AD/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及指標(biāo)，轉(zhuǎn)換器的工作原理及指標(biāo)，A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的分類、原理及特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般組換器的分類、原理及特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般組成及工作原理。成及工作原理。了解內(nèi)容了解內(nèi)容：DAC0832DAC0832與與ADC0809ADC0809芯片的功能，與計(jì)芯片的功能，與計(jì)算機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)及軟件編程。算機(jī)

2、的接口電路設(shè)計(jì)及軟件編程。 第二章第二章 過(guò)程通道與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)過(guò)程通道與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2 內(nèi)內(nèi) 容容 2.1 概述概述 2.2 信號(hào)的采集與恢復(fù)信號(hào)的采集與恢復(fù) 2.3 D/A轉(zhuǎn)換器及接口轉(zhuǎn)換器及接口 2.4 A/D轉(zhuǎn)換器及接口轉(zhuǎn)換器及接口 2.5 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3過(guò)程通道過(guò)程通道實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程間的信息傳遞實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程間的信息傳遞 輸入通道輸入通道（模擬量輸入、數(shù)字量輸入、脈沖信號(hào)）（模擬量輸入、數(shù)字量輸入、脈沖信號(hào)） 輸出通道輸出通道（模擬量輸出、數(shù)字量輸出）（模擬量輸出、數(shù)字量輸出）2.1 2.1 概述概述模擬量輸入模擬量輸入 能轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)的量能轉(zhuǎn)

3、換成模擬電信號(hào)的量 數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入 開(kāi)關(guān)狀態(tài)（開(kāi)關(guān)狀態(tài)（1或或0） 脈沖量輸入脈沖量輸入 脈沖形式輸入信號(hào)脈沖形式輸入信號(hào) 模擬量輸出模擬量輸出 執(zhí)行裝置、顯示、記錄執(zhí)行裝置、顯示、記錄數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出 執(zhí)行器（通執(zhí)行器（通/斷）、報(bào)警斷）、報(bào)警42.1 2.1 概述概述 通常測(cè)量元件、執(zhí)行元件和被控對(duì)象是模擬元件，通常測(cè)量元件、執(zhí)行元件和被控對(duì)象是模擬元件，其輸入、輸出信號(hào)是模擬信號(hào)。其輸入、輸出信號(hào)是模擬信號(hào)。 計(jì)算機(jī)中只能處理數(shù)字信號(hào)。計(jì)算機(jī)中只能處理數(shù)字信號(hào)。 為了使兩種信號(hào)在系統(tǒng)中能相互傳遞，在連續(xù)為了使兩種信號(hào)在系統(tǒng)中能相互傳遞，在連續(xù)信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間需要采樣、量化與編

4、碼，在信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間需要采樣、量化與編碼，在脈沖序列和連續(xù)信號(hào)間要用保持器。脈沖序列和連續(xù)信號(hào)間要用保持器。 采樣器與保持器，是采樣控制系統(tǒng)的兩個(gè)特殊采樣器與保持器，是采樣控制系統(tǒng)的兩個(gè)特殊環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)。 5信號(hào)信號(hào)調(diào)理調(diào)理傳感器傳感器(溫度、壓溫度、壓力）力）采樣采樣/保持器保持器A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)輸出設(shè)備輸出設(shè)備D/A執(zhí)行器執(zhí)行器輸入設(shè)備輸入設(shè)備計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)字處計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)字處理（如濾波、控制算理（如濾波、控制算法）、保存、打印等法）、保存、打印等控制對(duì)象控制對(duì)象典型的計(jì)算機(jī)控制（采集）系統(tǒng)典型的計(jì)算機(jī)控制（采集）系統(tǒng)62.2 信號(hào)的采集與恢復(fù)信號(hào)的采集與恢復(fù)1.典型的計(jì)算機(jī)控制

5、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示 r(t)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字控制器(計(jì)算機(jī))y(t)u(t)u*(t)u(kT)e(kT)D/A轉(zhuǎn)換保持器被控對(duì)象采樣器e*(t)e(t)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2.0 2.2.0 概述概述7 2. 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框圖： 采樣器、保持器和數(shù)字控制器采樣器、保持器和數(shù)字控制器的結(jié)構(gòu)形式和控制規(guī)律決定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，是研究的結(jié)構(gòu)形式和控制規(guī)律決定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，是研究的主要對(duì)象?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度由的主要對(duì)象?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度由A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率決定。這說(shuō)明轉(zhuǎn)換器的分辨率決定。這說(shuō)明A/D和和D/A轉(zhuǎn)

6、換轉(zhuǎn)換器只影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制精度。不影響動(dòng)態(tài)指標(biāo)。器只影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制精度。不影響動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 為了突出重點(diǎn)，只討論影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的為了突出重點(diǎn)，只討論影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基本問(wèn)題。為了便于數(shù)學(xué)上分析和綜合，在分析和基本問(wèn)題。為了便于數(shù)學(xué)上分析和綜合，在分析和設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，常常假定設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，常常假定A/D、D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的精度足夠高，使得量化誤差可以忽略，于是器的精度足夠高，使得量化誤差可以忽略，于是A/D、D/A只存在物理上意義而無(wú)數(shù)學(xué)上意義。即：只存在物理上意義而無(wú)數(shù)學(xué)上意義。即：數(shù)字信號(hào)與采樣信號(hào)數(shù)字信號(hào)與采樣信號(hào)e(kT)與與e*(t)，u(kT)與與u*(t)是是等

7、價(jià)的。上圖可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為如下頁(yè)圖所示。等價(jià)的。上圖可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為如下頁(yè)圖所示。 8數(shù)字控制器(計(jì)算機(jī))y(t)u(t)u*(t)u(kT)e(kT)r(t)保持器被控對(duì)象e*(t)e(t)TT計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖92.2.1 信號(hào)的采樣過(guò)程信號(hào)的采樣過(guò)程 1.采樣過(guò)程及采樣開(kāi)關(guān)采樣過(guò)程及采樣開(kāi)關(guān)： （1） 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，信號(hào)是以脈沖序列或在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)字序列的方式傳遞的，把連續(xù)信號(hào)變成數(shù)字序數(shù)字序列的方式傳遞的，把連續(xù)信號(hào)變成數(shù)字序列的過(guò)程叫做采樣過(guò)程；實(shí)現(xiàn)采樣的裝置叫采樣列的過(guò)程叫做采樣過(guò)程；實(shí)現(xiàn)采樣的裝置叫采樣開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)。 采

8、樣過(guò)程的原理下圖所示，其中采樣開(kāi)關(guān)為理采樣過(guò)程的原理下圖所示，其中采樣開(kāi)關(guān)為理想的采樣開(kāi)關(guān)，它從閉合到斷開(kāi)以及從斷開(kāi)到閉想的采樣開(kāi)關(guān)，它從閉合到斷開(kāi)以及從斷開(kāi)到閉合的時(shí)間均為零。采樣開(kāi)關(guān)平時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，合的時(shí)間均為零。采樣開(kāi)關(guān)平時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，其輸入為連續(xù)信號(hào)其輸入為連續(xù)信號(hào)f(t)，在采樣開(kāi)關(guān)的輸出端得到，在采樣開(kāi)關(guān)的輸出端得到采樣信號(hào)采樣信號(hào)f *(t)。 定時(shí)器控制的采樣開(kāi)關(guān)定時(shí)器控制的采樣開(kāi)關(guān) 10tf(t)0 T 2T 3T 4T 5T tf *(t)0 T 2T 3T 4T 5T (b) 連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào) (c) 采樣信號(hào)采樣信號(hào)信號(hào)的采樣過(guò)程信號(hào)的采樣過(guò)程f *(t)f (t)

9、T(a) 采樣開(kāi)關(guān)采樣開(kāi)關(guān) 112.2.函數(shù)函數(shù)12133 3. .采樣信號(hào)的脈沖序列標(biāo)示采樣信號(hào)的脈沖序列標(biāo)示1415162.2.2 采樣定理采樣定理 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是利用離散的信號(hào)進(jìn)行控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是利用離散的信號(hào)進(jìn)行控制運(yùn)算，這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：采用離散信號(hào)能否實(shí)運(yùn)算，這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：采用離散信號(hào)能否實(shí)施有效的控制，或者連續(xù)信號(hào)所含的信息能否由施有效的控制，或者連續(xù)信號(hào)所含的信息能否由離散信號(hào)表示，或者從離散信號(hào)能否一定能代表離散信號(hào)表示，或者從離散信號(hào)能否一定能代表原來(lái)的連續(xù)信號(hào)。原來(lái)的連續(xù)信號(hào)。 例如：有兩個(gè)不同的連續(xù)信號(hào)例如：有兩個(gè)不同的連續(xù)信號(hào)f1(t)和和f2(t)，假設(shè)選

10、擇采樣周期都為假設(shè)選擇采樣周期都為T(mén)，如下圖所示，從圖中，如下圖所示，從圖中可以可以看出，看出，f1(t)和和f2(t)具有相同的采樣信號(hào)具有相同的采樣信號(hào)f *(t)，這說(shuō)明這說(shuō)明f *(t)未必能完全反映或近似的反映連續(xù)信未必能完全反映或近似的反映連續(xù)信號(hào)。號(hào)。17tf(t)f *(t)f2(t)f1(t)0 T 2T 3T 兩個(gè)不同的連續(xù)信號(hào)具有相同采樣信號(hào)的采樣過(guò)程兩個(gè)不同的連續(xù)信號(hào)具有相同采樣信號(hào)的采樣過(guò)程18 1香農(nóng)香農(nóng)(Shannon)采樣定理采樣定理 一個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)一個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)f(t)，設(shè)其頻帶寬度是有限的，設(shè)其頻帶寬度是有限的，其最高頻率為其最高頻率為max(或或fma

11、x)，如果在等間隔點(diǎn)上對(duì)該，如果在等間隔點(diǎn)上對(duì)該信號(hào)信號(hào)f(t)進(jìn)行連續(xù)采樣，為了使采樣后的離散信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，為了使采樣后的離散信號(hào)f *(t)能包含原信號(hào)能包含原信號(hào)f(t)的全部信息量。則采樣角頻率的全部信息量。則采樣角頻率只有滿足下面的關(guān)系：只有滿足下面的關(guān)系： s2max 采樣后的離散信號(hào)采樣后的離散信號(hào)f *(t)才能夠無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)才能夠無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)f(t)。否則不能從否則不能從f *(t)中恢復(fù)中恢復(fù)f(t)。其中，。其中，max是最高角頻是最高角頻率，率，s是采樣角頻率。是采樣角頻率。Tfss2219 設(shè)連續(xù)信號(hào)設(shè)連續(xù)信號(hào)f(t)的傅里葉變換為的傅里葉變換為F(j)，且其最高

12、，且其最高頻率為頻率為max，采樣周期為，采樣周期為T(mén)，則，則T(t)的傅里葉級(jí)數(shù)為：的傅里葉級(jí)數(shù)為：tjkktjkknTsseTeCt1)(tjkksetfTtf)(1)(* 將將s=j代入上式，得到代入上式，得到f*(t)的傅里葉變換為：的傅里葉變換為：由由f*(t)=f(t)T(t)，則，則f*(t)為：為：ksjksFTsF)(1)(* 采樣信號(hào)采樣信號(hào)f*(t)的拉式變換為：的拉式變換為：20F*(j)稱為采樣函數(shù)稱為采樣函數(shù)f*(t)頻譜函數(shù)。頻譜函數(shù)。頻譜函數(shù)的模頻譜函數(shù)的模|F*(j)|稱為稱為f*(t)的振幅頻譜，簡(jiǎn)稱為頻譜。的振幅頻譜，簡(jiǎn)稱為頻譜。F (j)為連續(xù)函數(shù)為連續(xù)

13、函數(shù)f(t)的頻譜函數(shù)。的頻譜函數(shù)。 ksjkjFTjF)(1)(* 可以看出可以看出F*(j)是由一系列是由一系列F (j+ jks)/T組成，組成，當(dāng)當(dāng)k=0時(shí)，時(shí)， F*(j)的主頻譜分量為的主頻譜分量為F (j)/T 。由此可由此可見(jiàn)，見(jiàn)， F F*(j)與與F F ( (jj) )形狀相同，幅值為形狀相同，幅值為F (j)的的1/T，最高頻率也是，最高頻率也是max。 當(dāng)當(dāng)k00時(shí)，各周期項(xiàng)為主頻譜的鏡像頻譜，形狀時(shí)，各周期項(xiàng)為主頻譜的鏡像頻譜，形狀與主頻譜相同。與主頻譜相同。21連續(xù)函數(shù)連續(xù)函數(shù)f(t)及其頻譜及其頻譜|F(j)|如果如果s2max，鏡象頻譜與主頻譜分離，如下圖。，

14、鏡象頻譜與主頻譜分離，如下圖。此時(shí)，可以采用一個(gè)低通濾波器，將采樣信號(hào)頻譜中此時(shí)，可以采用一個(gè)低通濾波器，將采樣信號(hào)頻譜中的鏡象頻譜濾除，來(lái)恢復(fù)原連續(xù)信號(hào)。的鏡象頻譜濾除，來(lái)恢復(fù)原連續(xù)信號(hào)。22如果如果s2max，鏡象頻譜與主頻譜混疊，如下圖。，鏡象頻譜與主頻譜混疊，如下圖。此時(shí)，采用低通濾波器的方法恢復(fù)的信號(hào)中仍混有鏡此時(shí)，采用低通濾波器的方法恢復(fù)的信號(hào)中仍混有鏡象頻譜成分，不能恢復(fù)成為原連續(xù)信號(hào)。象頻譜成分，不能恢復(fù)成為原連續(xù)信號(hào)。23 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象的在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制對(duì)象的輸入信號(hào)一般為連續(xù)信號(hào)，這就必須將計(jì)算機(jī)輸輸入信號(hào)一般為連續(xù)信號(hào)，這就必須

15、將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)序列還原成連續(xù)信號(hào)，這就是信號(hào)出的數(shù)字信號(hào)序列還原成連續(xù)信號(hào)，這就是信號(hào)的恢復(fù)過(guò)程。的恢復(fù)過(guò)程。 由于采樣信號(hào)在兩個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻上才有值，由于采樣信號(hào)在兩個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻上才有值，而在兩個(gè)采樣點(diǎn)之間無(wú)值，為了使得兩個(gè)采樣點(diǎn)而在兩個(gè)采樣點(diǎn)之間無(wú)值，為了使得兩個(gè)采樣點(diǎn)之間為連續(xù)信號(hào)過(guò)渡，以前一時(shí)刻的采樣值為參之間為連續(xù)信號(hào)過(guò)渡，以前一時(shí)刻的采樣值為參考基值作外推，使得兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的值不為零考基值作外推，使得兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的值不為零值，這樣來(lái)近似連續(xù)信號(hào)。將數(shù)字信號(hào)序列恢復(fù)值，這樣來(lái)近似連續(xù)信號(hào)。將數(shù)字信號(hào)序列恢復(fù)成連續(xù)信號(hào)的裝置叫采樣保持器。成連續(xù)信號(hào)的裝置叫采樣保持器。2.2.

16、3 信息的恢復(fù)過(guò)程和零階保持器信息的恢復(fù)過(guò)程和零階保持器 24 已知某一采樣點(diǎn)的采樣值為已知某一采樣點(diǎn)的采樣值為f(kT)，將其連續(xù)信號(hào)，將其連續(xù)信號(hào)f(t)在該點(diǎn)鄰域展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)為：在該點(diǎn)鄰域展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)為： 外推的項(xiàng)數(shù)稱為保持器的階數(shù)。外推的項(xiàng)數(shù)稱為保持器的階數(shù)。 取等式右端第一項(xiàng)近似，有取等式右端第一項(xiàng)近似，有 f(t) f(kT) kTt(k+1)T稱零階保持器，表示為稱零階保持器，表示為ZOH。 取等式右端兩項(xiàng)之和近似，有取等式右端兩項(xiàng)之和近似，有 2)(! 21)()()(kTtkTfkTtkTfkTftfkTt)() 1()()()()()(kTtTTkfkTfkTfkTtk

17、TfkTftf25kTt(k+1)T 稱一階保持器。稱一階保持器。 同樣，可以取等式前同樣，可以取等式前n項(xiàng)之和近似，就構(gòu)成了項(xiàng)之和近似，就構(gòu)成了n階階保持器保持器 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，最廣泛采用的一類保持器在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，最廣泛采用的一類保持器是零階保持器。零階保持器將前一個(gè)采樣時(shí)刻的采樣是零階保持器。零階保持器將前一個(gè)采樣時(shí)刻的采樣值值f(kT)恒定地保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻恒定地保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻(k+1)T。也就是。也就是說(shuō)在區(qū)間說(shuō)在區(qū)間 kT，(k+1)T 內(nèi)零價(jià)保持器的輸出為常數(shù)。內(nèi)零價(jià)保持器的輸出為常數(shù)。 f(kT)tf(t)f(t)t26零階保持器的時(shí)域方程為：零階保持器的時(shí)

18、域方程為：( )1( ) 1()h tttT ( )(),(1)f tf kTkTtkT 零階保持器的脈沖過(guò)渡函：零階保持器的脈沖過(guò)渡函：零階保持器的傳遞函數(shù)：零階保持器的傳遞函數(shù)：1( ) ( )TsheG sL h ts27其頻率特性為：其頻率特性為：/21sin(/2)()/2j Tj TheTGjTejT其幅頻特性為：其幅頻特性為：sin(/2)()/2hTG jTT其相頻特性為：其相頻特性為：/2sin(/2)()/2 sin22j ThTGjTeTTT 28 零階保持器幅頻、相頻特性如圖所示。從圖中零階保持器幅頻、相頻特性如圖所示。從圖中可以看出，零階保持器是一個(gè)低通濾波器，但不是

19、可以看出，零階保持器是一個(gè)低通濾波器，但不是一個(gè)理想低通濾波器，高頻信號(hào)通過(guò)零階保持器不一個(gè)理想低通濾波器，高頻信號(hào)通過(guò)零階保持器不能完全消除，同時(shí)產(chǎn)生相位滯后。能完全消除，同時(shí)產(chǎn)生相位滯后。2STsinsin2sT由于由于所以所以故故sshTTjGsin22sin)(29 Ideal Actual1. 低通特性低通特性2. 相角滯后特性相角滯后特性3031采樣采樣/保持器保持器采樣采樣/保持器保持器A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器u1u2模擬模擬輸入輸入數(shù)字?jǐn)?shù)字輸出輸出A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換命令命令采樣采樣/保持器的功能：保持器的功能： 在在A/D轉(zhuǎn)換期間，使轉(zhuǎn)換期間，使A/D的輸入電壓的輸入電壓u2保持不變。保

20、持不變。32采樣采樣/保持器電路原理保持器電路原理C模擬電子開(kāi)關(guān)模擬電子開(kāi)關(guān)電壓跟隨器電壓跟隨器電壓跟隨器電壓跟隨器采樣保持電容采樣保持電容輸入輸入輸出輸出KA/D轉(zhuǎn)換命令轉(zhuǎn)換命令高電平期間，高電平期間，K合上，合上，C采樣采樣低電平期間，低電平期間，K打開(kāi)，打開(kāi)，C保持保持33t采樣采樣/保持器輸入輸出波形圖保持器輸入輸出波形圖A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換命令命令高電平期間高電平期間u2跟隨跟隨u1低電平期間低電平期間u2保持不變，保持不變，同時(shí)同時(shí)A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換進(jìn)行轉(zhuǎn)換u1 輸入輸入模擬信號(hào)模擬信號(hào)u2采樣采樣/保持器保持器輸出信號(hào)輸出信號(hào)34采樣周期采樣周期 采樣頻率采樣頻率A/D轉(zhuǎn)換命令轉(zhuǎn)換命令TT

21、：采樣周期，相鄰兩次采樣之間的時(shí)間間隔：采樣周期，相鄰兩次采樣之間的時(shí)間間隔 單位單位 s，ms， sf=1/T：采樣頻率，每秒采樣的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)：采樣頻率，每秒采樣的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù) 單位單位 Hz，kHz, MHz35 A/D轉(zhuǎn)換器將脈沖下降沿時(shí)的轉(zhuǎn)換器將脈沖下降沿時(shí)的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量在計(jì)算機(jī)屏幕上波形的恢復(fù)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上波形的恢復(fù)顯示tt1t2t3t4t5t6t7模擬信號(hào)模擬信號(hào)信號(hào)幅度信號(hào)幅度時(shí)間時(shí)間數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)t1t2t3t4t5t6t7A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換命令換命令計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)屏幕屏幕36結(jié)論：結(jié)論：因?yàn)橛?jì)算機(jī)屏幕波形顯示是用不連續(xù)的點(diǎn)組成，所因?yàn)橛?jì)算機(jī)屏幕波形顯示是用

22、不連續(xù)的點(diǎn)組成，所以，若將被采樣波形恢復(fù)顯示，必須有足夠大的采以，若將被采樣波形恢復(fù)顯示，必須有足夠大的采樣率。樣率。t1ms1kHz 1 2kHz 2 8kHz 816kHz 16頻率為頻率為1kHz的正弦波的正弦波4kHz 4采樣率采樣率 每周期采樣點(diǎn)數(shù)每周期采樣點(diǎn)數(shù)在計(jì)算機(jī)屏幕上波形的恢復(fù)顯示（續(xù)）在計(jì)算機(jī)屏幕上波形的恢復(fù)顯示（續(xù)）37 D/A功能功能: 將數(shù)字量將數(shù)字量成正比成正比地轉(zhuǎn)換成模擬量地轉(zhuǎn)換成模擬量 D/An =4位位8位位10位位12位位16位位n位位數(shù)字量數(shù)字量模擬量模擬量05V或或010V2.3.1. D/A轉(zhuǎn)換器功能轉(zhuǎn)換器功能2.3 D/A 轉(zhuǎn)換器及接口轉(zhuǎn)換器及接口3

23、84位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù): 0000 0V 1111 5V 分辨率分辨率:5V/15=0.333V/每每1個(gè)最低有效位個(gè)最低有效位8位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù): 00000000 0V 11111111 5V 分辨率分辨率:5V/255=0.0196V/每每1個(gè)最低有效位個(gè)最低有效位 輸出電壓范圍輸出電壓范圍/(2n-1)39 DAC由四部分電路組成：由四部分電路組成： 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開(kāi)關(guān)模擬電子開(kāi)關(guān)求和運(yùn)算放大器求和運(yùn)算放大器 基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源2.3.2 D/A的組成的組成40輸入輸入4位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)輸出輸出模擬模擬電壓電壓S0S3:模擬電子開(kāi)關(guān)模擬電子開(kāi)關(guān)D=0, S倒向地倒向地D=1,

24、S倒向倒向VREF電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)算放大器求和運(yùn)算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密參精密參考電壓考電壓D0D1D2D3+-3R3R/2UO41VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO當(dāng)當(dāng)D3D2D1D0=0000時(shí)時(shí),S3S2S1S0都倒向地都倒向地UO=0V當(dāng)當(dāng)D3D2D1D0=0000時(shí)時(shí)UO3R2R+-3R/2R等效電路等效電路3R0000AV= -12.3.3 D/A工作原理工作原理42VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UOUO3R+-3R/2等效

25、電路等效電路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2當(dāng)當(dāng)D3D2D1D0=1000時(shí)時(shí)0001AV= -1當(dāng)當(dāng)D3D2D1D0=1000時(shí)時(shí),S2S1S0都倒向地，都倒向地，S3倒向倒向VREF43VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO當(dāng)當(dāng)D3D2D1D0=0100時(shí)時(shí),S3S1S0都倒向地都倒向地S2倒向倒向VREF當(dāng)當(dāng)D3D2D1D0=0100時(shí)時(shí)UO=-VREF/4UO3R+-3R/2等效電路等效電路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV= -144VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1

26、D2D32R+-3R3R/2UO同理可推導(dǎo)，同理可推導(dǎo)，當(dāng)當(dāng)D3D2D1D0=0010時(shí)，時(shí)， UO= VREF/8 當(dāng)當(dāng)D3D2D1D0=0001時(shí)，時(shí)， UO= VREF/1645D3D2D1D0=1000時(shí)，時(shí)，UO= VREF/2= D3VREF/21D3D2D1D0=0100時(shí)，時(shí)，UO= VREF/4= D2VREF/22D3D2D1D0=0010時(shí)，時(shí)，UO= VREF/8= D1VREF/23D3D2D1D0=0001時(shí)，時(shí)，UO= VREF/16= D0VREF/24根據(jù)疊加原理根據(jù)疊加原理: UO= (D3VREF/21+ D2VREF/22 + D1VREF/23 + D

27、0VREF/24 ) = (D3/21+ D2/22 + D1/23 + D0/24 ) VREF = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)46UO = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)此式表明此式表明: D/A電路輸出的模擬電壓電路輸出的模擬電壓UO與輸入的與輸入的 數(shù)字量數(shù)字量D3D2D1D0成正比成正比472.3.4 8位位D/A轉(zhuǎn)換器電路框圖轉(zhuǎn)換器電路框圖8 D 鎖存器鎖存器求和電路求和電路電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)電子開(kāi)關(guān)電子開(kāi)關(guān)UOD7-D0CPVREF482.3.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)

28、換器的主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率 （8、10、12、14、16） 建立時(shí)間 輸出端從輸出端從0V上升到最大工作電壓（上升到最大工作電壓（1/2LSB）經(jīng)歷的時(shí)間經(jīng)歷的時(shí)間 。 一般為幾十幾微秒。一般為幾十幾微秒。49 輸入編碼二進(jìn)制（補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制、數(shù)值碼）二進(jìn)制（補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制、數(shù)值碼） BCD （Binary-Coded Decimal） 00001001 輸出電平 輸出電壓變化范圍及極性輸出電壓變化范圍及極性（V）。）。 （05V、010V、 5V、 10V） D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）502.3.6 DAC0832 1）功能框圖（）功能框圖（8位，位，DI

29、P20）ILE: 地址鎖存允許地址鎖存允許XFER：數(shù)據(jù)傳送信號(hào)：數(shù)據(jù)傳送信號(hào)CS：片選：片選WR：寫(xiě)信號(hào)：寫(xiě)信號(hào)Iout1：電流隨輸入變化：電流隨輸入變化 雙鎖存結(jié)構(gòu)，三種工作模式雙鎖存結(jié)構(gòu)，三種工作模式 電流輸出型電流輸出型 內(nèi)部無(wú)基準(zhǔn)電壓源內(nèi)部無(wú)基準(zhǔn)電壓源512）單極性與雙極性輸出）單極性與雙極性輸出IN VO 00 0V 80h 2.5V FFh 4.98V IN V0200 -5V80h 0VFFh 4.96V52 3）與）與 CPU的連接（單緩沖方式）的連接（單緩沖方式）4200H53 4）與）與 CPU的連接（雙緩沖同步方式）的連接（雙緩沖同步方式）寫(xiě)操作（三次）寫(xiě)操作（三次）1

30、. CS1、IOW2. CS2、IOW3. XFER、IOW542.4 A/D轉(zhuǎn)換器及接口轉(zhuǎn)換器及接口(1)A/D功能功能: 將模擬電壓將模擬電壓成正比成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓輸入模擬電壓D7D0輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量0 5V0000000011111111分辨率分辨率:5V/255=0.0196V/每每1個(gè)最低有效位個(gè)最低有效位1. A/D功能、組成及分類功能、組成及分類55（2）A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部組成轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部組成A/D電路電路模擬模擬輸入輸入三態(tài)門(mén)三態(tài)門(mén)數(shù)字?jǐn)?shù)字輸出輸出寄存器寄存器精密穩(wěn)精密穩(wěn)壓電源壓電源電源電源計(jì)算機(jī)讀計(jì)算機(jī)讀取命令取命令時(shí)序控時(shí)序控制電

31、路制電路A/D轉(zhuǎn)換命令轉(zhuǎn)換命令（來(lái)自計(jì)算機(jī)）（來(lái)自計(jì)算機(jī)）轉(zhuǎn)換完成信號(hào)轉(zhuǎn)換完成信號(hào)（由計(jì)算機(jī)檢測(cè)或（由計(jì)算機(jī)檢測(cè)或申請(qǐng)計(jì)算機(jī)中斷）申請(qǐng)計(jì)算機(jī)中斷）A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器56(3) A/D(3) A/D轉(zhuǎn)換器分類轉(zhuǎn)換器分類 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 10ns 1 s 逐次逼近型逐次逼近型 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度中轉(zhuǎn)換速度中,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾幾 s 100 s 雙積分型雙積分型 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾百幾百 s 幾幾ms根據(jù)內(nèi)部電路不同根據(jù)內(nèi)部電路不同,分為以下三類分為以下三類:572. 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

32、（三位）原理轉(zhuǎn)換器（三位）原理DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI 6VR/8時(shí)，輸出時(shí)，輸出=1UI 7VR/8時(shí)，輸出時(shí)，輸出=1UI 7VR/8時(shí)，輸出時(shí)，輸出=0UI 6VR/8時(shí)，輸出時(shí)，輸出=0電壓比較器電壓比較器D鎖存器鎖存器編編 碼碼 器器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0輸入模擬電壓輸入模擬電壓精密參精密參考電壓考電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)（精密電阻網(wǎng)絡(luò)（23個(gè)電阻）個(gè)電阻）輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量CPUI VR/8時(shí)，輸出時(shí)，輸出=1UI VR/8時(shí)，輸出時(shí)，輸出=058并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/

33、D轉(zhuǎn)換器中的編碼器真值表轉(zhuǎn)換器中的編碼器真值表 UI QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D0 6VR/8 UI 5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VR/8 UI 2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2VR/8 UI VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 VR

34、/8 UI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特點(diǎn)：分辨率特點(diǎn)：分辨率低低、轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度極高極高593. 3. 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（8 8位）位）組成：組成：1. SAR1. SAR2. D/A2. D/A3. 3. 比較器比較器4. 4. 控制電路控制電路60二分搜索法特點(diǎn)：分辨率高、轉(zhuǎn)換速度較高。特點(diǎn)：分辨率高、轉(zhuǎn)換速度較高。614. 4. 雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：抗干擾和噪聲的能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度慢。特點(diǎn)：抗干擾和噪聲的能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度慢。t積分輸出TT10T2固定積分時(shí)間 與輸入電壓成正比雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理充電充電放

35、電放電62635. A/D5. A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率分辨率 （4 4、6 6、8 8、1010、1212、1414、1616） 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 精度精度 （絕對(duì)精度，相對(duì)精度）（絕對(duì)精度，相對(duì)精度） 輸出編碼輸出編碼（二進(jìn)制、（二進(jìn)制、BCD BCD ） 輸入信號(hào)輸入信號(hào) （單（單/ /雙極性、量程）雙極性、量程） 工作溫度范圍工作溫度范圍 （商用級(jí)：（商用級(jí)：0 07070；工業(yè)級(jí)：；工業(yè)級(jí)：454580 80 ，軍用級(jí)：，軍用級(jí)：5555125 125 ） 646. 6. 多路多路A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 ADC0809ADC08091. 單片八通道單片八通道2. 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間100us3. 外接基準(zhǔn)源外接基準(zhǔn)源 657.A/D7.A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成信號(hào)轉(zhuǎn)換完成信號(hào)采樣采樣/保持器保持器模擬模擬輸入輸入讀取數(shù)據(jù)命令讀取數(shù)據(jù)命令計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)接口接口A/D板板A/D轉(zhuǎn)換命令轉(zhuǎn)換命令模擬輸入電壓在模擬輸入電壓在A/D轉(zhuǎn)換期間應(yīng)保持不變。否則轉(zhuǎn)換期間應(yīng)保持不變。否則A/D的的輸出數(shù)據(jù)會(huì)隨輸入電壓而變