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PLC模拟量与数字量之间的转换


3.3 模拟量与数字量之间的转换 3.3.1 A/D转换器
A/D转换器是一种将模拟量转换成数字量的器件,通常也 称为ADC。在数据采集系统中,传感器的输出大部分为模拟信 号(电压、电流),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 成计算机能识别的二进制数字信号。因此A/D转换器是数据采 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

换速度。

A/D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8位、10位、14位和16位 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ADC各有其优势。并行ADC占用较多的数据线, 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ADC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 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。

A/D转换器的主要技术特性如下:?
(1) 分辨力与分辨率。A/D转换器的分辨率习惯上以输出 二进制位数或BCD码位数表示。分辨力为1 LSB (最低有效位 数)。 ? ?12位A/D转换器AD574的分辨率为12位,用百分数表示为

1 1 ?100 % ? ?100 % ? 0.0244 % 12 2 4096

· 5G14433双积分式A/D转换器的分辨率为3位半。它的满 度字位为1 999,其百分数表示的分辨率为

1 ?100 % ? 0.05% 1999
A/D转换器的分辨力(1 LSB)对数据采集系统的总分辨力 起着决定性作用。 (2) 量化误差e 在理论上≤±1/2LSB。

(3) 转换时间。完成一次A/D转换的时间TC为A/D转换
时间,在这段时间里输入A/D的模拟电压数值应稳定不变, 否则就会造成A/D转换的误差。通常转换时间TC比采样/保持

器的孔径时间TAP大,更比孔径抖动TAJ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差e的条件下,A/D 转换器直接转换输入信号Vx(t)的最高频率是很低的,公式(2-2) 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:

1 1 fH ? n ?1 ? 2 TC
ADC (AD574),n=12,Tc=35μs,fH≤1.1 Hz;

(2-2)

例如:8位ADC (080X),n=8,Tc=100μs,fH≤6.3 Hz;12位

例如:8位ADC (080X),n=8,Tc=100μs,fH≤6.3 Hz;12 位ADC (AD574),n=12,Tc=35μs,fH≤1.1 Hz;
为了对更高频率的输入信号进行模一数转换,在A/D转换 器前都要加采样保持器。 (4) 转换速率是转换时间Tc的倒数,如Tc=20 ns,即转换速率 为50MSPS。 (5) 其他参数如对电源电压变化的抑制比(PSRR)、零点和增 益温度系数、输入电阻等。 A/D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(静态特性、动 态特性)相对应的技术指标,如零点、非线性误差(线性度)、量 程等,除厂家给出外,用户可以自行检验或标定。

1、逐渐逼近式A/D转换器
? A/D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 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,调准也比较方便。直接 A/D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 时间t或频率f, 然后再将t或f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 性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。

逐次逼近的方法ADC的内部主要由逐 次逼近寄存器SAR、D/A转换器、电压比 较器和一些时序控制逻辑电路等组成。其 原理框图如图1所示:

图1 逐次逼近式A/D转换器

其工作原理非常类似于用天平称重。在转换 开始前,先将SAR寄存器各位清零,然后设其最 高位为1(对8位来讲,即为10000000B)―就像 天平称重时先放上一个最重的砝码一样,SAR中 的数字量经D/A转换器转换为相应的模拟电压VC, 并与模拟输入电压VX进行比较,若VX≥VC,则 SAR寄存器中最高位的1保留,否则就将最高位 清零(若砝码比物体轻就要保留此砝码,否则去掉 此砝码)。然后再使次高位置1,进行相同的过程 直到SAR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ADC的输出。

ACD1143及其应用
ACD1143是一个16位逐次逼近式A/D转换器。

主要特性:
① 16位高分辨率 ② 转换时间
ADC1143J最大转换时间为70μs ADC1143K最大转换时间为100μs

③ 自带参考电源和时钟脉冲 ④ 低功耗 当VS=±15V时,最大功耗为175mW
当VS=±12V时,最大功耗为150mW

⑤ 最大非线性

ADC1143J为±0.006% ADC1143K为±0.003%

⑥ 动态非线性温度系数 ADC1143J最大为±2× 10 ?6 / 0C
10 ?6 / 0C ADC1143K最大为±1×

⑦ 供电范围

VS=±11.4V~±18.0V
VD=+3.0V~+18.0V

ADC1143由16位CMOS逐次逼近DAC、 16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 阻网络和高质量耦合电容组成,其功能框 图如图2所示:

图2 ADC1143功能框图

ADC1143的引脚功能:
模拟输入电压引脚(27~29脚) 模拟电压范围
可编程
模拟电 压范围V +5 +10 输出电压 二进制 二进制 模拟电压引 入脚 27、28 29 27、28 26脚连接情 况 开断 开断 20脚连接情 况 2 2、29

+20
±5 ±10

二进制
偏移二进制、 二进制补码 偏移二进制、 二进制补码

27
29 28

开断
27 27

2、28、29
2、28 2、29

参考电源输入、输出(25、26脚) 当使用内部参考电源时,将它们之间接一个100Ω精 密电位器 当使用外部参考电源时,按下图进行连接

偏移调节引脚(24脚) 零输出校正。 并行数据输出引脚(4~19脚)具有数据锁存功能,无三 态驱动,以偏移二进制码输出。 补码输出(3脚) 二进制补码输出使用位 模拟地和数字地(30、2脚)应通过外部连接,以一点 连接为最佳 状态引脚(22脚) ADC1143的工作状态信号。 转换命令引脚(21脚)启动ADC进行A/D转换,在该信 号的下降沿,各内部状态全部复位。

(2)ADC1143的工作过程

(3) ADC1143与80C31接口

ADC1143与80C31接口

双积分型A/D转换器
双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压 UI 转换成与其大 小成正比的时间间隔T,再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变 换成数字量。 这种A/D转换器具有很多优点。首先,其转换结果与时间 常数RC无关,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。 其次,由于输入信号积分的时间较长,且是一个固定值 T1 , 而T2正比于输入信号在T1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A/D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 ( T1+T2 )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。

双积分A/D转换器MC1443及其应用 主要特性如下: ① 转换精度 制数)
1 MC1443是一种CMOS双积分3 位A/D转换器,其 2

读数的±1/2000(相当于12位二进

② 转换速度 8~10次/s ③ 输入阻抗 大于100MΩ

④ 工作电压 ±4.5~ ±8V(或9~16V)

⑤ 转换结束输出形式 DS1~DS4分时选通输出

输出为4位BCD码,由

(1)MC14433引脚功能
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 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

MC14433引脚图

DS1选通时Q0~Q3的含义
DS1 1 1 1 Q3 1 0 × Q2 × × 1 Q1 × × × Q0 0 0 0 输出结果状态 千位数为0 千位数为1 输出结果为正值

1
1 1

×
0 1

0
× ×

×
× ×

0
1 1

输出结果为负值
输入信号过量程 输入信号欠量程

(2)MC14433与8031接口 ? MC14433的Q0~Q3和DS1~DS4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。

MC14433与8031的接口

D/A转换器的主要性能指标
1. 分辨率
分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。 ①D/A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n表示D/A转换器的分辨率; ②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 示分辨率。

分辨率 ?

?U
Um

v o/V

1 ? n 2 ?1

5

分辨率越高,转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 5/7 0 而分辨率与输入数字量的位数有关,n越大,分辨率越高。 D
000 001 010 011 100 101 110 111

2. 转换精度
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 值之差,即最大静态转换误差。

3. 转换速度
从输入的数字量发生突变开始, 到输出电压进入与稳定值相差 ±0.5LSB范围内所需要的时间,称为 建立时间tset。目前单片集成D/A转换 器(不包括运算放大器)的建立时间 最短达到0.1微秒以内。

4. 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 化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃,输出电压变 化的百分数作为温度系数。

D/A转换器DAC0832
(1)DAC0832结构原理及引脚功能 它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个 8位D/A转换器三大部分组成。它为20脚双列直插式封装 结构,其逻辑结构及引脚如下图所示:

2.DAC0832引脚功能 DI7~DI0:8位输入数据信号。 ILE:输入锁存允许信号,高电平有效。 ? CS:片选信号,低电平有效。 ? WR1:输入数据选通信号,低电平有效。( 上升沿锁 存) XFER:数据传送选通信号,低电平有效。 WR2:数据传送选通信号,低电平有效。( 上升沿锁 存) IOUT1:DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时,IOUT1最 大(满量程输出);为全0时,IOUT1为0。 ? IOUT2:DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分 输入信号(一般接地)。满足 IOUT1+IOUT2 =常数。?

Rfb:反馈电阻(内已含一个反馈电阻)接线端。DAC0832 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Rfb,只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放 增益不够,还须外加反馈电阻。 UREF:参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的 电压基准源。UREF可在-10V至+10V范围内选择。 UCC:电源输入端(一般取+5V~+15V)。 DGND:数字地,是控制电路中各种数字电路的零电位。 ? AGND:模拟地,是放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的 零电位。

任何导线都可以被理解成电阻,因此,尽管连在一起的 “地”,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“地”的形式的,但对 于模拟电路而言,这个不同地方的“地”对测量的精度是构成 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 开布线,只在板中的一点把它们连接起来。

3.DAC0832特性参数 分辨率: 建立时间: 增益温度系数: 输入电平: 功耗: 8位 1?s 20ppm/℃(ppm----百万分之一,10-6) TTL 20mW

4.DAC0832工作方式 当ILE、CS和WR1同时有效时,输入数据DI7~DI0进入 输入寄存器;并在WR1 的上升沿实现数据锁存。当WR2 和 XFER同时有效时,输入寄存器的数据进入DAC寄存器;并 在WR2 的上升沿实现数据锁存。八位D/A转换电路随时将 DAC寄存器的数据转换为模拟信号( IOUT1+IOUT2 )输出。
?

(2)DAC0832与MCS-51单片机接口
? DAC0832 的使用有直通型、单缓冲器型双缓冲器型 三种工作方式。 ① 直通工作方式:输出随输入的变化随时转换。线路连 接如下图所示:

②单缓冲工作方式:适合在不要求多片D/A同时输出时。 此时只需一次写操作,就开始转换,提高了D/A的数据吞 吐量。连接方式如下图所示:

③双缓冲工作方式:采用二次缓冲方式,可在输出的同时, 采集下一个数据,提高了转换速度;也可在多个转换器同时 工作时,实现多通道D/A的同步转换输出。连接图如下图所 示:


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