第6章 模数、数模转换及应用

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1、第六章模/数、数/模转换及应用§6.1概述§6.2数/模（D/A）转换器及其接口技术§6.3模/数（A/D）转换器及其接口技术6.1概述在自动控制和测量系统中，被控制和被测量的对象往往是一些连续变化的物理量。如：温度、压力、流量、速度、电流、电压等。这些随时间连续变化的物理量，称为模拟量(Analog)。计算机参与测量和控制时，模拟量不能直接送入计算机，必须先把它们转换成数字量(Digital)。能够将模拟量转换成数字量的器件称为模拟数字转换器，简称ADC。同样，计算机输出的是数字量，不能直接用于使用模拟

2、量的控制执行部件，必须将这些数字量转换成模拟量。能够将数字量转换成模拟量的器件称为数字／模拟转换器，简称DAC。因此，我们常把ADC和DAC器件以及相关电路成为模拟接口电路。模拟量——连续变化的物理量数字量——时间和数值上都离散的量模拟/数字转换器ADCDAC数字/模拟转换器6.1概述含有A/D与D/A转换的监控系统模/数与数/模转换通道的组成一般模/数转换通道由传感器、信号处理、多路转换开关、采样保持器以及A/D转换器组成。传感器：能够把非电物理量转换成电量（电流或电压）的器件，一般传感器由电容、电阻、

3、电感或敏感材料组成，在外加激励电流或电压的驱动下，不同类型的传感器会随不同非电物理量的变化，引起传感器的组成材料发生改变，使得输出连续变化的电流或电压与非电物理量的变化成正比。一、传感器（Transducer）由于传感器组成材料发生改变引起输出电流或电压的变化十分微弱，容易受外界干扰，因此，在市场上能买到的各种变送器，已将传感器与放大电路制作在一起，输出统一标准的0～10mA或4～20mA电流，或0～5V电压，以便传输或直接送A/D转换器进行A/D转换，其中，4～20mA标准电流输出的传感器较为普遍，常说

4、的流量变送器、压力变送器等一般输出4～20mA标准电流，内部处于恒流输出结构，显然电流型传感器比电压型传感器抗干扰能力强，易于远距离传输，因此，电流型传感器被广泛用于生产过程的检测系统中。二、信号放大处理信号放大处理电路，接在A/D转换器与传感器之间，用于解决以下存在问题：A/D转换器与传感器二者电压不匹配；如果是电流型输出传感器，要进行Ⅰ～Ⅴ变换与放大处理，将电流信号对应变换成电压信号；传感器工作在现场，可能存在复杂的强电磁波的干扰，通常采用RC低通滤波器，滤除叠加在传感器输出信号上的高频干扰信号，也可

5、采用有源滤波技术，使得滤波特性更好。三、多路转换开关（Multiplexer）一个数据采集系统（A/D转换）往往要采集多路模拟信号；通常只用一片A/D转换芯片，轮流选择输入信号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对系统的监测与控制；许多A/D转换芯片内部具备多路转换开关，一片A/D转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信号，如果A/D转换芯片不具有多路转换功能，则在A/D转换之前外加模拟多路转换开关。常用的模拟多路开关介绍CD4051B的基本结构CD4051B采用了CMOS工艺，16脚DIP封装八选一模拟多路开

6、关当使能端INH为0状态时，CD4051B才能选择导通，由选择输入端A2A1A0三位二进制编码来控制（CH0～CH7）八个输入通道的通断。该芯片能实现双向传输，即可以实现多传一或一传多两个方向的传送。四、采样保持器（SampleHolder）在A/D转换器进行采样期间，保持被转换输入信号不变的电路称为采样保持电路；A/D转换器完成一次转换所需要的时间称为转换时间；不同A/D转换芯片，其转换时间各异，对于连续变化较快的模拟信号如果不采取采样保持措施，将会引起转换误差；慢速变化的模拟信号，在A/D转换系统中，

7、完全可以不必采用采样保持电路，而且并不会影响A/D转换的精度。采样/保持器的基本原理采样保持器是指在逻辑电平的控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路,采样/保持示意图如图5所示，在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号，在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状态为止。从图5中可以看出，经过对Vi的采样，V0的小平台电压值保持到下一次的采样开始，该稳定的“小平台”电压供A/D转换器进行A/D转换。采样/保持示意图五、A/D转换器（AnalogtoDig

8、it）A/D转换器是模/数转换通道的核心环节，其功能是将模拟输入电信号转换成数字量（二进制数或BCD码等），以便由计算机读取、分析处理，并依据它发出对生产过程的控制信号。六．驱动器计算机输出的数字量信号经DAC转换后的模拟信号或直接输出的开关量信号，其驱动功率往往不能满足执行部件的要求。所以，在驱动执行部件之前，一般都要进行功率放大、信号隔离和匹配、以及动作时间协调等。鉴于计算机过程控制现场，有不少执行部件是工作于开关状态的，