数显 2数字显示仪表

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§2.2 信号的采样与量化
一、采样过程
模拟信号：幅值,时间均连续。 离散模拟信号: 幅值连续,时间离散。 数字信号: 幅值,时间均离散。
采样：以一定的时间间隔将模拟信号抽样成离散模拟 信号的过程。
量化：用一组编码（二进制）去逼进离散模拟信号的 幅值, 将其变成数字信号的过程。
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由于数字量位数有限，一个k位二进制码只能代表2k个
数值，则只能接近某个量化电平值。

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两种量化方法：只舍不入法，有舍有入法。
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四、量化与编码
有舍有入 0s≤UA<0.5s时，UA量化值取0s 0.5s ≤ UA<1.5s时，UA量化值取1s
vI/V
1
只舍不入 0s ≤ UA<1s时，UA量化值取0s 1s ≤ UA<2s时，UA量化值取1s
Sn-1 In-1 20 R
Sn-2 In-2 21R …
S2 I2 2n-3R
S1 I1 2n-2R
S0 I0 2n-1R I － A + u0 RF (R/2)
开关 Si的位置受数据锁存器输出的数码di控制：当di=1时，Si将对 集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流 应的权电阻接到参考电压 UREF上；当di=0时，Si将对应的权电阻接地。 转换为电压输出。
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第二章 数字式显示仪表
§2.1 数字式显示仪表的构成及主要 性能指标 §2.2 信号的采样与量化 §2.3 数字/模拟转换技术 §2.4 模拟/数字转换技术 §2.5 集成A/D转换器
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§2.1 数字式显示仪表的 构成及主要性能指标
一、 数字式显示仪表的基本知识
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(一)数字仪表的主要特点
vI/V
1
7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 0
最大量化误差为?
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t
7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 0
最大量化误差为?
S/2即1/15V
1 13/15 11/15 9/15 7/15 5/15 3/15 1/15 t
S=1/8 V
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§2.3 数字－模拟转换技术
能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转
换器，简称A/D转换器或ADC；
能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转
换器，简称D/A转换器或DAC。
数 字 控 制 计 算 机
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DAC
多 路 开 关 多 路 开 关
功率放大
执行机构
加热炉
…
功率放大 信号放大
…
执行机构 温度传感器
…
加热炉
ADC
…
信号放大
…
温度传感器
电容C为保持电容，运算放大器A1,A2为跟随器
①在采样脉冲S(t)到来的时间τ 内，s为高电平，模拟开关接通，UI(t) 向电容C充电，，则有：UO(t)＝Uc(t)＝UI(t)。－－采样
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②采样结束，模拟开关断开，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变， 直到下一个采样脉冲到来为止。－－保持
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（二）仪表的量程 仪表标称范围的上、下限之差的模， 称为仪表的量程。量程有效范围上限值为 满度值。
例如XMZ－101数字式温度仪表，测量 范围30～180℃，其量程为150℃，满度值 为180℃。
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（三）准确度 △=±a％ ×读数值±n字 或 △=±a％×读数值± b％ ×仪表量程 △为数字显示仪表的绝对误差 误 差 与被测量大小有关的相对项 与被测量无关的固定项 a为误差的相对项系数 b为误差的固定项系数 n个字为仪表末位数的单位值的n倍
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RF (R) (MSB) dn-1 dn-2 Sn-1 I 21 UREF 2R R I 21 Sn-2 I 22 2R R …… I I 22 I 2



（4） 按电路中的主要元器件分类： 电子管式、 晶体管式、集成电路式和带微处理器式数字显示 仪表等。
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二、数字仪表的主要技术指标
（一）显示位数 以十进制显示被测变量值的位数称为显示 位数。 能够显示“0～9”的数字位称为“满位”； 仅显示1或不显示的数字位，称为“半位”或 “1/2位”。工业用数字温度显示仪表的显示位 数常为（3+1/2）位，可显示－1999～1999。
参考电压 n位数字 量输入 模拟量 输出 解码网络 求和电路
数码缓冲 寄存器
n位数控 模拟开关
n 位D/A转换器方框图
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三、D/A转换器的主要电路形式
数字量输入
d2 d1
1. 权电阻网络D/A转换器
基准电源
UREF (MSB) dn-1 dn-2
组 成
(LSB) d0
电阻解码网络 基准电源 模拟开关 运算放大器 双向模拟开关
u0 N
N d i 2i
i 0 k 1
u0 N di 2i 0.2 (24 23 22 ) 5.6V
i 0
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k 1
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2. 倒T型电阻网络D/A转换器
(MSB) dn-1 dn-2
求和点
RF (R) d1 (LSB) d0 －A + u0
数字式显示仪表一般用串模干扰抑制比和 共模干扰抑制比来表征抗干扰能力大小。 单位是分贝，一般直流电压型数显仪表的 串模干扰抑制比为20～60dB，共模干扰抑制比 为120～160dB。
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串模干扰抑制比
串模干扰(Series
Mode interference ) 所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪 声。也称为常态干扰。
①准确度高 ②分辨力高 ③无主观读数误差 ④测量速度快 ⑤能以数码形式输出结果 ⑥线路简单、可靠性好，耐震性强 ⑦制造、调试和维修简单
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（二）数字显示仪表的原理
数字式显示仪表是能将被测的连续电量( 模 拟量)自动地变成断续量,然后进行数字编码,并 将测量结果以数字显示的检测仪表。
模拟量 数字量
A/D变换器
图2.1
电子计数器
数字式显示仪表方框图
显示器
读出
4
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(三)数字显示仪表的基本构成
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(四)数字显示仪表的分类

（1） 按输入信号的形式分类： 可分为电压型和 频率型两类。
（2） 按被测信号的点数分类： 可分为单点和多 点两种。 （3） 按采样速率分类： 可分为低速型、 中速型、 高速型数字显示仪表。
Sn-1 In-1 2R
0
Sn-2 In-2 2R
1
S2 … I2 2 R
n-3
S1 I1 2 R
n-2
S0 I0 2 R I － A +
n-1
RF (R/2)
权电阻
权电阻网络DAC原理图 权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。
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模 拟 u0 量 输 出
运算放大器
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原理分析：
UREF (MSB) dn-1 dn-2 d2 d1 (LSB) d0
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（四）分辨力和分辨率 数字仪表的分辨力是指末位数字改变一个 字所对应的被测变量的最小变化值，它表示了 仪表能够检测到的被测量最小变化的能力。 分辨率是仪表显示的最小数值与最大数值 之比。 分辨力是分辨率与满度量程的乘积。
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（五）输入阻抗
数字式显示仪表是一种高输入阻抗的仪表， 输入阻抗可达1012Ω。 （六）抗干扰能力
D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量， 以电压或电流的形式输出。
d0 (LSB) 输入 Dn d1 uo 或 io
…
dn－1
(MSB)
D/A
输出
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二、DAC的基本原理
DAC将每一位代码按其权的数值转换成 相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相 加，得到总模拟量便是和数字量成正比的模 拟量，这样就完成了D/A转换。
应用于工业自动化中的数字仪表必须 具有自身的特殊性能。有以下几方面：
①工业自动化仪表的检测参数通常是以温度、 压力、流量、物位等为主，这些物理量都是随时 间连续变化的非电量。通过各种变送器或A/D， D/A把非电量转换成统一的标准电信号。
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②各种传感器输出的电信号往往与被测参数 之间呈现出非线性特性，而模－数转换器一 般是线性的。 因此，在用数字形式显示被测参数时， 必须考虑非线性校正问题，以保证测量准确 度。
串模干扰抑制比
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Un dB SMRR 20 lg r
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共模干扰抑制比
共模干扰(Common Mode interference) 是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。 共模干扰也称为共态干扰。
共模干扰抑制比
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CMRR 20 lg U cm dB
U
n
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三 、工业自动化对数字仪表的特殊要求
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数字计算机工业控制系统示意图
压力, 温度,流量,液位等通过传感 器转变成相应的电压或电流的模 拟信号
由DAC转换成模拟量信号 的电压和或电流
经过计算机数据处理， 输出为数字量
由计算机依次选通， 进入ADC转换成数字量信号
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计算机选择某一执行机构， 去调节控制对象。
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一、基本D/A转换器
i n 1
令 RF=R/2 ，则
即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现 了从数字量到模拟量的转换。
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DAC输出电压u0与输入数字量N之间关系
u0 N
N di 2i k位二进制数
i 0 k 1
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DAC输出电压u0与输入数字量N之间关系

例2.1 在5位DAC中，已知 λ=0.2V，当输入 为11100时，u0为多少？
虚短
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U REF U REF i U REF U REF i 2 n 1 i n 1 I d d 2 2 R 2 R i i i n 1 i n 1 2 R 2 R d i 0 时，I i 0 d i 1时，I i
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运算放大器总的输入电流为
数字量输入
d2
Sn-1
Sn-2
S2
S1
S0
模 拟 量 输 出
UREF
2R R
2R R ……
2R R
2R R
2R
2R
倒T型电阻网络D/A转换器原理图
电阻解码网络中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网 络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开 关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转 向，电阻2R总是与地相连。这样，倒T型网络的各节点向上看和 向右看的等效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R。
I I n 1 I n 2 I 2 I 1 I 0 U REF U REF n - 1 I i d i n - 1- i n - 1 d i 2 i 2 R 2 R i 0 i 0 i 0
虚断 运算放大器输出电压为
n-1 n-1
U REF n 1 i uO RF I RF n 1 d i 2 2 R i 0 U REF uO n 2 U REF d i 2 n Dn 2 i 0
二、采样定理
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二、采样定理
为了使采样输出信号u*（t）能精确地复现 原输入模拟信号ui（t），对于一个频率有限的 模拟信号来说，采样周期Ts必须满足：
式中 fmax——输入模拟信号的最高频率分量
采样频率一般选为
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三、采样与保持
模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度 τ 一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持 所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之 后须加保持电路。
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③工业用仪表区别于实验室仪表的一个重要 方面，是要考虑生产现场的各种恶劣条件， 要有较强的抗各种干扰的能力。 因此，在设计、制造这类数字仪表时， 必须对仪表使用现场的环境条件进行调查， 制订出相应的抗干扰措施，保证仪表具有良 好的环境适应性。
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④必须考虑标度变换问题，使仪表显示值的单位 与被测原始物理量统一起来。 ⑤由于现代化生产的自动化程度越来越高，要求 仪表能对多种参数进行连续测量、自动报警（越 限、故障）及自动打印记录等。同时，为了对生 产过程实现综合控制与管理，往往将仪表的测量 值送入计算机进行运算和存储，以便按给定的规 律对参量进行控制。所以要求数字仪表具有数码 输出及数据通信功能。
三、采样与保持
7接地, 8接大于1.4V电压时，LF398采样。 8接低电平时LF398保持。
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四、量化与编码

在tg期间Uo保持不变，此时电路对Uo进行量化-编码。
量化：将采样保持信号Uo按指定要求划分成最小量化单 位 s 的整数倍。 编码：就是把量化的数值用二进制代码表示，即ADC 的输出。