第9章-模数、数模转换及应用PPT课件
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最简单的D／A转换器电路如下图所示，VREF是一个足够 精度的参考电压，运算放大器输入端的各支路对应待转换数 据的第0位、第1位……第n-1位。支路中的开关由对应的数位 来控制，如果该数位为“1”，则对应的开关闭合；如果该数 位为“0”，则对应的开关打开。各输入支路中的电阻分别为R、 2R、4R'…—这些电阻称为权电阻。
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10-5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10-5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。
§9.2 数/模（D/A）转换器及其接口技术
9.2.1 D/A的工作原理及指标
1. 基本工作原理
D／A转换器的主要部件是电阻开关网络，通常是由输入的 二进制数的各位控制一些开关，通过电阻网络，在运算放大器 的输入端产生与二进制数各位的权成比例的电流，经过运算放 大器相加和转换而成为与二进制数成比例的模拟电压。
第九章 模/数、数/模转换及应用
§9.1 概述 §9.2 数/模（D/A）转换器及其
接口技术 §9.3 模/数（A/D）转换器及其
接口技术
9.1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量的控制执行部件， 必须将这些数字且转换成模拟量。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。
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（Sample Holder）
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，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。
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。
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，也可采用有源滤波 技术，使得滤波特性更好。
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、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。
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。
9.ຫໍສະໝຸດ Baidu概述
模拟量——连续变化的物理量
DAC 数字/模拟转换器
模拟/数字转换器 ADC
数字量——时间和数值上都离散的量
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 。
一、传感器（Transducer）
采样/保持示意图
五、A/D转换器（Analog to Digit）
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，如步进电机、启／停交流 电机、交流触发器、电控阀门、继电器等。使用时应 注意，不同的执行部件，所需的驱动电流和电压均不 相同，所以驱动器型号也不同。
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10-5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10-5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。
§9.2 数/模（D/A）转换器及其接口技术
9.2.1 D/A的工作原理及指标
1. 基本工作原理
D／A转换器的主要部件是电阻开关网络，通常是由输入的 二进制数的各位控制一些开关，通过电阻网络，在运算放大器 的输入端产生与二进制数各位的权成比例的电流，经过运算放 大器相加和转换而成为与二进制数成比例的模拟电压。
第九章 模/数、数/模转换及应用
§9.1 概述 §9.2 数/模（D/A）转换器及其
接口技术 §9.3 模/数（A/D）转换器及其
接口技术
9.1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量的控制执行部件， 必须将这些数字且转换成模拟量。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。
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（Sample Holder）
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，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。
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。
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，也可采用有源滤波 技术，使得滤波特性更好。
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、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。
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。
9.ຫໍສະໝຸດ Baidu概述
模拟量——连续变化的物理量
DAC 数字/模拟转换器
模拟/数字转换器 ADC
数字量——时间和数值上都离散的量
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 。
一、传感器（Transducer）
采样/保持示意图
五、A/D转换器（Analog to Digit）
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，如步进电机、启／停交流 电机、交流触发器、电控阀门、继电器等。使用时应 注意，不同的执行部件，所需的驱动电流和电压均不 相同，所以驱动器型号也不同。