过程装备控制技术及应用教案 第五章计算机控制系统 6页共18页 AD转换器(ADC)最主要的性能指标是分辨率和转换时间。分辨率即指量化单位,有时也简单地 用位数表示。转换时间指从启动转换命令施加时刻到转换结束命令开始有效时刻的时间间隔,其倒数称 为转换速率或最高样频率 ADC芯片按速度分档的一般约定是:最高采样单频低于1KHz为代速:;1~1000KHz为中速,高于 IMHz为高速,高于1000MHz为超高速。 以逐次逼近式ADC为例,讲解其工作原理 逐次逼近式模数转换器 它相应于输入模拟量y的二进制代码实行逐步猜测。首先通过DAC把试算代码转变成一个模拟电 压,然后用比较器判别这个猜测是高于还是低于输入电压,接着以判别结果为基础做下一次猜测。重复 上次过程,直至模拟电压与输入电压之差小于半个量化单位。如:第一次猜测总是011)应于(127) 10,即满量程的一半,若猜测高于输电压,置b为0。第二次猜测为001,对应于(63)0,即满量程 的四分之一,猜测高,则置b6为0,反之,置为1。继续猜测到其余各位都确定。 532D/A转换器 (1)DA转换器原理 DA转换器产生正比于输入的并行数字信号(例如8位二进制信号aa2…a)的输出电压。它是利 运算放大器取电流之和,各支路电流为零或非零取决于该位的值是0或1,每个有效位对应的电流强 度为下一有效位的2倍 1=/2R,12=(0,-02R)/2R=U,/4R,…1,=O/2A),…,=U,(28 则 -(a1+a2l2+…+anln)R …+a R 2R 2"R 这就是倒R一2R型DA转换器传输函数,其输出模拟电压与输入数码成正比 特点:①无论开关掷向运算求和点还是接地点,流过电阻2R的电流不变,因此电阻的分布电容没 有充放电问题,转换速度较快:②这种电路结构只有两种电阻,易于集成并保证电阻的公差和温度跟踪, 可得到较高的转换精度:③等效电阻不随开关位置的变化而变化,始终为R,这对参考电压的负载能力 要求可大大降低 (2)DA转换器集成芯片 早期芯片结构特征:只具有从数字量到模拟电流输出量转换的功能。须在外电路中加数字输入锁存 器,参考电压源以及输出电压转换电路 中期芯片结构特征:具有数字输入锁存功能电路,能和CPU数据总线直接相连。 近期芯片结构特征:内部带有参考电压源;大多数芯片有输出放大器,可实现模拟电压的单极性或 双极性输出:电子带有参考电压源输出放大器,芯片的工作电源大多使用双极性电源 533AD、D/A接器板介绍 AD,DA接口板,可直接插入到与总线兼容的微型计算内任一总线扩展槽中,构成微机数据采集 控制基本部件 以AD574为主芯片的接口板具有32路单端模拟输入通道,可将±5V范围内的模拟电压信号转换
过程装备控制技术及应用教案 第五章 计算机控制系统 第 6 页 共 18 页 A/D 转换器（ADC）最主要的性能指标是分辨率和转换时间。分辨率即指量化单位，有时也简单地 用位数表示。转换时间指从启动转换命令施加时刻到转换结束命令开始有效时刻的时间间隔，其倒数称 为转换速率或最高采样频率。 ADC 芯片按速度分档的一般约定是：最高采样单频低于 1KHz 为代速；1~1000KHz 为中速，高于 1MHz 为高速，高于 1000MHz 为超高速。 以逐次逼近式 ADC 为例，讲解其工作原理。 逐次逼近式模数转换器 它相应于输入模拟量 yi 的二进制代码实行逐步猜测。首先通过 DAC 把试算代码转变成一个模拟电 压，然后用比较器判别这个猜测是高于还是低于输入电压，接着以判别结果为基础做下一次猜测。重复 上次过程，直至模拟电压与输入电压之差小于半个量化单位。如：第一次猜测总是 01111111，对应于（127） 10，即满量程的一半，若猜测高于输电压，置 b7 为 0。第二次猜测为 00111111，对应于(63)10，即满量程 的四分之一，猜测高，则置 b6 为 0，反之，置为 1。继续猜测到其余各位都确定。 5.3.2D/A 转换器 （1）D/A 转换器原理 D/A 转换器产生正比于输入的并行数字信号（例如 8 位二进制信号 a1a2…a7）的输出电压。它是利 用运算放大器取电流之和，各支路电流为零或非零取决于该位的值是 0 或 1，每个有效位对应的电流强 度为下一有效位的 2 倍。 I 1 =Ur 2R ， R R U R R U I U r r r 2 4 2 2 = = − ，…， I U ( R) i i = r 2 ，…， I U ( R) n n = r 2 。 则 ( ) ( ) n r n n r n r r o n n U a a a R R U a R U a R U a U a I a I a I R − − − = − + + + = − + + + = − + + + 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 2 1 1 2 2 这就是倒 R—2R 型 D/A 转换器传输函数，其输出模拟电压与输入数码成正比。 特点：①无论开关掷向运算求和点还是接地点，流过电阻 2R 的电流不变，因此电阻的分布电容没 有充放电问题，转换速度较快；②这种电路结构只有两种电阻，易于集成并保证电阻的公差和温度跟踪， 可得到较高的转换精度；③等效电阻不随开关位置的变化而变化，始终为 R，这对参考电压的负载能力 要求可大大降低。 （2）D/A 转换器集成芯片 早期芯片结构特征：只具有从数字量到模拟电流输出量转换的功能。须在外电路中加数字输入锁存 器，参考电压源以及输出电压转换电路。 中期芯片结构特征：具有数字输入锁存功能电路，能和 CPU 数据总线直接相连。 近期芯片结构特征：内部带有参考电压源；大多数芯片有输出放大器，可实现模拟电压的单极性或 双极性输出；电子带有参考电压源输出放大器，芯片的工作电源大多使用双极性电源。 5.3.3 A/D、D/A 接器板介绍 A/D，D/A 接口板，可直接插入到与总线兼容的微型计算内任一总线扩展槽中，构成微机数据采集 控制基本部件。 以 AD574 为主芯片的接口板具有 32 路单端模拟输入通道，可将 5V 范围内的模拟电压信号转换
过程装备控制技术及应用教案 第五章计算机控制系统 7页共18页 成12Bits的数字量(AD),其AD转换精度可达+0.03%,同时还可以具有模拟输出通道,用于将数字 量转换成模拟电压输出(DA),输出电压范围可以是±5V或0~+5V。 AD转换触发工作方式采用软件触发方式,转换结果的传输方式有两种:①查询A/D完成位,然后 再读取数据;②AD转换完成后发中断申请然后由中断服务程序读取数据 (2)工作原理 接口板的32路模拟电压信号通过输入输出插座分别接到32选一的模拟输入多路开关上,在软件控 制下,选择某一输入通道,将该通道模拟输入信号送至采样保持器,然后再通过单稳电路启动AD转换 器。当AD转换完成时,板的转换完成位寄存器被置为“1”。用软件查询方式查询D位,当查询到这 个状态位为“1”时,即可将数据读入到计算机内存中。若使用中断方式,则在AD转换完成后自动向 计算机发出中断请求信号。在中断服务程序控制下,将12Bit计数据读入计算机内存 534AD选择原则 (1)采样额第 它是等间隔采样间隔时间下的倒数,一个数字信号处理系统,采样频率一般根据AD转换器的参数 而定。 信号采集时采样频率的选择,要根据信号的特点、分析的要求、所用的设备等方面的条件求确定 时域分析∫,=10fm,频率分析f≥2f′m (2)分辨率 它关系到AD的转换精度仍至整个测试系统的精度 (3)采样点数 时域分析采样点数要尽可能多;频域分析采样点数一般2的幂数 (4)触发方式的选择 触发信号是启动AD开始采样的信号。触发方式选择即选择不同形式的触发信号。 (5)性能价格比的要求 要根据使用的场合使用的环境等条件。只要满足技术要求即可,而不要反片面追求的高指标 535D/A选择原则 选择DA芯片时,主要考虑芯片的性能结构和应用特性。在性能上必须满足D/A转换技术要求 在构和应用特性上应满足接口方便,外围电路简单,价格低廉等要求 (1)D/A芯片的主要性能指标的考虑 DA芯片的主要性能指标有:在给定作条件下的静态指标,包括各项精度指标、动态指标、环境 指标等。这些指标在器件手册上通常会给出。用户选择时主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时 间 (2)DA芯片主要结构特性与应用特性的选择 D/A芯片这些特性虽然主要表现在芯片的内部结构的配置状况,但这些配置对DA转换接器电路 的设计带来很大形响。主要考虑的问题如下 ①数字输入持性:数据码制、数据格式及逻辑电平等。 ②数字输出持性:多数DA芯片属电流输出器件。 ③锁存特性及转换控制:若D/A芯片无输入锁存器,在通过CPU数据总线传送数字量时,必须 外加锁存器,否则只能通过具有输出锁存功能的O给DA芯片送入数字量 54直接数字控制系统 54lDDC系统概述 DDC系统操作功能包括:从被控对象中获取各种信息,执行能够反映控制规律的控制算法,把计 结果以一定形式送到执行器和(或)显示报警装置,实现操作人员一控制台一微型计算机系统之间的
过程装备控制技术及应用教案 第五章 计算机控制系统 第 7 页 共 18 页 成 12Bits 的数字量（A/D）,其 A/D 转换精度可达+0.03%，同时还可以具有模拟输出通道，用于将数字 量转换成模拟电压输出（D/A），输出电压范围可以是 5V 或 0~+5V。 A/D 转换触发工作方式采用软件触发方式，转换结果的传输方式有两种：①查询 A/D 完成位，然后 再读取数据；②A/D 转换完成后发中断申请然后由中断服务程序读取数据。 （2）工作原理 接口板的 32 路模拟电压信号通过输入输出插座分别接到 32 选一的模拟输入多路开关上，在软件控 制下，选择某一输入通道，将该通道模拟输入信号送至采样保持器，然后再通过单稳电路启动 A/D 转换 器。当 A/D 转换完成时，板的转换完成位寄存器被置为“1”。用软件查询方式查询 D7 位，当查询到这 个状态位为“1”时，即可将数据读入到计算机内存中。若使用中断方式，则在 A/D 转换完成后自动向 计算机发出中断请求信号。在中断服务程序控制下，将 12Bit 计数据读入计算机内存。 5.3.4 A/D 选择原则 （1）采样额第 它是等间隔采样间隔时间下的倒数，一个数字信号处理系统，采样频率一般根据 A/D 转换器的参数 而定。 信号采集时采样频率的选择，要根据信号的特点、分析的要求、所用的设备等方面的条件求确定。 时域分析 10 max f f s = ，频率分析 2 max f f s 。 （2）分辨率 它关系到 A/D 的转换精度仍至整个测试系统的精度。 （3）采样点数 时域分析采样点数要尽可能多；频域分析采样点数一般 2 的幂数。 （4）触发方式的选择 触发信号是启动 A/D 开始采样的信号。触发方式选择即选择不同形式的触发信号。 （5）性能价格比的要求 要根据使用的场合使用的环境等条件。只要满足技术要求即可，而不要反片面追求的高指标。 5.3.5 D/A 选择原则 选择 D/A 芯片时，主要考虑芯片的性能结构和应用特性。在性能上必须满足 D/A 转换技术要求， 在构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。 （1）D/A 芯片的主要性能指标的考虑 D/A 芯片的主要性能指标有：在给定作条件下的静态指标，包括各项精度指标、动态指标、环境 指标等。这些指标在器件手册上通常会给出。用户选择时主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时 间。 （2）D/A 芯片主要结构特性与应用特性的选择 D/A 芯片这些特性虽然主要表现在芯片的内部结构的配置状况，但这些配置对 D/A 转换接器电路 的设计带来很大形响。主要考虑的问题如下： ①数字输入持性：数据码制、数据格式及逻辑电平等。 ②数字输出持性：多数 D/A 芯片属电流输出器件。 ③锁存特性及转换控制：若 D/A 芯片无输入锁存器，在通过 CPU 数据总线传送数字量时，必须 外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的 I/O 给 D/A 芯片送入数字量。 5.4 直接数字控制系统 5.4.1 DDC 系统概述 DDC 系统操作功能包括：从被控对象中获取各种信息，执行能够反映控制规律的控制算法，把计 算结果以一定形式送到执行器和（或）显示报警装置，实现操作人员—控制台—微型计算机系统之间的