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1、1,9.7 数/模转换器,数/模转换器是一种将数字量转换成模拟量的器件，简称D/A转换器或DAC。在数字控制系统中作为关键器件，用来把微处理器输出的数字信号转换成为电压或电流等模拟信号，并送入执行机构进行控制或调节。在逐次逼近A/D转换器中，曾经见到过DAC，它把SAR中的数字量转换成模拟量。D/A转换器已经集成在一块芯片上，一般无需了解内部电路细节即可使用，而且非常方便。,2,一、D/A转换器的分类和组成D/A转换器主要有两大类：并行D/A转换器和串行D/A转换器。1、并行D/A转换器并行D/A转换器的位数与输入数码的位数相同，数码的每一位都有一个输入端，用来控制相对应的模拟开关，决定是否把
2、基准电压UREF接到电阻网络：ai=1，接通；ai=0，断开。并行D/A转换器速度快。,3,2、串行D/A转换器在某些应用中，数字量是串行传送的，使用串行D/A转换器比较方便。串行二进制代码在时钟的同步下一位接一位送入D/A转换器实现转换。转换n位输入数码需要n个工作节拍，转换的速度比并行D/A转换器慢得多。Ds为输入数码，如果Ds=1，K1闭合，基准电压与UCi相加，经放大后，再“2”，准备接收下一位；如果Ds=0，K1断开，用0与UCi相加，经放大后，再“2”，准备接收下一位。“2”相当于数码“右移”一位。在最后1位转换后，电容器电压Uci，若减去初始电压的1/2n，剩余电压为D/A转换器
3、的模拟电压输出。,4,3、D/A转换器的基本组成D/A转换器的基本组成可分为四个部分：电阻网络、模拟切换开关、基准电源、运算放大器。,电阻网络：D/A转换器的转换精度与电阻网络的电阻精度有关系，但有些D/A转换器的转换精度只取决于电阻比值，与电阻的绝对精度关系不大，保持电阻比值恒定更容易实现。基准电源：基准电源的精度直接影响D/A转换器的精度，另外对基准电源还有噪声低、纹波小、内阻低等要求。模拟切换开关：要求开关断开时电阻无限大，开关的断通比值要高，且力求减小开关的饱和压降、泄漏电流、导通电阻等。运算放大器：D/A转换器的输出端一般要接运算放大器，其作用是：一，对网络中各支路电流求和；二，为D
4、/A转换器提供阻抗低、负载能力强的输出。,5,二、D/A转换器的主要技术指标D/A转换器的技术指标很多，包括绝对精度、相对精度、线性度、输出电压范围、温度系数等，这里讨论几种主要指标。,分辨率：最小输出电压与最大输出电压之比，反映对输入量变化的敏感程度。若D/A转换器有n位，则D/A转换器与位数的关系,分辨率=,6,转换精度：转换精度分为绝对精度和相对精度。转换精度是指输入满量程数字量时，D/A转换器实际输出值与理论输出值之差，一般应小于1/2 LSB。相对精度是指绝对精度与额定满量程输出值的比值。可用偏差多少LSB来表示，或用该偏差相对满量程的包分数来表示。线性误差：线性误差是指D/A转换器
5、的转换特性曲线与理想特性之间的最大偏差。,7,建立时间：它是描述D/A转换速度快慢的一个参数，是指从输入数字量开始，到达与终值相差1/2 LSB范围所需要的时间，其长短取决于所采用的电路和所使用的元件。温度系数：在满量程输出条件下，温度每升高1，输出变化的百分数定义为温度系数。例如，AD561J的温度系数为1010-6 FSR/。D/A转换器还有其它技术指标，例如，输出电平、输入数字电平、工作温度等。由于应用场合不同，对D/A转换器的要求也有所不同。在自动检测系统中，追求的目标是高精度，而在控制系统中，则要求高分辨率。,8,三、并行D/A转换器并行D/A转换器的转换速度比较快，各位代码同时转换
6、，转换时间只取决于转换器中的电压或电流的稳定时间。1、权电阻D/A转换器权电阻D/A转换器的实现原理是先把输入的数字量转换为对应的模拟电流量，然后再把模拟电流转换为模拟电压输出。,图中以4位为例，UREF为基准电压，K0-3为模拟电子开关，并受二进制数位状态控制：某位为0开关接地、为1开关接基准电压UREF，其中电阻 Rf=R/2。,9,运算放大器对各位电流求和，然后将其转换为模拟量。,对于n位权电阻的D/A转换器：,D/A转换器输出的模拟电压：,10,2、T型电阻网络T型电阻网络是由相同的电路环节组成的，每个环路由两个电阻和一个模拟开关组成，相等于一位二进制代码。仍以4位二进制代码为例说明。
7、可见，在电阻网络中仅用了R和2R两种电阻，克服了权电阻D/A转换器电阻偏差大带来的问题，提高了精度；Rf=R。,11,由此，可以画出如下等效电路。,12,对应四个支路电流I0、I1、I2、I3分别为：,求和后放大器的模拟输出电压为：,推广到 n位，则模拟输出电压为：,（切换的是电流，开关速度快，转换速度也快）,13,四、集成D/A转换器目前，市场上的D/A转换器芯片品种较多，有快慢之分，有8位、10位、12位、14位、16位之分，还有串行和并行之分。1、DAC0832的特性 8位电流输出型D/A转换器 T型电阻网络 数字量输入，可以双缓冲、单缓冲或直通与微机可直接连接输入数据的逻辑电平满足TT
8、L电平规范满量程误差为1LSB转换时间1s参考电压10V，单电源+5V+10V，功耗20mW。,14,2、DAC0832芯片的内部结构芯片内部有一个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，具有二级缓冲能力，在转换前一个数据的同时可接收下一个数据，以提高D/A转换的速度。,15,引脚说明：D7D0：输入数据线ILE：输入锁存允许，输入CS#：片选信号，输入 用于把数据写到输入锁存器WR1#：写输入锁存器 WR2#：DAC寄存器的写选通信号XFER#：允许输入锁存器的数据传送DAC寄存器，输入上述二个信号用于启动转换VREF：参考电压，-10V+10V，一般为+5V或+10VI
9、OUT1、IOUT2：D/A转换差动电流输出，接运放的输入Rfb：内部反馈电阻引脚，接运放输出AGND、DGND：模拟地和数字地,16,3、DAC0832芯片的工作时序和工作方式,D/A转换可分为两个阶段：CS#=0、WR1#=0、ILE=1，使输入数据锁存到输入寄存器WR2#=0、XFER#=0,数据传送到DAC寄存器，并开始转换,17,直通方式：使内部的两个寄存器都处于直通状态，模拟输出始终跟随输入变化；实现直通方式，必须使ILE=1、且需要把CS#、WR1#、WR2#和XFER#接数字地。单缓冲方式：使输入寄存器或DAC寄存器之一处于直通(不锁存)状态；CPU只需一次写入即开始转换，控制
10、比较简单通常是把WR2#和XFER#接地、把ILE接高电平。双缓冲方式：输入寄存器或DAC寄存器均处于锁存状态，转换要有两个步骤：将数据写入输入寄存器：CS#=0、WR1#=0、ILE=1将输入寄存器的内容写入DAC寄存器WR2#=0、XFER#=0 双缓冲方式的优点在于数据接收与D/A转换可异步进行；可实现多个DAC同步转换输出，分时写入、同时转换。,18,4、与CPU的连接（接口电路）由于DAC0832有数据锁存器，所以与CPU的接口很简单，以下是单片DAC0832与CPU的连接。,上图电路的控制程序很简单，输出地址和IO写命令即可。,8086CPU,A15-A0,IOW,D7-D0,WR
11、2,WR1,译码电路,CS,XFER,D7-D0,ILE,+5V,VREF,DAC0832,IOUT2,IOUT1,AGND,19,9.8 数据采集的抗干扰技术,数据采集系统的工作现场存在各种干扰，会在被测信号上叠加干扰信号。干扰信号也称为噪声，噪声对有用信号起不良作用，表现在：1）测量数据变化：干扰信号会使数据采集误差加大，甚至干扰淹没检测的一些微弱信号，如人体的生物电信号等。2）控制系统失灵：计算机输出的控制信号常常依赖于某些状态输入信号及其逻辑处理结果。由于干扰会引入虚假状态信号，严重时导致系统控制失灵。3）程序运行失常：外界干扰会影响程序的正常运行，甚至导致机器频繁复位、死循环或死机等
12、，使输出严重混乱。,20,一、硬件抗干扰技术1、干扰的种类1）电磁干扰电和磁均可以通过电路和磁路对数据采集电路产生干扰作用，电场和磁场的变化会在电路中感应出干扰电压，从而影响数据采集电路的正常工作。电磁干扰主要有传导干扰和辐射干扰，这种干扰对于数据采集电路的影响是最为普遍和最为严重的。2）机械干扰由于外部机械的冲击或振动使数据采集电路的元器件发生振动、变形，电路内部连接导线发生断裂或位移等，这些影响数据采集电路正常工作的干扰为机械干扰。,21,3）光干扰在数据采集电路中，广泛使用着半导体元器件和光电元件。在光的作用下，半导体材料会激发出“电子空穴”对，使半导体器件的电势或阻值产生变化，光电器件
13、的特性发生变化，从而影响系统的正常工作。4）热干扰数据采集电路在工作过程中产生的热量引起的温度波动以及环境温度的变化，均可引起电路中的元器件参数发生变化或产生附加的热电势，从而使数据采集电路不能正常工作。,22,5）湿度干扰湿度增加会使电路的绝缘电阻下降，漏电流增加等，均会影响数据采集系统的工作6）化学干扰化学物品会通过化学腐蚀作用损坏系统的元器件和零部件，还会与金属导体形成化学电势，产生干扰。在以上的几种干扰中，除电磁干扰外，其它的干扰比较直接和可预见，采取相应的防护措施，就可以或尽可能避免；由于电磁干扰比较间接，不容易被觉察，因而比较难控制。因此，必须充分了解和掌握产生电磁干扰的因素，才能
14、采取正确的防护措施。,23,2、电磁干扰的产生在电磁干扰中，最常见的是电噪声，即叠加在有用信号上扰乱信号的传输、使原来的有用信号发生畸变的电物理量。噪声影响数据采集结果，有时甚至会将有用信号淹没掉。1）噪声的种类噪声的种类繁多、其产生、传递及抑制的方法也各不相同，以产生的原因来分类，有内部噪声和外部噪声。内部噪声是指电路内部或器件本身产生的噪声，如热噪声、接触噪声、感应噪声、交流噪声、振荡噪声、反射噪声等。外部噪声是指从外部侵入到系统内的干扰，有自然噪声和人为噪声二类。自然噪声有大气噪声、太阳噪声、宇宙噪声；人为噪声有放电噪声、高频噪声、工频噪声、辐射噪声等。,24,2）噪声的耦合方式噪声来源
15、于噪声源，不同的噪声有不同的噪声源，噪声源必须通过一定的耦合途径，才能将噪声送至采集电路中。因此，噪声形成干扰必须具备三要素：噪声源噪声敏感的接收电路噪声源到接收电路的噪声通道从噪声源到接收电路的耦合方式主要有传导耦合和辐射耦合，有些噪声可通过传导和辐射两种途径传输。传导耦合分为电容性耦合、电感性耦合、公共阻抗耦合和漏电流耦合；电磁辐射耦合是指干扰源通过空间辐射将干扰传递给接收电路，接收电路受到干扰的程度与所处位置的干扰强度成正比。,25,3、电磁干扰的方式根据噪声进入数据采集电路的方式不同及与有用信号的关系，可将噪声干扰分为差模干扰与共模干扰。1）差模干扰差模干扰是一个信号输入端子相对于另一
16、个信号输入端子的电位差发生变化而产生的干扰，干扰信号与有用信号叠加在一起作用于输入端，它直接影响测量结果。,26,2）共模干扰共模干扰是相对于公共电位基点（接地点），在两个输入端子上同时出现的干扰，虽然这种干扰不直接影响测量结果，但是当信号输入电路参数不对称时，共模干扰就会转化为差模干扰。共模干扰的电压一般都比较高，其耦合机理及其耦合电路也比较复杂，排除较为困难，所以，共模干扰比差模干扰对数据采集的影响更为严重。,27,4、干扰的排除 干扰对测量结果的影响是相对于信号而言的，高电平信号允许有较大的干扰，而低电平信号则不行。通常，噪声的频率范围很宽，不是所有频率的噪声都会造成相同的干扰结果。抑制
17、干扰应着眼于噪声形成的三个要素，根据具体情况和要求，有针对性地采取相应措施。1）屏蔽：无论外部干扰，还是内部干扰，必须对干扰源或接收器进行屏蔽，然而，在数据采集系统中，这种方法只能应用于抑制外部干扰，对于测试系统内的干扰，采用屏蔽是不现实的。2）接地：接地是抑制干扰的主要方法之一，即将设备地线或屏蔽层等与大地实行低阻抗连接，其目的在于：给出电路零电位基准；防止由于电荷积聚、电压上升带来不安全因素或引起火花放电；给干扰信号一个低阻抗通路，以消除干扰。,28,3）浮置浮置是指电子装置的公共线（信号地）不接大地。屏蔽接地的目的是将干扰电流从信号电路中引开（疏通），消除干扰；浮置的目的是阻断干扰电流的
18、通路（强堵），从而减小共模干扰电流。但是，浮置不是绝对的，虽然可减少电阻性漏电流，但它们之间仍存在寄生电容，容性漏电流仍存在。另外，浮置需要和屏蔽配合，且单独浮置供电。,4）滤波滤波是抑制干扰的一项重要措施，无论抑制干扰源还是消除耦合，都可以采用滤波技术。如，交流电源的噪声会通过电源线传导耦合到电路中，形成干扰，对其进线端的滤波是十分必要的；输入信号更有必要滤波。,29,5）隔离隔离是通过电磁、光电等方式在电路上进行分离，达到抑制噪声的效果。如隔离变压器、光电耦合器、隔离放大器等。6）连接线数据采集电路内外有很多连接线，而连接线是引起干扰的重要原因，正确布置至关重要；引线电感对高频的影响不能忽
19、视，必须尽量减少，如采用同轴电缆、屏蔽线、双绞线等，且导线应尽可能短；不同用途的连接导线，如电源线、射频线、音频线、控制线等，要进行分类，且尽量远离，不要平行排列；为了避免辐射耦合，最好使用屏蔽线；此外，导线的粗细与噪声也有关，要选择适当的连接导线。在科学研究和工程实践中，会遇到各种各样的问题，需要善于分析、解决，排除各种干扰，提高数据采集的准确性。,30,隔离方法举例,电磁隔离：交流电,光电隔离：数字量,隔离放大器：模拟量,31,二、软件抗干扰技术在提高硬件抗干扰能力的同时，也可采用软件滤波，软件滤波灵活性强、适用性广、可靠性高、稳定性好，使用非常普遍。软件滤波也称为数字滤波。1、中值滤波法
20、中值滤波法就是对某一被测量连续采集n次（n为奇数），把n个采样值从小到大（或从大到小）排序，再取中间值作为本次采样值。中值滤波法能有效虑除偶然因素引起的波动，对温度、液位等变化缓慢的被测量具有良好的滤波效果；但对流量、压力等变化较快的被测量，则不适用。,32,2、平均值滤波法平均值滤波法是将当前采样值和最近连续采样的共n个值求平均值，把该平均值作为当前采样值。平均值滤波法适用于在某一范围附近上下波动的被测量的平滑处理，如压力、流量等。随着n的增加，平滑度提高，而灵敏度下降。平均值滤波法对所有采样值使用了相同的权值1/n。为了突出最新一个采样值的分量，也可采用加权平均滤波法。其中，要求,33,3、惯性滤波法惯性滤波法是基于连续系统的RC电路的滤波原理，用软件实现的滤波算法。RC电路的连续系统的数学模型为其中，设采样时间间隔足够小，用差商代替微分，并令,34,式中，惯性滤波法适用于波动频繁的被测量的滤波，对于消除周期性干扰效果良好；但不适用于低频干扰，也会出现相位滞后。软件滤波算法种类比较多，这里只介绍以上几种。在实际应用中，所受到的干扰往往不是单一的，可以把几种滤波算法结合使用，形成复合滤波算法。,35,第九章作业（4）,1题、2题、3题、,
