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AD转换器课程文
学号：
学年论文
题目
AD转换器在控制系统中的应用
学院
专业
班级
学生姓名
指导教师
职称
2016
年
12
月
15
日
摘要
基于对A\D转换器的广泛应用和发展，本文从A\D转换器的不同方面对其进行了讨论:
一、针对A\D转换器的基本概念，主要从A\D转换原理，转换简介及转换的一般过程分类说明；对于转换过程，又分为采样和保持、量化和编码两个过程。
二、针对A\D转换器的器件类型，主要讨论了以不同分类方法对A\D转换器进行分类，有以原理分类，以转换速率分类，以转换速度分类三种分类方法；对于相关参数，主要对其技术指标做了一个基本的描述。
三、针对A\D转换器在控制系统中的应用，以ISO4021和ADC0809为研究对象，深入的说明了A\D转换器的应用方向。
关键字：
A\D转换参数应用
目录
A\D转换概念4
一、A\D转换简介4
二、A\D转换原理4
三、A\D转换的一般过程4
1．采样和保持4
2．量化和编码5
器件类型及相关参数6
一、器件类型6
1.按原理分类6
积分型（如TLC7135）6
逐次比较型（如TLC0831）7
并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）7
Σ-Δ（Sigma?
/FONT>delta）调制型（如AD7705）8
电容阵列逐次比较型8
2.按转换的分辨率分类9
3.按转换速度分类9
二、不同器件类型的应用9
三、技术指标10
1.分辨率10
2.量程10
3.转换时间10
4.工作温度范围10
控制系统中的应用描述11
一、ISO402111
1．远程传输技术11
2.还原监控技术13
二、ADC080915
A\D转换概念
一、A\D转换简介
A/D转换器即模数转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
二、A\D转换原理
A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。
模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。
但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。
三、A\D转换的一般过程
1．采样和保持
为了把模拟信号转换成对应的数字信号，必须首先将模拟量每隔一定时间抽取一个样值，使时间上连续变化的模拟量变为一个时间上断续的模拟量，这个过程称为采样。
为了保证采样后的信号能恢复原来的模拟信号，要求采样频率
与被采样的模拟信号的最高频率
应满足下面关系
>=2
图一采样、保持原理图
2．量化和编码
数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。
这就是说，任何一个数字量的大小也只能是某个规定的最小数值单位的整数倍。
而采样、保持所得电压信号虽呈阶梯状但电平仍是连续变化的，即不是数字量。
因此，必须将采样保持后的信号的大小局限在这些规定的离散电平上，即在进行A\D转换时，必须将采样—保持后的电压化为某个规定的最小单位的整数倍，这一过程称为量化。
所取的最小数量单位叫做量化单位，用Δ表示。
显然，数字信号最低有效位的1代表的数值大小就等于Δ。
将量化幅值用二进制代码或二-十进制代码等表示出来的过程称为编码。
那些代表模拟信号各采样值得代码组就是A\D转换的结果。
由于模拟信号是连续的，所以它就不一定能被Δ整除，因此量化过程不可避免地会引入误差，我们称这种误差为量化误差。
器件类型及相关参数
一、器件类型
1.按原理分类
积分型（如TLC7135）
积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。
其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。
初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。
图二双积分是A\D转换器组成框图图三双积分是A\D转换器原理
逐次比较型（如TLC0831）
逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。
其电路规模属于中等。
其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。
图四逐次比较型A\D转换器原理图
并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）
并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash（快速）型。
由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。
串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Halfflash（半快速）型。
还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。
这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。
图五并联比较型A\D转换
Σ-Δ（Sigma?
/FONT>delta）调制型（如AD7705）
Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。
原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。
电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。
主要用于音频和测量。
电容阵列逐次比较型
电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。
一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。
如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。
最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。
压频变换型（如AD650）
压频变换型（Voltage-FrequencyConverter）是通过间接转换方式实现模数转换的。
其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。
从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。
其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。
2.按转换的分辨率分类
可分为4位、8位、10位、12位、14位、16位等。
3.按转换速度分类
可分为超高速（转换时间大于等于330ns）、次高速（330ns-3.3us）、高速（小于20us）、中速（20-300us）、低速（大于us）等。
二、不同器件类型的应用
例如，ISO4021模块将4-20mA模拟量转成RS485/232数字量（AD转换），通过MODBUSRTD总线系统进行远程通讯，然后配对用ISODAO模块将RS232/485还原成模拟量（DA转换），达到传感器与仪器仪表、控制系统之间采集数据、远程监控目的。
模拟信号远程监控的应用方案介绍。
工业现场PLC、PCC的AO模块或SCADA、DCS系统输出的模拟量电流或电压信号通常直接去控制远程的执行设备，往往会因为长距离的传输造成信号的衰减、失真，有时还会因为其它外界信号干扰造成信号出错，影响整个系统的正常工作。
应用ISO4021与ISODAO远程模拟信号输出模块的RS485差分数字信号传输可以有效地提高系统抗干扰能力，并且通过RS485的总线通讯波特率和地址设置，在某些场合还可以减少布线，降低设备控制成本和提高系统可靠性。
ISO4021可以将传感器输出的模拟信号转换成数字（A/D转换）信号，应用RS232/RS-485通讯将信号进行远程传输或GPRS进行无线数传，然后用远程模拟信号输出模块ISODAO将数字信号转换成模拟（D/A转换）信号，得到还原输出的模拟信号。
这些技术在数据采集、远程监控中得到了越来越多的应用。
三、技术指标
1.分辨率
AD转换中，用转换分辨率来表示AD转换器对输入模拟信号的分辨能力，通常用转换后的数字量的位数表示，8位精度代表转换结果用8位二进制数表示，12位精度代表转换结果用12位二进制数表示。
2.量程
它是指所能转换的电压范围。
如5V、10V。
3.转换时间
它是指启动A\D到转换结束所需的时间，即孔径时间。
4.工作温度范围
较好的A\D转换器的工作温度为-40-85℃，一般的为0-70℃。
控制系统中的应用描述
AD转换的应用，最为常见的就是数字万用表，但本文主要以ISO4021和ADC0809作为研究对象，对其应用方向进行描述。
一、ISO4021
1．远程传输技术
ISO4021信号A/D（模拟转数字）转换器可实现传感器和主机之间的信号采集，用以检测模拟信号或控制远程设备。
通过软件的配置，可用于多种传感器类型，包括：
模拟信号输入，模拟信号输出，和数字信号输入/输出（I/O）。
广泛RS-232/485总线工业自动化控制系统，4-20mA/0-5V信号测量、监视和控制，小信号的测量以及工业现场信号隔离及长线传输等等。
ISO4021信号A/D（模拟转数字）转换器包括电源隔离，信号隔离、线性化，A/D转换和RS-485串行通信。
每个串口最多可接256只ISO4021系列模块，通讯方式采用ASCII码通讯协议或MODBUSRTU通讯协议，其指令集兼容于ADAM模块，波特率可由代码设置，能与其他厂家的控制模块挂在同一RS-485总线上，便于计算机编程。
ISO4021信号A/D（模拟转数字）转换器是基于单片机的智能监测和控制系统，所有的用户设定的校准值，地址，波特率，数据格式，校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM里。
ISO4021系列产品按工业标准设计、制造，信号输入/输出之间隔离，可承受3000VDC隔离电压，抗干扰能力强，可靠性高。
工作温度范围-25℃～+70℃。
ISO4021模拟转数字（A/D）转换器功能简介：
ISO4021信号A/D（模拟转数字）转换器原理框图，如图1所示
ISO4021信号隔离采集模块，可以用来测量一路电压或电流信号，也可以用来测量两路可以共地且不会互相干扰的同为电流信号或相同电压信号。
ISO4021信号A/D（模拟转数字）转换器输出RS232或RS485接线图，如图2所示
2.还原监控技术
ISODAO信号D/A（数字转模拟）转换器可实现主机RS-485/232接口数字信号隔离转换成标准模拟信号，用以控制远程设备。
广泛应用在RS-232/RS-485总线工业自动化控制系统的0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V等标准模拟信号还原输出，用来控制工业现场的执行设备，控制设备以及显示仪表等等。
ISODAO信号D/A（数字转模拟）转换器包括电源隔离，信号隔离、线性化，D/A转换和RS-485串行通信。
每个串口最多可接256只ISODA系列模块，通讯方式采用ASCII码通讯协议或MODBUSRTU通讯协议，其指令集兼容于大多数同类模块，波特率可由代码设置，能与其他厂家的控制模块挂在同一RS-485总线上，便于计算机编程。
ISODAO信号D/A（数字转模拟）转换器是基于单片机的智能监测和控制系统，所有的用户设定的校准值，地址，波特率，数据格式，校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM中。
ISODAO信号D/A（数字转模拟）转换器按工业标准设计、制造，信号输出/通讯接口之间隔离，可承受3000VDC隔离电压，干扰能力强，可靠性高。
工作温度范围-25℃～+70℃。
ISODAO数字转模拟（D/A）转换器功能简介：
ISODAO信号D/A（数字转模拟）转换器原理框图，如图3所示。
ISODAO信号隔离D/A转换模块，可以用来输出一路电压或电流信号，也可以用来输出两路可以共地的电流或电压信号。
ISODAO信号D/A（数字转模拟）转换器输出模拟量4-20mA接线图，如图4所示。
二、ADC0809
1.本例使用总线接法。
将ADC0809的通道地址线ADDC、ADDB、ADDA分别连接到74HC573锁存器的输出端Q1,Q2和Q0端；在P2口使用P2.7引脚是（P2.7位低电平0），P2口和P0口组合的地址范围是二进制的0111111111111000到0111111111111111，对应的十六进制地址范围是0X7FF8-0X7FFF,恰好依次对应通道0-通道7，共计8个模拟通道；74HC573的锁存使引脚LE（引脚11），连接到51单片机的30引脚ALE。
2.调节接在ADC0809的12和16引脚间的可调电位器R4（10千欧，即1000），使其输出典雅在0-5V之间变化，将此电压作为被测模拟信号（实际中可能来自别处），连接到模拟通道0-7，并通过软件来具体选择使用哪个通道进行AD转换。
3.ADC0809第十引脚CLK是外部时钟脉冲信号，将51单片机30引脚输出的2MHZ脉冲信号（外接晶振12MHZ），通过74HC74经两次二分频之后，输出500KHZ脉冲信号。
4.芯片74HC02是4组两输入或非门，本例仅使用了4组中的2组，其余2组空闲未用。
51单片机P2.7与P3.6引脚信号，作为两输入或非门的输入（74HC02AL,BL），输出（74HC02YI）连接到ADC0809的启动转换信号引脚START（与旁边的ALE引脚并联）。
这样连接的理由是：
在P2.7恒为低电平的条件下，只要51单片机想ADC0809发出一次写操作指令（低电平持续时间很短的脉冲信号，且只有一次，不是连续的脉冲信号），无论写入的数据数值是多少，P3.6发出的低电平脉冲与P2.7的恒低电平，经或非运算后，恰好是一个正脉冲信号，与7-3图中ADC0809时序的START信号要求一致。
同理，P2.7与P3.7引脚信号，连接到74HC02的另一组或非门的
两个输入端（74HC02的A2,B2），输出（74HC02的Y2）连接到ADC0809的输出允许信号端OE.51单片机从ADC0809读取数据时，必定发出一次读操作指令（低电平持续时间很短的脉冲信号，切只有一次i，不是连续的脉冲信号），P3.7发出的电平与P2.7的恒低电平，经或非运算后，是一个正脉冲信号，此时刚好读取转换结果（参见7-3图中ADC0809时序的OE新年好要求）。
5.本例依旧采用硬件查询方式，来判断一次AD转换是否结束，硬件连接中使用单片机的P3.2引脚查询。
如果要使用中断方式，则可以将74HC02的A3、B3短接后，连接至ADC的EOC，而74HC02的Y3连接到单片机51的P3.2引脚（低电平有效），作为外部中断源使用。
6．硬件连接图
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