使用ADDA转换器必须考虑的问题.docx

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使用ADDA转换器必须考虑的问题

使用A／D、D／A转换器必须考虑的问题

使用A/D,D/A转换器必须考虑的问题赵毅（浙江大学光电信息工程学系,杭州310027）摘要论述了数模,模数接口系统设计的要求,以及在接口系统设计中使用A/D,D/A转换器必颓考虑的一些问关键词_AiD,D/A转换器接口系统设计一,前言随着科学技术的飞速发展,数字电子计算机在工业,科技,国防等领域已获得普遍的应用.在这些领域中,大量出现的物理量大都是非电模拟量,如压力,温度,流量,位移和速度等,工程上常将这些物理量通过传感器变换成相应的电量,但它仍然是模拟量.为了能用数字系统处理并控制这些模拟信号,首先需将这些模拟量转换成数字量,然后送数字系统进行处理.数字系统处理后的数字量,往往还需将它转换成模拟量,以便实现对模拟系统的自动控制.所以A/D与D/A转换器是微型计算机和各用户之间不可缺少的接口部件.同时测量仪表和测量系统的自动化,智能化.为了对测试的数据能及时地进行分析处理,并且进行存储,读出和打印,自动测试设备也都离不开A/D和D/A转换器.二,对A/D,D/A接口系统的要求设计A/D接口系统即数据采集系统时,首先要了解信号源的情况.例如,要求检测的模拟量有多少个信号的变化范围,要求的分辨率,信号源所处的现场条件,干扰的大小,共模电压的高低和信号的类型等等.其次,要了解对采集系统性能的要求,如采集精度,采集速度和抗干扰能力等.设计D/A接口系统即模拟量输出通道时,应考虑到DAC（DigitalAnologConversion）的分辨率和精度的问题1.DAC分辨率的选择DAC的分辨率即是输出满度电压可分的级数.它取决于DAC输入数字量的位数和满度电压值的大小.当DAC用在微机开环控制系统时,其输出电压满度值应由模拟执行机构的电压动态范围决定,而DAC的分辨率也受执行机构动作的分辨率限制.假定需要控制?

28-信号的最大摆幅为一,执行元件的分辨率为u,则用来提供这一模拟信号的DAC的位数n应满足下式:

U=2～U…,,因此nlog2这样选择的DAC其最低位LSB的输出就等于执行机构的分辨率,也即DAC的分辨率.2.DAC精度的维持D/A转换的精度是指在稳定工作条件下,其模拟出逼近真实值的程度,是一个综合性能指标.它既反映DAC芯片本身的一些精度指标,也反映出当DAC芯片与输入或与负载相连的接口电路的连接中造成的精度损失.影响精度的因素有如下几项:

（1）零点误差

（2）增益误差（3）温度系数（4）线性误差（5）微分非线性误差三,A/D,D/A接口系统中必须考虑的问题1.数据采集系统设计数据采集系统已有模块或模块化的结构,简称DAS.如AD364是一种16路12位数据采集系统,其内部已包含了16路切换器,测量放大器,采样/保持器,12位ADC及内部所需的全部定时控制逻辑,并有三态数据缓冲输出口,可直接与微机总线相连但通用的模块并不能满足各种需要,有时要针对某些指标作专门设计.下面讨论采集系统设计中的三个问题.

（1）ADC芯片分辨率及信号放大倍数的确定ADC的分辨率及信号调理放大倍数ADC满度电压,一信号最大值”,计量技术2001No8ADC芯片的位数Ⅳ根据下式计算:

1,vlog2（1+）

（2）xmin式中,u…为ADC芯片的满度输入电压;U为ADC芯片最小能分辨出的电压如一温度检测系统,被测的温度范围为0～400℃,要求分辨出0.1℃温度变化,而检测温度的准确度为±0.1%（折台成绝对误差±0.4℃）,用热电偶传感器作敏感元件.当温度在0～400℃范围内变化时,可测得传感器的输出电压在0—2mV之间变化.测温范围0—400℃所对应的最高输入信号H.为20mV,若ADC的满度电压值选为10V,代入式

（1）,则K=500.现已知能分辨出0.1℃的温度变化,对应于热电偶传感器产生5v的电压变化,此电压经500倍的电压放大后可求得…=5×500X10=2.5mV.将…与值代入式

（2）,即可求得N≥log2（1+4000j=l1.9所以,选择=12位的ADC芯片即可满足分辨率的要求,此时ADC芯片一个数字的当量值是2.44mV,小于2.5mV,故可以满足分辨率的要求.

（2）精度分配精度分配是指将系统总体精度分配给各个环节.首先应根据所选各电路环节可能达到的精度范围作精度分配,然后再核对台成精度,看其能否达到部体精度的要求.求台成精度.也就是求系统不确定性误差的合成,通常采用均方根台成法,即e=±-jle『l+Ie2l+---+lel.（3）式中,为系统总误差;er,e2,…,e为各个环节分项误差.在对误差进行分配时,一种简单的办法是先假定各分项误差彼此相同,即e=e2…一e已知系统总误差时,根据式（3）就可以求得平均的分项误差值,然后根据实际电路的情况,进行适当调整.若各误差按均方根台成之后,小于系统规定的总误差,是适宜的.由于尚存在一些未计入的误差项,如系统外来干扰等.因此要求所选电路各分项误差均能控制在规定值之下,则系统硬件的精度设计才可实现否则需加适当的软件或软硬结合的方法进行校正或补偿（3）采集速度分析设计对于某些快速变化的物理量检验,动态瞬变检测或多通道模拟量采集等场台,往往要求系统具有很高的采样频率.设采集Ⅳ路模拟信号,Ⅳ路信号中最高频率分量为,…则采样频率可按下式计算:

f=（5～10）Ⅳ,计量技术2001No8采集32路模拟信号,各路信号中最高频率分量为2kHz,根据上式,并选择安全系数为低限5,则=5×2000×32=320kHz.按此采样频率工作,则要求在每秒钟内每路信号检测10000闪,系统难以达到这样高的采样速率.因为系统采样速率的上限要受各电路响应时间,采样孔径时间,A/D转换时间及数据传送时间的约束系统采样频率的上限为,一———————————!

—————一…一tI+t2+幻+t4+t5式中,t】一t5分别放大器信号响应时间,多路转换通道切换时间,采样保持电路采样时间,ADC转换时间,微机读取转换后数据并转送至内存所需的时间.假定采集通道中各环节电路均采用高速器件,放大器的响应时间t】和采/保电路孔径时间t3均压缩到lbts之内,ADC芯片选用高速的AD578,其转换时间t4仅占3/~s;设每次转换结束进行下一次转换的通道切换用软件完成,并将高低两字节的数据送入内存.用8031单片机执行上述任务所需时间t2+5约为38gs.这样,系统实际可达到的最高采样频率厂max为1厂…23?

3kHz故此采集通道中即使采用高速器件,但由于模拟多路开关切换及数据传输占据较长的时间,实际采样频率达不到320kHz.所以要提高采样速度单靠提高电路响应时间或压缩ABC电路的转换时间显然是不够的.因为使用通常的8位微型机用程序切换多路开关和读两字节的数据到内存就占了不少的时间.2.模拟量输出通道设计模拟量输出通道设计要注意到DAC动态性能改善的问题DAC的动态特性好坏反映在模拟电压建立时间的快慢和突跳（毛刺）现象的大小.

（1）建立时间:

是指从输人数码的改变开始,到DAC的输出达到与输人数字相对应的稳态值所需经历的时间.这一参数反映DAC输出从一个稳态值到另一稳态值的过渡时间的长短,也就是DAC完成一次转换所需的时间‘.般DAC电流输出的建立时间仅为50～500ns,而电压输出DAC的建立时间要长得多,约有1～10ns.为了改善动态特性,有时需要在运放级适当处加些容性的校正网络.例如在运放的反馈电路的两端.并联一个小电容.?

29?

（2）突跳现象:

当DAC输出从某一稳态值向另一稳态值过渡时,在输出端可能出现短暂的,但幅度较大的窄脉冲,即称突跳现象.产生突跳现象的原因在于DAC各位模拟开关切换时间不等,特别是模拟开关的导通时间与截止时闻不等,使得各位开关不能同步切换,而产生短暂的异常模拟量的输出.只有当各位开关均已按照输入数码的状态完成切换以后,转换器的输出才恢复到额定值.各位开关的切换时间愈接近,开关动态性能愈佳,突跳现象愈小DAC突跳现象可能产生很有害的影响,如会造成输出波形的失真及不平滑,也可以因它的存在而造成逻辑电路的误触发等.消除和削弱突跳影响的方法之一,是在DAC的输出与负载之间插入一个采样/保持器.当DAC输出达到稳定值之后,再进行采样,并保持到DAC出现下一个稳定的输出,这样就可以避免突跳脉冲加到负载上.高速工作DAC的突跳现象更为突出,应加以防备低速D/A变换器通常在运放级反馈电路内并接电容滤波器,以充分吸收尖锋.四,结束语本文只是论述了A/D,D/A接口系统中一些应考虑的问题.随着计算机技术的飞速发展,芯片的处理速度也越来越快,高速PCB板对信号的完整性和时序的要求更加苛刻.所以A/D,D/A接口系统的设计将会更加复杂,更具有挑战性,当然其实现的功能也会更加强大.参考文献[1]何立民编着MCS-51系列单片机硬件配置和接口设计.北京:

北京航空航王大学出版杜.1991[2]黯志蜾缩着模一散和数.模转换器.北京:

电子工业出版社,1988[3]邹逢编着.微型计算机接口原理和技术北京:

国防科技大学出版社.19934常向阳,魏凯丰,胨晓东缩着常用智能仪器的原理与应用北京:

电子工业出版社.1992浅谈电阻箱在1/4桥路中检测应变刘红煜（中国飞机强度研究所,西安市7~oo6s）摘要本文赍绍了一种用电阻箱在I/4桥路中检测应变的方法.关键词电阻箱I/4桥路应变飞机结构强度的研究,应变系统使用非常广泛,为了保证科研试验数据的准确性和可靠性,对所有的应变系统每年都必须进行检定.由于应变系统的规格型号及各项技术指标的不同,故对其进行检定的方法也不同.有的用全桥路检定,有的用半桥路检定,有的用1/4桥路检定,但本所的DR一120标准模拟应变仪不能对1/4桥路检定,而有的应变系统的软件设置只能用1/4桥检定,针对以上问题,笔者选取电阻箱代替DR一120标准模拟应变仪检定1/4桥路应变系统.设计思路如下:

依据1/4桥测应变的设计原理,电路图如1,当桥路平衡时,Rl:

R2=R:

R=120f/,,应变输出为零.在测应变时,设AD为可变桥臂,当改变电阻的大小时,就可得到相应的应变值,而电阻变化与应变之间的关系满足式

（1）:

AR/R=艇

（1）式中:

为应变片灵敏度系数,范围为1.0～3.0,一般取K=2.0;R为标准电阻R=l20n;△R为电阻的变化;￡为标准应变.?

30?

由式

（1）可得表1表l00.0000200.0048400.0096500012010oOO24050o0120010000240050001.2000100002.4000l5【x】o0456********从表1知,当标准应变小于100V*时,要求电阻箱的最小刻度为0.000ln,而我们的标准电阻箱（精度等量堇