模拟量输入输出通道

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1、22模拟量输入输出通道A/D转换器是将连续的量转换成数字量的接口，它是计算机控制系统核心，模拟系统和计算机之间的接口。检测技术和过程通道两门课程都是将非电量转换成电压或电流的课程，当然电流很容易转换成电压量，A/D转换器就是将模拟的电压量转换成数字量。2.2.1AD转换器的分类以下分类按工作原理分：下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。1)积分型(如TLC7135)V-T转换式：斜坡式，双斜积分式，三斜积分式，多斜积分式V-F转换式：电荷平衡式，复零式，交替积分式积分型AD工作原理是将输入电压转换成

2、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。2)逐次比较型(如TLC0831)反馈比较式逐次比较式，计数比较式，眼隙比较式无反馈比较式并联比较式，串联比较式，串并联比较式逐次比较型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

3、位)时价格很高。3)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

4、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。4)Σ-Δ(Sigma/FONTdelta)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。5)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

5、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。6)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ADC转换时间(按速度)分：高速型并行比较型的结构中速型逐次比较式低速型积分式3.双积分型AD转换器的工作

6、原理双积分型AD转换器属于间接型AD转换器，它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间T；然后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种AD转换器多称为电压-时间变换型(简称VT型)。图给出的是VT型双积分式AD转换器的原理图。转换开始前，先将计数器清零，并接通S0使电容C完全放电。转换开始，断开S0。整个转换过程分两阶段进行。第一阶段，令开关S1置于输入信号Ui一侧。积分器对Ui进行固定时间T1的积分。积分结束时积分器的输出电压为：可见积分器的输出UO1与UI成正比。这一过程称为转换电路对输入模拟电压的采样过程。在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器计数。当计数器达到满

7、量程N时，计数器由全"1"复"0"，这个时间正好等于固定的积分时间T1。计数器复"0"时，同时给出一个溢出脉冲(即进位脉冲)使控制逻辑电路发出信号，令开关S1转换至参考电压-VREF一侧，采样阶段结束。第二阶段称为定速率积分过程，将UO1转换为成比例的时间间隔。采样阶段结束时，一方面因参考电压-VREF的极性与UI相反，积分器向相反方向积分。计数器由0开始计数，经过T2时间，积分器输出电压回升为零，过零比较器