數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-計算機測控系統(tǒng)

第十章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——計算機測控系統(tǒng)§10.8采樣保持器§10.9D/A轉(zhuǎn)換器§10.10A/D轉(zhuǎn)換器§10.7多路模擬開關(guān)§10.6典型的測控系統(tǒng)組成§10.6典型的測控系統(tǒng)組成傳感器傳感器變送器變送器多路模擬開關(guān)模擬控制器采樣保持器計算機A/DD/A??????測控系統(tǒng)框圖

把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成這種轉(zhuǎn)換的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter)，簡稱為ADC或A/D；把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的過程稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換，完成這種轉(zhuǎn)換的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DigitaltoAnalogConverter)，簡稱DAC或D/A?！?0.7多路模擬開關(guān)模擬開關(guān)是一種能夠按照控制指令對模擬信號傳輸進行通、斷控制的電子器件

注意：模擬開關(guān)多用場效應(yīng)管來構(gòu)成，因為場效應(yīng)管的VGS能夠使D、S之間導(dǎo)通和斷開，但這樣做成的實際的模擬開關(guān)接通時還會有一導(dǎo)通電阻，在斷開狀態(tài)時仍會有一小的關(guān)斷電流一、場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)原理

場效應(yīng)管（FiedlEffectTransistor——FET）是利用電場效應(yīng)來控制的有源器件，它不僅兼有一般半導(dǎo)體管體積小、重量輕、耗電省、壽命長的特點，還具有輸入電阻高（MOSFET最高可達1015Ω）、噪聲系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好、工作頻率高、抗輻射能力強、制造工藝簡單等優(yōu)點。在近代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路以及微波毫米波電路中得到廣泛應(yīng)用。按結(jié)構(gòu)，場效應(yīng)管可分兩大類：結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET）

絕緣柵型場效應(yīng)管中應(yīng)用最多的是以二氧化硅作為金屬（鋁）柵極和半導(dǎo)體之間絕緣層，又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorFET)。MOSFET可分為增強型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道二、絕緣柵型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)1）結(jié)構(gòu)N溝道增強型MOSFET在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2

薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)。柵極G源極S漏極D襯底B1、N溝道增強型MOSFET柵源電壓vGS的控制作用——形成導(dǎo)電溝道

正電壓vGS產(chǎn)生的反型層把漏-源連接起來，形成寬度均勻的導(dǎo)電N溝道，自由電子是溝道內(nèi)的主要載流子。反型層剛形成時，對應(yīng)的柵源電壓vGS稱為開啟電壓，用VT表示。2）工作原理原理1漏源電壓vDS對漏極電流iD的控制作用

vGS≥VT，加vDS，形成iD，且iD與vDS基本成正比。因vDS形成電位差，使導(dǎo)電溝道為梯形。

vDS增大至vGD=vGS?vDS<VT，溝道被預(yù)夾斷（漏端），管子進入飽和區(qū)。原理2溝道預(yù)夾斷后，vDS繼續(xù)增大，夾斷點向源極方向移動，iD略有增大。vGS變化時，vGS<VT，沒有導(dǎo)電溝道，iD≈0；

vGS=VT時開始形成導(dǎo)電溝道；vGS≥VT時，導(dǎo)電溝道變寬。從而改變vGS

的大小有效地控制溝道電阻的大小。——輸入電壓vGS

對輸出電流iD的控制3）特性曲線——輸出特性——轉(zhuǎn)移特性

P溝道增強型N溝道耗盡型N溝道增強型P溝道耗盡型2、場效應(yīng)三極管的參數(shù)2）夾斷電壓VGS(off)(或VP)

耗盡型FET的參數(shù)。在VDS為某一固定值條件下,iD等于一微小值（便于測量）時所對應(yīng)的VGS。3）飽和漏極電流IDSS

耗盡型FET重要參數(shù)。在VGS=0的條件下，管子預(yù)夾斷時的漏極電流。1）開啟電壓VGS(th)(或VT)

增強型FET的重要參數(shù)。在VDS為某一固定值下能產(chǎn)生iD所需要的最小|VGS|值。6）最大漏極功耗PDM

最大漏極功耗可由PDM=vDSiD決定，與雙極型三極管的PCM相當。4）直流輸入電阻RGS、rds

柵源電壓與漏極電流之比，通常JFET的RGS>107Ω，MOSFET的RGS>109Ω。5）低頻跨導(dǎo)gm

表征工作點Q上柵源電壓vgs對漏極電流id的控制作用大小的參數(shù)，單位是mS。雙極型三極管場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型PNP型C與E一般不可倒置使用結(jié)型耗盡型N溝道P溝道絕緣柵增強型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道D與S有的型號可倒置使用載流子多子擴散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)二、雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管場效應(yīng)三極管噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成使用注意事項：（1）絕緣柵場效應(yīng)管不能用萬用表檢查，必須用測試儀。使用四引線的場效應(yīng)管，其襯底引線必須接地。（2）保存場效應(yīng)管時應(yīng)將各電極短路，以免外電場作用使管子損壞。焊接時，電烙鐵必須有外接地線，以防止烙鐵帶電而損壞管子。焊接絕緣柵場效應(yīng)管時，要按源極-漏極-柵極的順序焊接，并且最好斷電后進行焊接。二、多路模擬開關(guān)§10.8采樣保持電路

采樣保持器的工作過程由外部控制信號來決定，工作過程分“采樣”和“保持”兩個周期?！安蓸印币筝敵鲂盘柲芸焖俣鴾蚀_地跟隨信號的變化“保持”是在兩次采樣間隔時間內(nèi)保持上一次采樣結(jié)束時的狀態(tài)。采樣保持電路

模擬開關(guān)存儲電容緩沖放大器當L為高電平時：T管導(dǎo)通，電路處于采樣狀態(tài)當L為低電平時：T管截止，電路處于保持狀態(tài)轉(zhuǎn)換基本原理

為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，必須將二進制數(shù)的每一位代碼按“權(quán)”值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位二進制數(shù)的這些模擬量相加，這樣便得到與數(shù)字量成正比的模擬量。 設(shè)輸入數(shù)字量為D=d3d2d1d0

d3U3,

d2U2,d1U1,

d0U0輸出模擬量為Uo=U3+U2+

U1+U0=kDk是一個常數(shù)；D為n位二進制數(shù)?！?0.9數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC轉(zhuǎn)換特性：輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系最小輸出電壓ULSB

：

相臨兩組代碼轉(zhuǎn)換出來的模擬量之差（2V)。分辨率：

電路所能分辨出的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。分辨率=ULSBUomax=1

2n-1四位二進制的分辨率？

若最大輸出電壓仍為14V，最小輸出電壓將變大還是變?。緿000001010011100101110111DDACuo24101206814uo/V設(shè)D為三位二進制要求uomax=14Vn位二進制DAC框圖基準電壓UR輸出U0電阻解碼網(wǎng)絡(luò)…數(shù)字模擬開關(guān)…

數(shù)字寄存器…

dn1

d0…

求和電路解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型T型電阻網(wǎng)絡(luò)型倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分類：模擬電子開關(guān)電路結(jié)構(gòu)不同CMOS開關(guān)型雙極型開關(guān)電流開關(guān)型ECL電流開關(guān)型倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

uo++-AS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR2RRRRI3I2I1I0IABCD由R,2R構(gòu)成的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)S求和放大器A基準電壓源UR先計算電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電流Io1:計算時要注意兩點：(1)不論模擬開關(guān)接到運放的反相輸入端(虛地)或接地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1或0，倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)可用右圖所示的電路來等效；(2)00’、11’、22’、33’左邊部分電路的等效電阻均為R。如果輸入的是n位二進制數(shù)，則當取RF=R時，則上式為上式表明，DAC輸出的模擬電壓Uo與輸入n位二進制數(shù)字量dn-1，dn-2，…

，d0成正比，從而實現(xiàn)了數(shù)模轉(zhuǎn)換。

的主要參數(shù)1、轉(zhuǎn)換精度12110-12111-一般用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度(1)分辨率電路所能分辨的最小輸出電壓ULSB與滿刻度輸出電壓Uomax之比，分辨率當Uomax一定時，n越大，分辨能力越高。n=10的DAC分辨率=n=11的DAC分辨率=(2)轉(zhuǎn)換誤差一般是指輸入端加滿刻度的數(shù)字量時，DAC輸出電壓的理論值與實際值之差。轉(zhuǎn)換誤差一般應(yīng)低于。例如，某控制系統(tǒng)中有一D/A轉(zhuǎn)換器，如果系統(tǒng)要求該D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差（相對誤差）小于0.25%，試問應(yīng)選擇多少位的D/A/轉(zhuǎn)換器？解：轉(zhuǎn)換誤差Uomax<0.25%轉(zhuǎn)換誤差Uomax<UomaxUomax0.25%≤LSBUUomax0.5%≤121100%05%n-≤.n=7.64D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)至少為8位。2、轉(zhuǎn)換速度當DAC輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出的模擬量并不能立即達到所對應(yīng)的量值，而需要一段時間。通常用建立時間和轉(zhuǎn)換速率來描述。

建立時間（tset）指輸入數(shù)字量變化時，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時間。一般用DAC輸入的數(shù)字量NB從全0變?yōu)槿?時，輸出電壓達到規(guī)定的誤差范圍（±LSB/2）時所需時間表示。轉(zhuǎn)換速率（SR）用大信號工作狀態(tài)下，模擬電壓的變化率表示。

3、溫度系數(shù)是指在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化發(fā)生的變化量。10.10A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的一般步驟及分類A/D轉(zhuǎn)換器的一般步驟（1）采樣、保持。采樣：就是把一個時間上連續(xù)的信號變換為時間上離散的信號。保持：將采樣信號保持一段時間，使A/D轉(zhuǎn)換器有充分時間進行A/D轉(zhuǎn)換。（2）量化、編碼

模擬信號經(jīng)采樣、保持而抽取的采樣電壓值，就是在t1、t2、t3、…時刻ui的瞬時值，這些值的大小，在時間上是離散的，但在幅值上仍屬于模擬量。

數(shù)字量是離散的，把采樣電壓歸到ULSB的整數(shù)倍的離散電平上去，這一轉(zhuǎn)化過程稱為量化。把量化的結(jié)果再轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的代碼，就是編碼。UiD000001010011100101110111ULSB2.A/D轉(zhuǎn)換器的分類A/D轉(zhuǎn)換器直接型并聯(lián)比較型反饋比較型計數(shù)型逐次比較型間接型電壓時間變換型（U/T變換型）電壓頻率變換型（U/f變換型）直接型A/D轉(zhuǎn)換器1、快速并行

A/D轉(zhuǎn)換器0≤Ui<（1/14）UR時：000（1/14）UR≤Ui<（3/14）UR時：00100000000000000000（1/14）UR為量化單位111表電路的代碼轉(zhuǎn)換UiQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1D2D1D00≤Ui<1/14UR00000000001/14UR≤Ui<3/14UR00000010013/14UR≤Ui<5/14UR00000110105/14UR≤Ui<7/14UR00001110117/14UR≤Ui<9/14UR00011111009/14UR≤Ui<11/14UR001111110111/14UR≤Ui<13/14UR011111111013/14UR≤Ui<UR1111111111

逐次比較型ADC，又稱逐次逼近型ADC。其工作原理類似與天平的稱重過程（如稱13克的重物）。2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器