第二章 过程参数采样原理
第二章 过程通道
2.1 过程参数采样原理
2.2 模拟量输入通道
2.3 D/A,A/D转换技术
2.4 模拟量输出通道
第二章 过程参数采样原理
2.1 过程参数采样原理
2.1.1 采样过程与数学描述
2.1.2 采样定理
2.1.3 采样周期选择
2.1.4 多路采样装置
第二章 过程参数采样原理
X(t) X*(t)
X(t)
t0
P(t)
KT0
0?
5T3TT 7T
1
(a) 采样开关
(b) 连续信号
(c) 开关函数
2.1.1 采样过程与数学描述
第二章 过程参数采样原理
X*(t)
kT0 5T3TT 7T
1
调制器X(t) X*(t)
P(t)
(d) 采样信号
(e) 采样过程 x*(t)=p(t)x(t)
τ0＜＜ T因,所以分析时可近似认为 τ0为 0，以单位脉冲函数 δ(t)
代替 p(t)。
第二章 过程参数采样原理
理论表达形式, δ (t)＝ {0∞ t=0t≠0
工程表达形式, δ (t)＝ {01 t=0t≠0
单位脉冲序列,δ T(t)
kT0
? ?? ?? ???kT kTtt )()( ??数学表达式：
单位脉冲函数定义：
第二章 过程参数采样原理
采样过程数学描述,
? ??? ?? ???kT kTttxttxtx )()()().()(* ??
考虑物理上可实现，又可近似为：
? ??? ??? 0* )()()().()( kT kTttxttxtx ??
可见,x*(t)具有离散信号的特性。
第二章 过程参数采样原理
2.1.2 采样定理
对于角频率范围为（ ）的连续信号进
行采样，当采样频率 时，采样器的输出信号
x*(t)就能充分表征原始的连续信号 x(t)，换言之，为使
采样信号的频谱能无失真地恢复原来的连续信号的频
谱，采样周期 T必须小于输入信号变化最小周期
的 1/2，即：
maxmax,?? ??
max2?? ?s
minT
m inT21T ?
第二章 过程参数采样原理
由于被控对象一般具有低通滤波特性，因而 x(t)的带宽是有限的，其
)( ?jx 的振幅谱图如下：
)( ?jx
?max?? max??0
)(* ?jx
?0
2s?? 2s?? 23 s??23 s??
)(* ?jx
?0
2s?? 2s?? 23 s??23 s??
max2?? ?s（ 1）
（ 2） m ax2?? ?s
第二章 过程参数采样原理
2.1.3 采样周期选择
影响采样周期选择的因素：
（ 1）加于生产过程的扰动程度；
（ 2）被控过程的动态特性；
（ 3）使用的控制方式和执行机构的类型；
（ 4）被控过程所要求的控制品质指标。
第二章 过程参数采样原理
采样周期选取的一般原则：
（ 1）系统受扰动情况
。若扰动和噪声都较小，采样周期 T应选大些 ；
。对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期 T应选小些 ；
（ 2）被控系统动态特性
。滞后时间大的系统，采样周期 T应选大些 ；
。对于快速系统，采样周期 T应选小些 ；
（ 3）控制品质指标要求
。若超调量为主要指标，采样周期 T应选大些 ；
。若希望过渡过程时间短些，采样周期 T应选小些 ；
第二章 过程参数采样原理
被控参数 采样周期 T(S)
主汽压力、汽包压力、炉膛负
压、凝汽器真空、汽包水位、
汽机转速
1
流量、主汽温度、一般压力真
空和电气参量
3～ 5
一般液位 6～ 8
一般温度 15～ 30
成分,15－ 60xxxx COSONOO,,,
采样周期参考值
第二章 过程参数采样原理
2.1.4 多路采样装置
为什么采用多路采样装置？
1、多路采样器结构组成
（ 1）采样控制器
（ 2）采样驱动器
（ 3）采样开关
第二章 过程参数采样原理
列驱动器
采样控制器
行驱动器 A/D I/O
计算机
I/O
采样开
关矩阵
现场信号
K
第二章 过程参数采样原理
（ 1）导通电阻 Ron应尽量小，开路电阻 Roff尽量大；
（ 2）开关切换时间短、迟延小，稳定时间短；
（ 3）能正确处理微弱电压电流信号；
（ 4）输入 /输出之间线性度、稳定度好；
（ 5）工作寿命长。
2、采样开关技术要求
第二章 过程参数采样原理
3、典型采样开关介绍
1）继电器式采样开关
类型：。干簧继电器 。湿簧（水银）继电器
采样速度：干簧继电器 100点 /S T=10ms
湿簧（水银）继电器 200点 /S T=5ms
第二章 过程参数采样原理
＋ －U
N S
氮气
簧片
镀金触点激磁线圈
玻璃管
干簧继电器开关：
干簧优点：开路电阻 >1000M,闭合电阻 <50m
受环境温度影响小。
缺点：开闭抖动现象，速度低，吸合不放现象，寿命短。
? ?
第二章 过程参数采样原理
结构：
飞渡电容
V1
Vn
C1
Cn
RL
Rc
浮地
现
场
模
入
量
至 A/D
由于放大器输入阻抗很高，所以飞电容上的信号衰减可忽略不计。
2）飞渡电容继电器
第二章 过程参数采样原理
特点：。现场（变送器、传感器）与主系统隔离，抗共模干
扰能力强；
。信号源内阻与飞电容起到低通滤波作用，对常规噪
声有较强抑制作用；
。结点结构复杂，价格高，速度低。
第二章 过程参数采样原理
0
7I/O
I/O
I/O
C
B
A
CD
40
51
Vcc
VEE
Vss
OUT/IN
INH
双向 8取 1交直流开关
0
3I/O
I/O
I/O
B
A
CD
40
52
Vcc
VEE
Vss
OUT/IN(A)
INHI/O 0
3
A
B
OUT/IN(B)
双 4取 1双向交直流开关
3）集成电路模拟电子开关
第二章 过程参数采样原理
0
7
C
B
A
AD
75
01
Vcc
VDD
OUT
EN
6 VSS
A7
A6
A0
单向 8取 1直流开关
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
单向 16取 1直流开关
第二章 过程参数采样原理
性能
型号
Ron( ) Roff(M ) 漏电流 Is
(nA)
路数
AD7501 170~300 0.2~2 8
AD7502 170~300 0.2~2 双 4
AD7506 400 0.05 16
CD4051 270 双向
MC1150L 500 100 15 8
MX53C 500 250 3 10
? ?
几种典型模拟开关电气性能
第二章 过程参数采样原理
Vi VoutRC网络 变压器采样器 信号转换
隔离
Vi
（ 1）
（ 2）
S1
S2
S3
P3
P1 P2
Vout P1
P2
P3
Vout
4）变压器采样开关
第二章 过程参数采样原理
变压器采样开关特点：
（ 1）每路输入均采用变压器隔离，抗共模干扰能力强；
（ 2）开关速度快；
（ 3）结构复杂，价格高。
第二章 过程参数采样原理
5)采样保持器
适用于一些变化较频繁信号的检测,主要作用有以下：
（ 1）保持模拟量信号在采样 A/D期间不变；
（ 2）减少 D/A输出脉冲特性，保证控制信号输出的连续性；
（ 3）通过一路 D/A输出，把信号分配到多路输出，实现多路同步动
作；
（ 4）实现多路 D/A的同步动作。
原理组成
、保持电容 CH
、输入输出缓冲器
、输入开关及控制电路
input C
H
A1
A2
快速充电回路
高阻抗运放
CH电能损耗小
第二章 过程参数采样原理
（ 1） 32路模入扩展
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
0
～
15
路
模
入
16
～
31
路
模
入
A3
A2
A4
A1
A0
00－ 0FH
10－ 1FH
4、应用举例
第二章 过程参数采样原理
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
A3
A2
A4
A1
A0
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
D
C
B
A
A5
00－ 0FH
10－ 1FH
20－ 2FH
30－ 3FH
注：考虑全译码时应将 A7,A6加入
（ 2） 64路模入扩展
第二章 过程参数采样原理
2.2 模拟量输入通道
2.2.1 一般组成
2.2.2 设计中需考虑的问题
第二章 过程参数采样原理
生
产
过
程
检
测
传
感
器 信号处理
信号处理
信号处理 多
路
采
样
电
路
K 采样保持 A/D
I/O
接
口
计
算
机采样控制器
（ 1）信号处理（小信号放大、滤波、衰减、阻抗匹配、电平转换、
非线性补偿, V/I转换等）；
（ 2）多路采样电路；
（ 3）微弱信号放大器 K；
（ 4）采样保持器；
（ 5） A/D转换器
（ 6） I/O接口。
2.2.1 一般组成
第二章 过程参数采样原理
（ 1）电平统一、信号匹配（一般统一为 mA,mv,v）；
（ 2）采用可编程放大器，对于不同幅度的信号，在线调
整增益；
（ 3）抗干扰措施：隔离、屏蔽接地、浮置、电源逆变；
（ 4）采样保持：对于快变信号，需考虑采用采样保持或
有效值转换器。
2.2.2 设计中需考虑的问题
第二章 过程参数采样原理
2.3.1 D/A转换
2.3.2 A/D转换
2.3.3 A/D,D/A主要技术指标
2.3.4 典型芯片介绍
2.3 D/A,A/D转换技术
第二章 过程参数采样原理
2.3.1 D/A转换
组成：基准源、模拟二进制开关、精密电阻网络、运算
放大器
1,权电阻 D/A网络
（ 4位权电阻网络）
E K0
＋
－
a323
a222
a121
a020
K1
K2
K3
23R
22R
21R
20R I
I/2
I/4
I/8
U?I
Rf
第二章 过程参数采样原理
（ 1）设输入二进制数字量为
4位网络,D4=a020+a121+a222+a323=?
?
3
0
2
i
iia
n位网络,Dn=a020+a121+…+a n-12n-1=?
?
3
0
2
i
iia
设基准电流 I=E/R
（ 2）输出电流
? ?? ?? 30 32i iiaII4位网络
n位网络 ?? ?
?
??? 1
0
12n
i
niiaII
结论：随着网络输入二进制数字量的增加，网络输出电流也随之
增加。
（ 3）输出电压
4位网络 ???
?
???
?
????? 3
0
323
0
32
i
iiaR fRE
i
iiafIRIfRU
n位网络 ??? ?
?
?????
?
?????? 1
0
121
0
12 n
i
niiaR fREn
i
niiafIRIfRU
第二章 过程参数采样原理
各位权电阻值不相同，离散性较大，转换位数增多时，易产生一
致性误差。
（ 4）存在问题
第二章 过程参数采样原理
2,R-2R电流相加型 D/A网络
R
＋
－
a323 a222 a121 a020
K1K0 K2 K3
U
2R
R
2R
R
2R
R
2R
2RE 2I
I I/2 I/4 I/8
I/8
?I
（ 1）设输入二进制数字量为
4位网络,D4=a020+a121+a222+a323=??30 2i iia
n位网络,Dn=a020+a121+…+a n-12n-1=?
?
3
0 2i
iia
设基准电流 I=E/2R
第二章 过程参数采样原理
（ 2）输出电流
? ?? ?? 30 32i iiaII4位网络
n位网络 ?? ?
?
??? 1
0
12n
i
niiaII
（ 3）输出电压
4位网络 ??
?
????? 3
0
32
i
iiaIRIRU
n位网络 ?? ?
?
?????? 1
0
12n
i
niiaIRIRU
K0-K3全部闭合时,EU 1615??
K0-K3全部闭合时,II? ? 815
误差分析,D/A位数越多量化误差越小,I误差,I/2n-1,U误差,E/2n
第二章 过程参数采样原理
常用方式：
计数比较式 －结构简单，价格便宜，速度慢，较少采用。
逐次逼近式 －精度速度较理想，适合一般模入使用,16位以
下 A/D采用普遍。
双斜率积分式 －精度高，结构复杂，适用精度要求较高场合。
2.3.2 A/D转换
第二章 过程参数采样原理
1、逐次逼近式
（ 1）结构组成,
＋
－
D/A网络
SAR移位寄存器
时序控制逻辑
Vf
Vx
D7
D6
D0
启动 结束
E
0
Vx
Vf
t
1000 0100 0110 0111
第二章 过程参数采样原理
、逐次逼近寄存器 SAR
,D/A网络
、比较器
、时序控制逻辑
（ 2）转换原理
（ 3）特点
1）精度高，速度快（ 10位 A/D可达微秒级）
2）抗干扰能力不够强，信号变化较大时，会产生线性误差。
第二章 过程参数采样原理
（ 1）结构组成
0
T
TA
TB t
A
B
Vcx
VCA
VCB
固定积分时间
放电时间
基准源 E与 Vx极性相反
xTxVTE?
＋
－
＋
－
控制逻辑
计数器
E
Vx C
积分电路
比较器
时钟
启动 结束
K
Vcx
AT
BTCBVATCAV ?
(2)转换原理
2、双斜率积分式
第二章 过程参数采样原理
、消除干扰及噪声能力强，精度高；
、转换速度慢；
、适用场合：信号慢变，采样频率要求较低，精度要求较高，
干扰严重的情况。
（ 3）特点
第二章 过程参数采样原理
2.3.3 A/D,D/A主要技术指标
1,A/D主要指标
（ 1）分辨率：一般以 A/D的位数表示；
（ 2）量程：即测量范围；
（ 3）精度：结果相对实际值得准确度；
（ 4）转换时间：从 A/D启动至输出二进制数据；
（ 5）输出电平：多为与 TTL,CMOS电平兼容；
（ 6）工作温度：－ 40－＋ 85℃ ；
（ 7）基准源：要求外部提供精密基准电压；
（ 8）输出编码：二进制原码、补码,BCD码。
第二章 过程参数采样原理
（ 1）分辨率；
（ 2）稳定时间：从输入二进制数据到输出稳定电信号；
（ 3）输出电特性：电流型（ mA）、电压型（ V）；
（ 4）输入编码：二进制原码、补码,BCD码、反码。
2,D/A主要指标
第二章 过程参数采样原理
2.3.4 典型芯片介绍
1,ADC0809
转换原理：逐次逼近式
技术指标：
CLK,0-640kHz，一般为 500kHz
精度,± 1LSB
功耗,15mw
量程：－ 5V～＋ 5V
第二章 过程参数采样原理
+_
IN7
IN6
IN0
8路
模
拟
开
关
地
址
译
码
锁
存
C
B
A
ALE
Vcc GND V
REF(+)
VREF(-) OE
START CLK
EOC
D7
D6
D0
时序与控制逻辑
SAR寄存器
树状开关
D/A网络
三
态
输
出
缓
冲
器
Vx
Vf
CP
D
Q
Q
CP
D
Q
Q
Φ2MHz 500KHz
分频器
结构：
第二章 过程参数采样原理
技术指标：
Rfb：片内电阻 15K，可作外部运放反馈电阻
Vcc：＋ 5V－＋ 15V
VREF(± )：－ 10V－＋ 10V
转换速度,1μs
线性误差,0.2％（满量程）
2,DAC0832
第二章 过程参数采样原理
D7
D6
D0
Q7
Q6
Q0
D7
D6
D0
Q7
Q6
Q0
D7
D6
D0
输
入
寄
存
器
缓
冲
寄
存
器
D
/
A
转
换
器
LE1 LE2
ILE
WR1
WR2
CS
XFER
VREF
Iout1
Iout2
Rfb
AGND
DGND
Vcc
结构
第二章 过程参数采样原理
2.4 模拟量输出通道
2.4.1 类型
2.4.2 零阶输出保持器
第二章 过程参数采样原理
1、多同道共享 1个 D/A
CPU I/O D/A
保持器多
路
开
关
保持器
AO1
AOk
常用形式，一般多为 4路
2、多 D/A形式
CPU
寄存器
寄存器
D/A
D/A
AO1
AOk
2.4.1 类型
第二章 过程参数采样原理
CPU
输入缓冲器
输入缓冲器
D/A
D/A
AO1
AOk
输出缓冲器
输出缓冲器
选通 选通
选通 选通
3、各自具有缓冲器的多通道系统
第二章 过程参数采样原理
2.4.2 零阶输出保持器
Y(t)
Y(t)
t
t
0
0
无保持
有保持
Gh(S)
h1(t) h2(t)
h1(t)
t0
h2(t)
t0
第二章 过程通道
2.1 过程参数采样原理
2.2 模拟量输入通道
2.3 D/A,A/D转换技术
2.4 模拟量输出通道
第二章 过程参数采样原理
2.1 过程参数采样原理
2.1.1 采样过程与数学描述
2.1.2 采样定理
2.1.3 采样周期选择
2.1.4 多路采样装置
第二章 过程参数采样原理
X(t) X*(t)
X(t)
t0
P(t)
KT0
0?
5T3TT 7T
1
(a) 采样开关
(b) 连续信号
(c) 开关函数
2.1.1 采样过程与数学描述
第二章 过程参数采样原理
X*(t)
kT0 5T3TT 7T
1
调制器X(t) X*(t)
P(t)
(d) 采样信号
(e) 采样过程 x*(t)=p(t)x(t)
τ0＜＜ T因,所以分析时可近似认为 τ0为 0，以单位脉冲函数 δ(t)
代替 p(t)。
第二章 过程参数采样原理
理论表达形式, δ (t)＝ {0∞ t=0t≠0
工程表达形式, δ (t)＝ {01 t=0t≠0
单位脉冲序列,δ T(t)
kT0
? ?? ?? ???kT kTtt )()( ??数学表达式：
单位脉冲函数定义：
第二章 过程参数采样原理
采样过程数学描述,
? ??? ?? ???kT kTttxttxtx )()()().()(* ??
考虑物理上可实现，又可近似为：
? ??? ??? 0* )()()().()( kT kTttxttxtx ??
可见,x*(t)具有离散信号的特性。
第二章 过程参数采样原理
2.1.2 采样定理
对于角频率范围为（ ）的连续信号进
行采样，当采样频率 时，采样器的输出信号
x*(t)就能充分表征原始的连续信号 x(t)，换言之，为使
采样信号的频谱能无失真地恢复原来的连续信号的频
谱，采样周期 T必须小于输入信号变化最小周期
的 1/2，即：
maxmax,?? ??
max2?? ?s
minT
m inT21T ?
第二章 过程参数采样原理
由于被控对象一般具有低通滤波特性，因而 x(t)的带宽是有限的，其
)( ?jx 的振幅谱图如下：
)( ?jx
?max?? max??0
)(* ?jx
?0
2s?? 2s?? 23 s??23 s??
)(* ?jx
?0
2s?? 2s?? 23 s??23 s??
max2?? ?s（ 1）
（ 2） m ax2?? ?s
第二章 过程参数采样原理
2.1.3 采样周期选择
影响采样周期选择的因素：
（ 1）加于生产过程的扰动程度；
（ 2）被控过程的动态特性；
（ 3）使用的控制方式和执行机构的类型；
（ 4）被控过程所要求的控制品质指标。
第二章 过程参数采样原理
采样周期选取的一般原则：
（ 1）系统受扰动情况
。若扰动和噪声都较小，采样周期 T应选大些 ；
。对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期 T应选小些 ；
（ 2）被控系统动态特性
。滞后时间大的系统，采样周期 T应选大些 ；
。对于快速系统，采样周期 T应选小些 ；
（ 3）控制品质指标要求
。若超调量为主要指标，采样周期 T应选大些 ；
。若希望过渡过程时间短些，采样周期 T应选小些 ；
第二章 过程参数采样原理
被控参数 采样周期 T(S)
主汽压力、汽包压力、炉膛负
压、凝汽器真空、汽包水位、
汽机转速
1
流量、主汽温度、一般压力真
空和电气参量
3～ 5
一般液位 6～ 8
一般温度 15～ 30
成分,15－ 60xxxx COSONOO,,,
采样周期参考值
第二章 过程参数采样原理
2.1.4 多路采样装置
为什么采用多路采样装置？
1、多路采样器结构组成
（ 1）采样控制器
（ 2）采样驱动器
（ 3）采样开关
第二章 过程参数采样原理
列驱动器
采样控制器
行驱动器 A/D I/O
计算机
I/O
采样开
关矩阵
现场信号
K
第二章 过程参数采样原理
（ 1）导通电阻 Ron应尽量小，开路电阻 Roff尽量大；
（ 2）开关切换时间短、迟延小，稳定时间短；
（ 3）能正确处理微弱电压电流信号；
（ 4）输入 /输出之间线性度、稳定度好；
（ 5）工作寿命长。
2、采样开关技术要求
第二章 过程参数采样原理
3、典型采样开关介绍
1）继电器式采样开关
类型：。干簧继电器 。湿簧（水银）继电器
采样速度：干簧继电器 100点 /S T=10ms
湿簧（水银）继电器 200点 /S T=5ms
第二章 过程参数采样原理
＋ －U
N S
氮气
簧片
镀金触点激磁线圈
玻璃管
干簧继电器开关：
干簧优点：开路电阻 >1000M,闭合电阻 <50m
受环境温度影响小。
缺点：开闭抖动现象，速度低，吸合不放现象，寿命短。
? ?
第二章 过程参数采样原理
结构：
飞渡电容
V1
Vn
C1
Cn
RL
Rc
浮地
现
场
模
入
量
至 A/D
由于放大器输入阻抗很高，所以飞电容上的信号衰减可忽略不计。
2）飞渡电容继电器
第二章 过程参数采样原理
特点：。现场（变送器、传感器）与主系统隔离，抗共模干
扰能力强；
。信号源内阻与飞电容起到低通滤波作用，对常规噪
声有较强抑制作用；
。结点结构复杂，价格高，速度低。
第二章 过程参数采样原理
0
7I/O
I/O
I/O
C
B
A
CD
40
51
Vcc
VEE
Vss
OUT/IN
INH
双向 8取 1交直流开关
0
3I/O
I/O
I/O
B
A
CD
40
52
Vcc
VEE
Vss
OUT/IN(A)
INHI/O 0
3
A
B
OUT/IN(B)
双 4取 1双向交直流开关
3）集成电路模拟电子开关
第二章 过程参数采样原理
0
7
C
B
A
AD
75
01
Vcc
VDD
OUT
EN
6 VSS
A7
A6
A0
单向 8取 1直流开关
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
单向 16取 1直流开关
第二章 过程参数采样原理
性能
型号
Ron( ) Roff(M ) 漏电流 Is
(nA)
路数
AD7501 170~300 0.2~2 8
AD7502 170~300 0.2~2 双 4
AD7506 400 0.05 16
CD4051 270 双向
MC1150L 500 100 15 8
MX53C 500 250 3 10
? ?
几种典型模拟开关电气性能
第二章 过程参数采样原理
Vi VoutRC网络 变压器采样器 信号转换
隔离
Vi
（ 1）
（ 2）
S1
S2
S3
P3
P1 P2
Vout P1
P2
P3
Vout
4）变压器采样开关
第二章 过程参数采样原理
变压器采样开关特点：
（ 1）每路输入均采用变压器隔离，抗共模干扰能力强；
（ 2）开关速度快；
（ 3）结构复杂，价格高。
第二章 过程参数采样原理
5)采样保持器
适用于一些变化较频繁信号的检测,主要作用有以下：
（ 1）保持模拟量信号在采样 A/D期间不变；
（ 2）减少 D/A输出脉冲特性，保证控制信号输出的连续性；
（ 3）通过一路 D/A输出，把信号分配到多路输出，实现多路同步动
作；
（ 4）实现多路 D/A的同步动作。
原理组成
、保持电容 CH
、输入输出缓冲器
、输入开关及控制电路
input C
H
A1
A2
快速充电回路
高阻抗运放
CH电能损耗小
第二章 过程参数采样原理
（ 1） 32路模入扩展
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
0
～
15
路
模
入
16
～
31
路
模
入
A3
A2
A4
A1
A0
00－ 0FH
10－ 1FH
4、应用举例
第二章 过程参数采样原理
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
A3
A2
A4
A1
A0
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
0
15
A2
A1
A0
AD
75
06
Vcc
VDD
OUT
EN
14 VSS
S15
S14
S0
A3
D
C
B
A
A5
00－ 0FH
10－ 1FH
20－ 2FH
30－ 3FH
注：考虑全译码时应将 A7,A6加入
（ 2） 64路模入扩展
第二章 过程参数采样原理
2.2 模拟量输入通道
2.2.1 一般组成
2.2.2 设计中需考虑的问题
第二章 过程参数采样原理
生
产
过
程
检
测
传
感
器 信号处理
信号处理
信号处理 多
路
采
样
电
路
K 采样保持 A/D
I/O
接
口
计
算
机采样控制器
（ 1）信号处理（小信号放大、滤波、衰减、阻抗匹配、电平转换、
非线性补偿, V/I转换等）；
（ 2）多路采样电路；
（ 3）微弱信号放大器 K；
（ 4）采样保持器；
（ 5） A/D转换器
（ 6） I/O接口。
2.2.1 一般组成
第二章 过程参数采样原理
（ 1）电平统一、信号匹配（一般统一为 mA,mv,v）；
（ 2）采用可编程放大器，对于不同幅度的信号，在线调
整增益；
（ 3）抗干扰措施：隔离、屏蔽接地、浮置、电源逆变；
（ 4）采样保持：对于快变信号，需考虑采用采样保持或
有效值转换器。
2.2.2 设计中需考虑的问题
第二章 过程参数采样原理
2.3.1 D/A转换
2.3.2 A/D转换
2.3.3 A/D,D/A主要技术指标
2.3.4 典型芯片介绍
2.3 D/A,A/D转换技术
第二章 过程参数采样原理
2.3.1 D/A转换
组成：基准源、模拟二进制开关、精密电阻网络、运算
放大器
1,权电阻 D/A网络
（ 4位权电阻网络）
E K0
＋
－
a323
a222
a121
a020
K1
K2
K3
23R
22R
21R
20R I
I/2
I/4
I/8
U?I
Rf
第二章 过程参数采样原理
（ 1）设输入二进制数字量为
4位网络,D4=a020+a121+a222+a323=?
?
3
0
2
i
iia
n位网络,Dn=a020+a121+…+a n-12n-1=?
?
3
0
2
i
iia
设基准电流 I=E/R
（ 2）输出电流
? ?? ?? 30 32i iiaII4位网络
n位网络 ?? ?
?
??? 1
0
12n
i
niiaII
结论：随着网络输入二进制数字量的增加，网络输出电流也随之
增加。
（ 3）输出电压
4位网络 ???
?
???
?
????? 3
0
323
0
32
i
iiaR fRE
i
iiafIRIfRU
n位网络 ??? ?
?
?????
?
?????? 1
0
121
0
12 n
i
niiaR fREn
i
niiafIRIfRU
第二章 过程参数采样原理
各位权电阻值不相同，离散性较大，转换位数增多时，易产生一
致性误差。
（ 4）存在问题
第二章 过程参数采样原理
2,R-2R电流相加型 D/A网络
R
＋
－
a323 a222 a121 a020
K1K0 K2 K3
U
2R
R
2R
R
2R
R
2R
2RE 2I
I I/2 I/4 I/8
I/8
?I
（ 1）设输入二进制数字量为
4位网络,D4=a020+a121+a222+a323=??30 2i iia
n位网络,Dn=a020+a121+…+a n-12n-1=?
?
3
0 2i
iia
设基准电流 I=E/2R
第二章 过程参数采样原理
（ 2）输出电流
? ?? ?? 30 32i iiaII4位网络
n位网络 ?? ?
?
??? 1
0
12n
i
niiaII
（ 3）输出电压
4位网络 ??
?
????? 3
0
32
i
iiaIRIRU
n位网络 ?? ?
?
?????? 1
0
12n
i
niiaIRIRU
K0-K3全部闭合时,EU 1615??
K0-K3全部闭合时,II? ? 815
误差分析,D/A位数越多量化误差越小,I误差,I/2n-1,U误差,E/2n
第二章 过程参数采样原理
常用方式：
计数比较式 －结构简单，价格便宜，速度慢，较少采用。
逐次逼近式 －精度速度较理想，适合一般模入使用,16位以
下 A/D采用普遍。
双斜率积分式 －精度高，结构复杂，适用精度要求较高场合。
2.3.2 A/D转换
第二章 过程参数采样原理
1、逐次逼近式
（ 1）结构组成,
＋
－
D/A网络
SAR移位寄存器
时序控制逻辑
Vf
Vx
D7
D6
D0
启动 结束
E
0
Vx
Vf
t
1000 0100 0110 0111
第二章 过程参数采样原理
、逐次逼近寄存器 SAR
,D/A网络
、比较器
、时序控制逻辑
（ 2）转换原理
（ 3）特点
1）精度高，速度快（ 10位 A/D可达微秒级）
2）抗干扰能力不够强，信号变化较大时，会产生线性误差。
第二章 过程参数采样原理
（ 1）结构组成
0
T
TA
TB t
A
B
Vcx
VCA
VCB
固定积分时间
放电时间
基准源 E与 Vx极性相反
xTxVTE?
＋
－
＋
－
控制逻辑
计数器
E
Vx C
积分电路
比较器
时钟
启动 结束
K
Vcx
AT
BTCBVATCAV ?
(2)转换原理
2、双斜率积分式
第二章 过程参数采样原理
、消除干扰及噪声能力强，精度高；
、转换速度慢；
、适用场合：信号慢变，采样频率要求较低，精度要求较高，
干扰严重的情况。
（ 3）特点
第二章 过程参数采样原理
2.3.3 A/D,D/A主要技术指标
1,A/D主要指标
（ 1）分辨率：一般以 A/D的位数表示；
（ 2）量程：即测量范围；
（ 3）精度：结果相对实际值得准确度；
（ 4）转换时间：从 A/D启动至输出二进制数据；
（ 5）输出电平：多为与 TTL,CMOS电平兼容；
（ 6）工作温度：－ 40－＋ 85℃ ；
（ 7）基准源：要求外部提供精密基准电压；
（ 8）输出编码：二进制原码、补码,BCD码。
第二章 过程参数采样原理
（ 1）分辨率；
（ 2）稳定时间：从输入二进制数据到输出稳定电信号；
（ 3）输出电特性：电流型（ mA）、电压型（ V）；
（ 4）输入编码：二进制原码、补码,BCD码、反码。
2,D/A主要指标
第二章 过程参数采样原理
2.3.4 典型芯片介绍
1,ADC0809
转换原理：逐次逼近式
技术指标：
CLK,0-640kHz，一般为 500kHz
精度,± 1LSB
功耗,15mw
量程：－ 5V～＋ 5V
第二章 过程参数采样原理
+_
IN7
IN6
IN0
8路
模
拟
开
关
地
址
译
码
锁
存
C
B
A
ALE
Vcc GND V
REF(+)
VREF(-) OE
START CLK
EOC
D7
D6
D0
时序与控制逻辑
SAR寄存器
树状开关
D/A网络
三
态
输
出
缓
冲
器
Vx
Vf
CP
D
Q
Q
CP
D
Q
Q
Φ2MHz 500KHz
分频器
结构：
第二章 过程参数采样原理
技术指标：
Rfb：片内电阻 15K，可作外部运放反馈电阻
Vcc：＋ 5V－＋ 15V
VREF(± )：－ 10V－＋ 10V
转换速度,1μs
线性误差,0.2％（满量程）
2,DAC0832
第二章 过程参数采样原理
D7
D6
D0
Q7
Q6
Q0
D7
D6
D0
Q7
Q6
Q0
D7
D6
D0
输
入
寄
存
器
缓
冲
寄
存
器
D
/
A
转
换
器
LE1 LE2
ILE
WR1
WR2
CS
XFER
VREF
Iout1
Iout2
Rfb
AGND
DGND
Vcc
结构
第二章 过程参数采样原理
2.4 模拟量输出通道
2.4.1 类型
2.4.2 零阶输出保持器
第二章 过程参数采样原理
1、多同道共享 1个 D/A
CPU I/O D/A
保持器多
路
开
关
保持器
AO1
AOk
常用形式，一般多为 4路
2、多 D/A形式
CPU
寄存器
寄存器
D/A
D/A
AO1
AOk
2.4.1 类型
第二章 过程参数采样原理
CPU
输入缓冲器
输入缓冲器
D/A
D/A
AO1
AOk
输出缓冲器
输出缓冲器
选通 选通
选通 选通
3、各自具有缓冲器的多通道系统
第二章 过程参数采样原理
2.4.2 零阶输出保持器
Y(t)
Y(t)
t
t
0
0
无保持
有保持
Gh(S)
h1(t) h2(t)
h1(t)
t0
h2(t)
t0
