1、數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表1第二章 數(shù)字式顯示儀表2.1 數(shù)字式顯示儀表的構(gòu)成及主要數(shù)字式顯示儀表的構(gòu)成及主要 性能指標(biāo)性能指標(biāo)2.2 信號(hào)的采樣與量化信號(hào)的采樣與量化2.3 數(shù)字?jǐn)?shù)字/模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)模擬轉(zhuǎn)換技術(shù)2.4 模擬模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)2.5 集成集成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表22.1 數(shù)字式顯示儀表的數(shù)字式顯示儀表的構(gòu)成及主要性能指標(biāo)構(gòu)成及主要性能指標(biāo)一、一、 數(shù)字式顯示儀表的基本知識(shí)數(shù)字式顯示儀表的基本知識(shí)數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表3準(zhǔn)確度高準(zhǔn)確度高分辨力高分辨力高無(wú)主觀讀數(shù)誤差無(wú)主觀讀數(shù)誤差測(cè)量速度快測(cè)量速度快能以數(shù)碼形式輸出結(jié)果能以數(shù)碼形式輸出結(jié)果線路簡(jiǎn)單、可靠性好，耐震性強(qiáng)線路簡(jiǎn)

2、單、可靠性好，耐震性強(qiáng)制造、調(diào)試和維修簡(jiǎn)單制造、調(diào)試和維修簡(jiǎn)單(一)數(shù)字儀表的主要特點(diǎn)數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表4（二）數(shù)字顯示儀表的原理 數(shù)字式顯示儀表數(shù)字式顯示儀表是能將被測(cè)的連續(xù)電量是能將被測(cè)的連續(xù)電量( (模模擬量擬量) )自動(dòng)地變成斷續(xù)量自動(dòng)地變成斷續(xù)量, ,然后進(jìn)行數(shù)字編碼然后進(jìn)行數(shù)字編碼, ,并并將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字顯示的檢測(cè)儀表。將測(cè)量結(jié)果以數(shù)字顯示的檢測(cè)儀表。 A/DA/D變換器變換器電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器顯示器顯示器模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量讀出讀出圖圖2.1 2.1 數(shù)字式顯示儀表方框圖數(shù)字式顯示儀表方框圖數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表5(三)數(shù)字顯示儀表的基本構(gòu)成數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表6u（1） 按輸入信號(hào)

3、的形式分類： 可分為電壓型和頻率型兩類。 u（2） 按被測(cè)信號(hào)的點(diǎn)數(shù)分類： 可分為單點(diǎn)和多點(diǎn)兩種。 u（3） 按采樣速率分類： 可分為低速型、 中速型、 高速型數(shù)字顯示儀表。 u（4） 按電路中的主要元器件分類： 電子管式、晶體管式、集成電路式和帶微處理器式數(shù)字顯示儀表等。(四)數(shù)字顯示儀表的分類數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表7二、數(shù)字儀表的主要技術(shù)指標(biāo)二、數(shù)字儀表的主要技術(shù)指標(biāo)（一）顯示位數(shù)（一）顯示位數(shù) 以以十進(jìn)制十進(jìn)制顯示被測(cè)變量值的顯示被測(cè)變量值的位數(shù)位數(shù)稱為顯示稱為顯示位數(shù)。位數(shù)。 能夠顯示能夠顯示“09”的數(shù)字位稱為的數(shù)字位稱為“滿位滿位”；僅顯示僅顯示1或不顯示的數(shù)字位，稱為或不顯示的數(shù)字位，

4、稱為“半位半位”或或“1/2位位”。工業(yè)用數(shù)字溫度顯示儀表的顯示位。工業(yè)用數(shù)字溫度顯示儀表的顯示位數(shù)常為（數(shù)常為（3+1/2）位，可顯示）位，可顯示19991999。數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表8（二）儀表的量程（二）儀表的量程 儀表標(biāo)稱范圍的上、下限之差的模，儀表標(biāo)稱范圍的上、下限之差的模，稱為儀表的量程。量程有效范圍上限值為稱為儀表的量程。量程有效范圍上限值為滿度值。滿度值。 例如例如XMZ101數(shù)字式溫度儀表，測(cè)量數(shù)字式溫度儀表，測(cè)量范圍范圍30180，其量程為，其量程為150，滿度值，滿度值為為180。數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表9（三）準(zhǔn)確度（三）準(zhǔn)確度 =a 讀數(shù)值讀數(shù)值n字字 或或 =a讀數(shù)值讀數(shù)值 b

5、 儀表量程儀表量程為數(shù)字顯示儀表的絕對(duì)誤差為數(shù)字顯示儀表的絕對(duì)誤差 與被測(cè)量大小有關(guān)的相對(duì)項(xiàng) 與被測(cè)量無(wú)關(guān)的固定項(xiàng)誤差誤差a為誤差的相對(duì)項(xiàng)系數(shù)為誤差的相對(duì)項(xiàng)系數(shù)b為誤差的固定項(xiàng)系數(shù)為誤差的固定項(xiàng)系數(shù)n個(gè)字為儀表末位數(shù)的單位值的個(gè)字為儀表末位數(shù)的單位值的n倍倍數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表10（四）分辨力和分辨率（四）分辨力和分辨率 數(shù)字儀表的數(shù)字儀表的分辨力分辨力是指末位數(shù)字改變一個(gè)是指末位數(shù)字改變一個(gè)字所對(duì)應(yīng)的被測(cè)變量的最小變化值，它表示了字所對(duì)應(yīng)的被測(cè)變量的最小變化值，它表示了儀表能夠檢測(cè)到的儀表能夠檢測(cè)到的被測(cè)量最小變化被測(cè)量最小變化的能力。的能力。 分辨率分辨率是儀表顯示的最小數(shù)值與最大數(shù)值是儀表顯

6、示的最小數(shù)值與最大數(shù)值之比。之比。 分辨力分辨力是分辨率與是分辨率與滿度量程滿度量程的乘積。的乘積。數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表11（五）輸入阻抗（五）輸入阻抗 數(shù)字式顯示儀表是一種高輸入阻抗的儀表，數(shù)字式顯示儀表是一種高輸入阻抗的儀表，輸入阻抗可達(dá)輸入阻抗可達(dá)1012。（六）抗干擾能力（六）抗干擾能力 數(shù)字式顯示儀表一般用數(shù)字式顯示儀表一般用串模干擾抑制比串模干擾抑制比和和共模干擾抑制比共模干擾抑制比來(lái)表征抗干擾能力大小。來(lái)表征抗干擾能力大小。 單位是分貝，一般直流電壓型數(shù)顯儀表的單位是分貝，一般直流電壓型數(shù)顯儀表的串模干擾抑制比為串模干擾抑制比為2060dB，共模干擾抑制比，共模干擾抑制比為為1201

7、60dB。數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表12串模干擾抑制比串模干擾抑制比n串模干擾串模干擾( (Series Mode interference ) ) 所謂串模干擾是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪所謂串模干擾是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲。也稱為常態(tài)干擾。聲。也稱為常態(tài)干擾。 dBrUSMRRnlg20串模干擾抑制比串模干擾抑制比數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表13共模干擾抑制比共模干擾抑制比共模干擾共模干擾(Common Mode interference) 是指模是指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)輸入端上公有的干擾電壓。數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)輸入端上公有的干擾電壓。共模干擾也稱為共態(tài)干擾。共模干擾也稱為共態(tài)干擾。dBCMRRUUncmlg20共

8、模干擾抑制比共模干擾抑制比數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表14、工業(yè)自動(dòng)化對(duì)數(shù)字儀表的特殊要求、工業(yè)自動(dòng)化對(duì)數(shù)字儀表的特殊要求 應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化中的數(shù)字儀表必須應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化中的數(shù)字儀表必須具有自身的特殊性能。有以下幾方面：具有自身的特殊性能。有以下幾方面： 工業(yè)自動(dòng)化儀表的檢測(cè)參數(shù)通常是以溫度、工業(yè)自動(dòng)化儀表的檢測(cè)參數(shù)通常是以溫度、壓力、流量、物位等為主，這些物理量都是隨時(shí)壓力、流量、物位等為主，這些物理量都是隨時(shí)間連續(xù)變化的間連續(xù)變化的非電量非電量。通過(guò)各種變送器或。通過(guò)各種變送器或A/DA/D，D/AD/A把非電量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的把非電量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表15各種傳感器輸

9、出的電信號(hào)往往與被測(cè)參數(shù)各種傳感器輸出的電信號(hào)往往與被測(cè)參數(shù)之間呈現(xiàn)出之間呈現(xiàn)出非線性非線性特性，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器一特性，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般是線性的。般是線性的。 因此，在用數(shù)字形式顯示被測(cè)參數(shù)時(shí)，因此，在用數(shù)字形式顯示被測(cè)參數(shù)時(shí)，必須考慮必須考慮非線性校正非線性校正問(wèn)題，以保證測(cè)量準(zhǔn)確問(wèn)題，以保證測(cè)量準(zhǔn)確度。度。數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表16工業(yè)用儀表區(qū)別于實(shí)驗(yàn)室儀表的一個(gè)重要工業(yè)用儀表區(qū)別于實(shí)驗(yàn)室儀表的一個(gè)重要方面，是要考慮生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種惡劣條件，方面，是要考慮生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種惡劣條件，要有較強(qiáng)的要有較強(qiáng)的抗各種干擾的能力抗各種干擾的能力。 因此，在設(shè)計(jì)、制造這類數(shù)字儀表時(shí)，因此，在設(shè)計(jì)、制造這類數(shù)字儀表時(shí)

10、，必須對(duì)儀表使用現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)查，必須對(duì)儀表使用現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)查，制訂出相應(yīng)的抗干擾措施，保證儀表具有良制訂出相應(yīng)的抗干擾措施，保證儀表具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。好的環(huán)境適應(yīng)性。數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表17必須考慮必須考慮標(biāo)度變換標(biāo)度變換問(wèn)題問(wèn)題，使儀表顯示值的單位，使儀表顯示值的單位與被測(cè)原始物理量統(tǒng)一起來(lái)。與被測(cè)原始物理量統(tǒng)一起來(lái)。由于現(xiàn)代化生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，要求由于現(xiàn)代化生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，要求儀表能對(duì)儀表能對(duì)多種參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量、自動(dòng)報(bào)警（越多種參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量、自動(dòng)報(bào)警（越限、故障）及自動(dòng)打印記錄限、故障）及自動(dòng)打印記錄等等。同時(shí)，為了對(duì)生。同時(shí)，為了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)綜合

11、控制與管理，往往將儀表的測(cè)量產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)綜合控制與管理，往往將儀表的測(cè)量值送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和存儲(chǔ)，以便按給定的規(guī)值送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和存儲(chǔ)，以便按給定的規(guī)律對(duì)參量進(jìn)行控制。所以要求數(shù)字儀表具有律對(duì)參量進(jìn)行控制。所以要求數(shù)字儀表具有數(shù)碼數(shù)碼輸出及數(shù)據(jù)通信輸出及數(shù)據(jù)通信功能。功能。數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表18模擬信號(hào)模擬信號(hào)：幅值幅值, ,時(shí)間均連續(xù)。時(shí)間均連續(xù)。離散模擬信號(hào)離散模擬信號(hào): : 幅值連續(xù)幅值連續(xù), ,時(shí)間離散時(shí)間離散。數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào): : 幅值幅值, ,時(shí)間均離散時(shí)間均離散。采樣采樣：以一定的時(shí)間間隔將模擬信號(hào)抽樣成離散模擬以一定的時(shí)間間隔將模擬信號(hào)抽樣成離散模擬信號(hào)的過(guò)程。信號(hào)的過(guò)程。

12、量化量化：用一組用一組編碼（二進(jìn)制編碼（二進(jìn)制）去逼進(jìn)）去逼進(jìn)離散模擬信號(hào)離散模擬信號(hào)的的幅值幅值, , 將其變成將其變成數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。的過(guò)程。 一、采樣過(guò)程2.2 2.2 信號(hào)的采樣與量化信號(hào)的采樣與量化數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表19二、采樣定理二、采樣定理數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表20 為了使采樣輸出信號(hào)為了使采樣輸出信號(hào)u*（t）能精確地）能精確地復(fù)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)原輸入模擬信號(hào)原輸入模擬信號(hào)ui（t），對(duì)于一個(gè)頻率有限的），對(duì)于一個(gè)頻率有限的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，采樣周期模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，采樣周期Ts必須滿足：必須滿足： 式中式中 fmax輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量max12sTf二、采樣定

13、理二、采樣定理max(2.5 3)sff采樣頻率一般選為采樣頻率一般選為數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表21三、采樣與保持三、采樣與保持 模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖樣值脈沖。采樣脈沖寬度。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前，應(yīng)暫時(shí)保持一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加后須加保持電路保持電路。電容電容C C為為保持電容保持電容，運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器A1,A2A1,A2為為跟隨器跟隨器在采樣脈沖在采樣脈沖S(tS(t) )到來(lái)

14、的時(shí)間到來(lái)的時(shí)間內(nèi)，內(nèi)，s s為高電平，模擬開(kāi)關(guān)接通，為高電平，模擬開(kāi)關(guān)接通，U UI I( (t t) )向電容向電容C C充電，充電，則有：則有：U UO O(t)(t)U Uc c(t)(t)U UI I(t)(t)。采樣采樣采樣結(jié)束，模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，而電容采樣結(jié)束，模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，而電容C C上電壓保持充電電壓上電壓保持充電電壓U UI I(t)(t)不變，不變，直到下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)為止。直到下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)為止。保持保持?jǐn)?shù)顯儀表數(shù)顯儀表22三、采樣與保持三、采樣與保持7接地接地, 8接大于接大于1.4V電壓時(shí)，電壓時(shí)，LF398采樣采樣。8接低電平時(shí)接低電平時(shí)LF398保持保持。數(shù)顯

15、儀表數(shù)顯儀表23u在在tg期間期間Uo保持保持不變，此時(shí)電路對(duì)不變，此時(shí)電路對(duì)Uo進(jìn)行量化進(jìn)行量化-編碼。編碼。u量化：量化：將采樣保持信號(hào)將采樣保持信號(hào)Uo按指定要求劃分成按指定要求劃分成最小量化單最小量化單位位 s 的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。u編碼：編碼：就是把量化的數(shù)值用就是把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼二進(jìn)制代碼表示，即表示，即ADC的輸出。的輸出。u由于數(shù)字量位數(shù)有限，一個(gè)由于數(shù)字量位數(shù)有限，一個(gè)k位二進(jìn)制碼只能代表位二進(jìn)制碼只能代表2k個(gè)個(gè)數(shù)值，則只能數(shù)值，則只能接近接近某個(gè)量化電平值。某個(gè)量化電平值。u兩種量化方法：兩種量化方法：只舍不入法，有舍有入法。只舍不入法，有舍有入法。四、量化與編碼

16、四、量化與編碼數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表24四、量化與編碼四、量化與編碼只舍不入只舍不入有舍有入有舍有入0s UA1s時(shí)，時(shí)，UA量化值取量化值取0s1s UA2s時(shí)，時(shí)，UA量化值取量化值取1s0sUA0.5s時(shí)，時(shí)，UA量化值取量化值取0s0.5s UA UA ， C=0，去碼。，去碼。然后，按同樣的方法然后，按同樣的方法將將次高位置成次高位置成1，并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這個(gè)，并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這個(gè)1是是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。再比較時(shí)保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。再比較時(shí)SAR溢出，溢出，EOC=1，說(shuō)明轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)，說(shuō)明轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)SAR中的狀態(tài)

17、就是所要求的數(shù)字量中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。輸出。（三）逐次逼近型（三）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程 四、逐次逼近型四、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器設(shè)設(shè)n=5數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表63例例2.2：一逐次逼近型：一逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，已知轉(zhuǎn)換器，已知UR=-1V,UA=0.85V,鎖存器輸出鎖存器輸出n=5位，求位，求D=d4d3d2d1d0=? 四、逐次逼近型四、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D=d4d3d2d1d0=11011 數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表64例例1、一個(gè)一個(gè)8位逐次比較型位逐次比較型ADC，設(shè)，設(shè)VREF=-10V，如輸入的模擬電壓為如輸入的模擬電壓為vI=8.5

18、6V，試說(shuō)明轉(zhuǎn)換過(guò)程，試說(shuō)明轉(zhuǎn)換過(guò)程并計(jì)算出轉(zhuǎn)換結(jié)果。并計(jì)算出轉(zhuǎn)換結(jié)果。CPd7d6d5d4d3d2d1d0vO比較結(jié)果比較結(jié)果處處 理理1234100000001100000011100000110100005V7.5V8.75V8.125VvIvOvI vO(d7) 1保留(d6) 1保留(d5) 1不保留(d4) 1保留vIvOvIvO(d3) 1保留(d2) 1不保留(d1) 1保留(d0) 1保留vIvO轉(zhuǎn)換結(jié)果為轉(zhuǎn)換結(jié)果為11011011數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表65（一）基本原理（一）基本原理 先將輸入先將輸入模擬電壓模擬電壓通過(guò)通過(guò)兩次積分兩次積分轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)換為與其平均值成正比的其平均值

19、成正比的時(shí)間間隔時(shí)間間隔，然后用固定時(shí)鐘，然后用固定時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器，測(cè)量這一時(shí)間間隔，再把時(shí)間脈沖和計(jì)數(shù)器，測(cè)量這一時(shí)間間隔，再把時(shí)間間隔變換成數(shù)字量。間隔變換成數(shù)字量。五、雙積分型五、雙積分型AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表66計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器0Q0FF1Q1FF1nQ1nFFnQnFFCPDRCUBUDURCiUREFU1nD1D0D 1、積分器：、積分器：由運(yùn)放和由運(yùn)放和RC積積分網(wǎng)絡(luò)組成。輸入端接開(kāi)關(guān)分網(wǎng)絡(luò)組成。輸入端接開(kāi)關(guān)S, 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S受觸發(fā)器受觸發(fā)器Qn控制。控制。S0nQ1nQ 積分器積分器進(jìn)行兩次反相積分，積分的結(jié)果進(jìn)行兩次反相積分，積分的結(jié)果UB送入送入過(guò)零比較器過(guò)零比較器。

20、RUdtURCUtiB01（二二）結(jié)構(gòu)框圖）結(jié)構(gòu)框圖積分器積分器定時(shí)觸發(fā)器定時(shí)觸發(fā)器過(guò)零比較器過(guò)零比較器UA數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表670Q0FF1Q1FF1nQ1nFFnQnFF+-+-+&CPDRCUBUDURCiUREFU1nD1D0D2、 過(guò)零比較器過(guò)零比較器當(dāng)積分器輸出當(dāng)積分器輸出 UB0時(shí)，時(shí)， UC=0封鎖與門，封鎖與門，CP 不能加給計(jì)數(shù)器。不能加給計(jì)數(shù)器。當(dāng)積分器輸出當(dāng)積分器輸出 UB0時(shí)，時(shí)，UC=1與門開(kāi)放，與門開(kāi)放，CP加到計(jì)數(shù)器，計(jì)加到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。3、 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器4、 定時(shí)器定時(shí)器FF0FFn-1為為N=2n典型異步加典型異步加法計(jì)數(shù)器。法

21、計(jì)數(shù)器。CP接前級(jí)輸出。接前級(jí)輸出。FFn為定時(shí)觸發(fā)器。為定時(shí)觸發(fā)器。UASRU0=00=1過(guò)零比較器過(guò)零比較器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器定時(shí)觸發(fā)器定時(shí)觸發(fā)器數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表68 在清零信號(hào)在清零信號(hào)/RD的作用的作用下，所有觸發(fā)器置下，所有觸發(fā)器置0,Qn=0,開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S接輸入接輸入U(xiǎn)i,積分器對(duì)積分器對(duì)輸入輸入進(jìn)行積分。進(jìn)行積分。n位計(jì)數(shù)器位計(jì)數(shù)器開(kāi)始開(kāi)始計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)。 當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到2n+1個(gè)個(gè)脈沖脈沖Qn由由01、控制開(kāi)關(guān)、控制開(kāi)關(guān)S接接UR，積分器對(duì)，積分器對(duì)基準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓電壓進(jìn)行二次積分。計(jì)數(shù)進(jìn)行二次積分。計(jì)數(shù)器又從器又從0開(kāi)始開(kāi)始計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)。 n級(jí)計(jì)數(shù)器級(jí)計(jì)數(shù)器定時(shí)器定時(shí)器S接接UiS接接U

22、REF= -UR（三三）工作過(guò)程）工作過(guò)程數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表69采樣階段采樣階段1、采樣階段：、采樣階段：在啟動(dòng)脈沖的作用下，全部觸發(fā)在啟動(dòng)脈沖的作用下，全部觸發(fā)器置器置0，由于，由于Qn=0, 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S接接Ui，積，積分器對(duì)分器對(duì)Ui進(jìn)行積分，積分輸出為：進(jìn)行積分，積分輸出為：dtURCUtiB01由于由于UB0，零值比較器輸出，零值比較器輸出UC=1,CP通過(guò)與門加到計(jì)數(shù)器，通過(guò)與門加到計(jì)數(shù)器，n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器從位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，開(kāi)始計(jì)數(shù)，一直計(jì)到一直計(jì)到2n個(gè)脈沖后：個(gè)脈沖后：CPnTtt21TCP:標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘周期標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘周期dtURCti0112nCPtTn位計(jì)數(shù)器又全部返回到

23、位計(jì)數(shù)器又全部返回到0，定時(shí)觸，定時(shí)觸發(fā)器發(fā)器Qn由由01，使開(kāi)關(guān)，使開(kāi)關(guān)S接基準(zhǔn)電壓接基準(zhǔn)電壓UREF，UREF=-UR，采樣結(jié)束。，采樣結(jié)束。采樣結(jié)束采樣結(jié)束 t1 時(shí)的積分電壓為：時(shí)的積分電壓為：iCPnitiBOURCTURCtdtURCU21101iCPnURCT2采樣結(jié)束時(shí)：積分器輸采樣結(jié)束時(shí)：積分器輸出電壓出電壓UB和輸入模擬電和輸入模擬電壓壓Ui成成正比正比關(guān)系。關(guān)系。Ui-URtnQtAUtBUCUtDUt01數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表702、比較階段：、比較階段：iCPnURCT2dtURCti01由于采樣結(jié)束時(shí)：由于采樣結(jié)束時(shí)：Qn=1，開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)S接接UR，積分器對(duì)，積分器對(duì)-U

24、R進(jìn)行積分。（積進(jìn)行積分。（積分器負(fù)向積分）積分電壓為：分器負(fù)向積分）積分電壓為：dtURCUUttRBOB1112ttRCUURCTRiCPn22tRCUURCTRiCPn當(dāng)當(dāng)UB積分電壓逐步上升至：積分電壓逐步上升至：UB0，過(guò)零比較器，過(guò)零比較器UC=0，與門封鎖，與門封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。假設(shè)二次積分時(shí)，計(jì)數(shù)器記錄假設(shè)二次積分時(shí)，計(jì)數(shù)器記錄了了 N 1個(gè)脈沖：個(gè)脈沖：CPTNt12二次積分結(jié)束時(shí)，二次積分結(jié)束時(shí)，UB=0,代入代入(1) ：021CPRiCPnBTNRCUURCTUNUUUUNREFinRi21可見(jiàn)可見(jiàn) N1個(gè)脈沖和個(gè)脈沖和Ui成成正比正比，N1所對(duì)應(yīng)的

25、所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼即為數(shù)字量輸出，這樣通過(guò)二二進(jìn)制碼即為數(shù)字量輸出，這樣通過(guò)二次積分實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的次積分實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。比較階段比較階段采樣階段采樣階段nQAUBUCUDUtttttUi-UR12nCPtT2tBOU0(1)CPTN1數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表71例例1、 某雙積分某雙積分A/D轉(zhuǎn)換器中計(jì)數(shù)器由四片十進(jìn)制集成計(jì)轉(zhuǎn)換器中計(jì)數(shù)器由四片十進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器組成，它的最大計(jì)數(shù)容量數(shù)器組成，它的最大計(jì)數(shù)容量D=(5000)10。計(jì)數(shù)脈沖的。計(jì)數(shù)脈沖的頻率頻率fcp=25KHz，積分器，積分器R=100K,C=1F,輸入電壓輸入電壓范圍范圍VI=05V。試求：。試求：1、第一次積分

26、時(shí)間、第一次積分時(shí)間T1；2、積分器的最大輸出、積分器的最大輸出|V|VOMAXOMAX| |；3、當(dāng)、當(dāng)VREF=| |10| |V，若計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，若計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值 M=(1740)10時(shí)，表示輸入電壓時(shí)，表示輸入電壓VI為多大？為多大？數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表721、第一次積分時(shí)間、第一次積分時(shí)間T1；CPnTT21其中其中2n表示計(jì)數(shù)器計(jì)滿值的情況，表示計(jì)數(shù)器計(jì)滿值的情況，即最大計(jì)數(shù)容量即最大計(jì)數(shù)容量D=(5000)10SKHzfTCPCP402511表示表示1個(gè)脈沖周期個(gè)脈沖周期第一次積分共計(jì)了第一次積分共計(jì)了2n=5000個(gè)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)計(jì)數(shù)脈沖所以：所以：SXXT2 . 010405000

27、61數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表732、積分器的最大輸出、積分器的最大輸出|V|VOMAXOMAX| |； 積分器最大輸出電壓積分器最大輸出電壓VBO值時(shí)當(dāng)計(jì)數(shù)為值時(shí)當(dāng)計(jì)數(shù)為5000時(shí)，時(shí)，輸入為輸入為5V時(shí)，積分器的輸出值。時(shí)，積分器的輸出值。BOMAXV| |ICPnVRCT2| |VXXXX105101101002 . 0633、當(dāng)、當(dāng)VREF=| |10| |V，若計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，若計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值 M=(1740)10時(shí)，表示輸入電壓時(shí)，表示輸入電壓VI為多大？為多大？IREFnVVM2VXMVVnREFI48. 350001017402數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表74例例2、雙積分雙積分ADC的的VREF=

28、-10V，計(jì)數(shù)器為，計(jì)數(shù)器為12位位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。已知時(shí)鐘頻率二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。已知時(shí)鐘頻率fcp=1MHz。(1)該該ADC允許輸入的最大模擬電壓是多少？完成一次允許輸入的最大模擬電壓是多少？完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間是多少？轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間是多少？(2)當(dāng)當(dāng)vI=6V時(shí)，求輸出的數(shù)字量。時(shí)，求輸出的數(shù)字量。(3)已知輸出的數(shù)字量為已知輸出的數(shù)字量為 (4FF)H，求對(duì)應(yīng)的輸入電壓，求對(duì)應(yīng)的輸入電壓vI。數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表75實(shí)際的雙積分型實(shí)際的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，可以根據(jù)輸入電壓轉(zhuǎn)換器，可以根據(jù)輸入電壓ui的的極性，自動(dòng)改變參考電壓極性，自動(dòng)改變參考電壓UREF的極性。的極性。B數(shù)顯儀表

29、數(shù)顯儀表76雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了積分非線無(wú)關(guān)，從而消除了積分非線 性帶來(lái)的誤差。性帶來(lái)的誤差。2.由于雙積分由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值， 因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。 3. 只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表77并行輸出代碼并行輸出代碼啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)脈沖ABCDE）（基準(zhǔn)IV1, 0BAVV在啟動(dòng)脈沖地作用下，線性良好在啟動(dòng)脈沖地作用下，線性

30、良好地鋸齒波同時(shí)加到兩個(gè)比較器輸入地鋸齒波同時(shí)加到兩個(gè)比較器輸入端，和輸入電壓端，和輸入電壓VI I及及0電位比較。電位比較。比較的結(jié)果比較的結(jié)果B、C兩輸出決定門電兩輸出決定門電路開(kāi)放還是禁止。路開(kāi)放還是禁止。門開(kāi)放：脈沖源地脈沖加到計(jì)數(shù)器輸入端，計(jì)數(shù)器開(kāi)始門開(kāi)放：脈沖源地脈沖加到計(jì)數(shù)器輸入端，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，輸出為并行二進(jìn)制代碼。計(jì)數(shù)，輸出為并行二進(jìn)制代碼。門禁止：脈沖源的脈沖不能通門禁止：脈沖源的脈沖不能通過(guò)門電路，計(jì)數(shù)器無(wú)計(jì)數(shù)脈沖而過(guò)門電路，計(jì)數(shù)器無(wú)計(jì)數(shù)脈沖而停止計(jì)數(shù)。停止計(jì)數(shù)。VAVI,VC=1計(jì)數(shù)器在單位時(shí)間計(jì)數(shù)器在單位時(shí)間T T內(nèi)輸出的狀內(nèi)輸出的狀態(tài)為記錄態(tài)為記錄M M個(gè)計(jì)數(shù)脈沖

31、的二進(jìn)制碼，個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的二進(jìn)制碼，就是輸入就是輸入V VI I的數(shù)字量代碼。的數(shù)字量代碼。即把即把V VI ITDTDVI:采樣保持信號(hào)采樣保持信號(hào)數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表78A啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)脈沖BCDE）（基準(zhǔn)IV當(dāng)：當(dāng)：VA0,V0,VB B=0=0當(dāng)：當(dāng)：VA0,V0,VB B=1=1VAVVI I,V,VC C=0=0當(dāng)：當(dāng)：VA0,V0,VB B=0=0假設(shè)：鋸齒波斜率為假設(shè)：鋸齒波斜率為K=VI I/ tWITKVCPWMTT并行輸出代碼并行輸出代碼V VA AVVI I,V,VC C=1=1與門禁止與門禁止V VE E=0=0，計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)。V VA AVVI I,V,VC

32、C=1=1與門開(kāi)放與門開(kāi)放V VE E=CP=CP，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)：當(dāng)：V VA A0,V0,VB B=1=1與門禁止與門禁止V VE E=0=0，計(jì)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。數(shù)器停止計(jì)數(shù)。V VA AVVI I,V,VC C=1=1與門禁止與門禁止V VE E=0=0，計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)。CPIKTVM 可見(jiàn)：計(jì)數(shù)脈沖的數(shù)目可見(jiàn)：計(jì)數(shù)脈沖的數(shù)目M與輸入與輸入信號(hào)信號(hào)VI成正比，計(jì)數(shù)器輸出的狀成正比，計(jì)數(shù)器輸出的狀態(tài)為記錄了態(tài)為記錄了M個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的二進(jìn)個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的二進(jìn)制碼。也是制碼。也是VI I的數(shù)字量代碼。的數(shù)字量代碼。VAVI,VC=11, 0BAVVIV1t2t0tttBVC

33、VDVEVAVWT計(jì)數(shù)器脈沖源頻率為計(jì)數(shù)器脈沖源頻率為FCP，周期為，周期為TCP數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表79ttRVIVCV002 2、計(jì)數(shù)斜坡式計(jì)數(shù)斜坡式A/D轉(zhuǎn)換器工作原理：轉(zhuǎn)換器工作原理：1 1、電路組成：、電路組成： 由由n n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、D/AD/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和電壓比較器三大部分組成。電壓比較器三大部分組成。 D/A轉(zhuǎn)換器接收二進(jìn)制計(jì)數(shù)器輸轉(zhuǎn)換器接收二進(jìn)制計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字信號(hào)，產(chǎn)生斜坡式（階梯波）出的數(shù)字信號(hào)，產(chǎn)生斜坡式（階梯波）的模擬參考電壓的模擬參考電壓VR，并與輸入模擬，并與輸入模擬信號(hào)信號(hào)VI I進(jìn)行比較進(jìn)行比較； 當(dāng)當(dāng)VRVI I時(shí)，時(shí)，VC=1,與門開(kāi)放

34、，與門開(kāi)放，CP脈沖加到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。脈沖加到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 當(dāng)當(dāng)VRVI I時(shí)，時(shí)，VC=0,與門關(guān)閉與門關(guān)閉CP脈沖不能加到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器停止計(jì)脈沖不能加到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。數(shù)。 此時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出即為輸入信號(hào)此時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出即為輸入信號(hào)VI I的數(shù)字量代碼。的數(shù)字量代碼。 這種這種A/DA/D轉(zhuǎn)換器的精度取決于比較器轉(zhuǎn)換器的精度取決于比較器和和D/AD/A的性能。是直接轉(zhuǎn)換方式最簡(jiǎn)單的的性能。是直接轉(zhuǎn)換方式最簡(jiǎn)單的一種電路。也是轉(zhuǎn)換速度最慢的一種。一種電路。也是轉(zhuǎn)換速度最慢的一種。N N位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器&D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器+ +- -+ +模擬輸

35、入模擬輸入V VI IRVCVCP啟動(dòng)脈沖清零并行輸出并行輸出計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)休止休止數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表80八、八、/轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)性能指標(biāo) 1. 分辨率分辨率 分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)的分辨能力。從理論上講，一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個(gè)不同量級(jí)，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為 （滿量程輸入的1/2n）。 例如，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為 12 位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號(hào)為 10V，則其分辨率為 FSRn21分辨率= mVVV44.2096410101221數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表812. 2. 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/DA

36、/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)開(kāi)始，到輸轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)開(kāi)始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。 A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型類型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢最慢，需，需幾百毫秒幾百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快較快，需，需幾十微秒幾十微秒；并行比較型并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快最快，僅需，僅需幾十納秒幾十納秒時(shí)間。時(shí)間。 數(shù)顯儀表數(shù)顯儀表823.精度精度絕對(duì)精度：絕對(duì)精度： 指對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定的數(shù)字輸出，實(shí)際模擬量輸入和理指對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定的數(shù)字輸出，實(shí)際模擬量輸入和理論模擬量輸入值之差。通常用最低有效位表示。論模擬量輸入值之差。通常用最低有效位表示。相對(duì)精度：相對(duì)精度： 定義在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)任意數(shù)字輸出所對(duì)應(yīng)的模擬量定義在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)任意數(shù)字輸出所對(duì)應(yīng)的模擬量實(shí)際輸入值和理論值之差的實(shí)際輸入值和理論值之差的最大值最大值與與轉(zhuǎn)換范圍轉(zhuǎn)換范圍的比值。可的比值。可用全刻度范圍