计算机控制系统中模数(A/D)转换

    1．主要技术指标

   (1)分辨率(Resolution)。主要决定于二进制的位数，即1/2i。

   (2)精度(Accuracy)。实际值与期望输出值之差。通常用偏差值与满量程输出的百分比表示。

   (3)线性度(Linearity)。偏离理想转换特性的最大偏差与满量程输出的百分比表示。一般要求不大于1/2LSB。

   (4)转换时间。由模拟量转换成数字量所需要的时间，它决定了可能使用的最小采样周期。

    2．方案选择

    从上述的技术指标中已经可以看出对A/D转换方案的要求。不过在工业实践中，还应该特别注意以下几点：电气隔离能力、抗干扰能力和环境适应能力。这些有可能成为能否安全、稳定工作的前提。

   (1)逐次逼近法。适用于较低输入带宽和采样速率。因为其成本低、性能中等而被广泛使用。这种方法就像我们用天平称重的过程，如图2-4所示。

    图2-4    逐次逼近法框图

   (2)计数器法。就是对脉冲进行计数。经常见到将模拟信号经U/f转换器变成频率信号，送入计数器变成数字信号；使用M法、T法或M/T法的测速装置；旋转编码器的计数等都基于这一原理。它原理简单，抗干扰能力强，精度也可以很高。特别应该提到的是比较容易完成电位隔离（外部电路与计算机系统之间）。所以在PLC-GOT系统中，经常可以见到。特别是对采样速度要求不太高的场合。

   (3)双积分法。如图2-5、图2-6所示。又被称为双斜率或多斜率数据转换器。应用广泛，它能通过一个校准周期，自动消除系统偏差。但速度和带宽都很低。不过它能抑制高频噪声和工频干扰，适合于工业环境的仪表。直接用于工控系统输入通道的情况不多。

   (4)并行ADC法。使用大量的(2N-1个)并联比较器和等量的参考电压（彼此相差VFS/2N，其中VFS为满刻度量程），对输入电压同时进行比较，再经过一个解码逻辑单元组合产生N位并行输出。这种方法转换速度最快。但是电路复杂、精度低、体积大且价格高。

    图2-5    双积分法框图

    图2-6    双积分法中的积分输出

   (5)∑-△法。又被称为过采样转换器。

    它由非常简单的模拟电路，即∑-△调制器，及其后面的复杂数字信号处理电路（滤波器、噪声整形、采样抽取）构成。

    ∑-△调制器的结构近似于双斜率的ADC。一个积分器和比较器，以及含有一位DAC的反馈环，另加一个时钟单元，如图2-7所示。图2-8和图2-9中分别画出了电路中关键点的波形。信号送入调制器后，被以非常低的分辨率(1位)进行量化，但采样频率(如2MHz)却非常高。再经过数字滤波之后，过采样被降低到一个比较低的采样率(8kHz)。同时分辨率（即动态范围）提高到16位以上。

    图2-7    ∑△调制器核心电路

    图2-8    核心电路波形之一

    图2-9    核心电路波形之二

    比较器输出的脉冲序列占空比，包含着代表模拟输入的数据。利用一个数字滤波器可以把它转换成并行的二进制数据。

    过采样( Over-sampling)。使用比信号频率高得多的采样频率进行采样，由此而得到的数字输出是变化的。用这些结果的平均值表示ADC的转换结果，可以得到高得多的分辨率。

    由于采样频率提高K倍，则量化噪声有效值将降到原来的1/√K，即为q/√12K。

   (6)“流水线”A/D转换器，又称为子区式转换器。

    要进行N位的转换，首先进行较粗糙的M位A/D转换，接着由一个至少N位精度的DAC将转换的结回送到2M个模拟电平的某一个“与”输入端（就是得到其余差），最后，由一个较“细”的K位并行式转换器进行转换，并将两级（或更多）输出组合起来。

    每一级具有各自独立的采样/保持器，因此允许各级间同时对多个采样进行处理，功耗低、性能好、价格低。但是要注意流水线延迟。

    3．数模转换器的选用

    对于一般的控制系统，市场上提供的标准配置，无论是速度、精度还是分辨率等，已完全可以满足要求。特别是PI_C系统，各厂家具有配套的单元可供用户选择。读者已无需深入了解其模数转换原理。除非有特殊要求，常见的模数转换模块有8、10、12和14位。

    4．ADC的发展趋势

   (1)由并行输出变为串行输出控制信号和数据。因此常用二线制或三线制。

   (2)与微处理器结合成一个整体。

   (3)与前级放大器、滤波器、模拟开关等结合在一起。

   (4)发展成为现场总线产品。