将模拟信号转为数字信号的方法

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：如图5-25所示，这是作为连接微型计算机和机械设备的第3种技术，它是一种把连续变化的电压和电流等模拟信号转换为“1”和“0”的离散数字信号的技术。以计数器计量这些脉冲数，并将它们转换为数字信号的A/D转换器就是二重积分式A/D转换器。A/D转换器收到转换指令后，会将从传感器发出的模拟信号转换为数字信号，并把该信号传送给微型计算机。

如图5-25所示，这是作为连接微型计算机和机械设备的第3种技术，它是一种把连续变化的电压和电流等模拟信号转换为“1”和“0”的离散数字信号的技术。我们把将模拟信号转换为数字信号的元件叫作A/D转换器。A/D转换器根据其转换方式主要可以分为3种，如表5-2所示。关于A/D转换器的详细内容请参考专门的书籍。在此，将就其要点作一下简单介绍。A/D转换器的电路是由好几种电路构成的，其电路本身非常复杂。因此，与其自己制作A/D转换器，还不如灵活利用市面上所销售的A/D转换器。当学习A/D转换器的相关知识时，最好事先掌握A/D转换器特有的专门用语。

pagenumber_ebook=180,pagenumber_book=175

图5-25　把模拟信号转换为数字信号

表5-2　A/D转换器的主要方式

pagenumber_ebook=180,pagenumber_book=175

1.跟踪比较式

如图5-26所示，跟踪比较式A/D转换器主要由比较器、计数器、D/A转换器、供应基准电压的电源以及产生时钟脉冲的时钟脉冲发生器构成。把开始信号传送给升降值计数器，计数器就会被复位，作为升值计数器以时钟脉冲为基准开始动作。从计数器中被传送出来的脉冲将会通过A/D转换器被转换为模拟电压，接着比较器将会把和输入模拟电压VB进行比较。当VA＞VB时，计数器将持续作为升值计数器进行工作，根据时钟脉冲提高输入模拟电压VB，如图5-26（b）所示。

pagenumber_ebook=181,pagenumber_book=176

图5-26　跟踪比较式A/D转换器

如果VA＜VB，根据计数器内部的反极性信号，升值计数器将切换成降值计数器。如果VA=VB，计数器就会反复地升值、降值，输出与输入电压VA相对应的数字输出信号。像这样跟踪连续的模拟输入电压，就可以得到数字输出电压。因为其电路结构比较简单，所以具有价格便宜的优点。但是，它不能跟踪急剧变化的输入电压，并且具有转换速度慢等缺点。

2.逐次比较式

逐次比较式的电路结构与跟踪比较式的A/D转换器大致相同。不过，如图5-27所示，用逐次比较寄存器代替了计数器。当在二进制4位数时，逐次比较寄存器由4个FF构成。并且，控制电路由单稳态触发器形成的脉冲延迟电路和AND电路组成。其工作原理如下：从满刻度“0”产生的电压为15V，输出电压为9V。通过脉冲延迟电路产生的第1个脉冲，“1”将被置于FF1。由此，与10002相对应的输出电压Vb=1×23+0将被输出到D/A转换器，然后，经此被传送给比较器。比较器将把模拟输入电压和输出电压Vb进行比较。如果Va＞Vb，就把最上位的位数（MSB）置位在“1”上，把接下来的下位位数置位在“1”上。因为Va（=9V）＞Vb（=8V），所以会把FF2置位。FF2一被置位，yB=1×23+1×22+0×21+0×2°=12（V）。将被传给比较器。因为VA（=9V）＜VB（=12V），所以FF2在此将被复位。FF2一被复位，FF3就会被置位。此时，FR一直保持着置位状态，所以Vb=1×23+0×22+1×21+0×2°=10（V）。因为VA（=9V）＜VB（=10V），所以FF3将再次被复位。FF3一被复位，FF4就会被置位。此时，因为FF1保持着置位状态，所以VB=。因为VA（=9V）=VB（=9V），所以FF4将被置位。这样，取出被置位的和被复位的FF的各输出入电压，就可以得到10012这一数字信号。

pagenumber_ebook=182,pagenumber_book=177

图5-27　逐次比较式A/D转换器

3.二重积分式

作为积分方式的代表，让我们来看一下二重积分式A/D转换器。输入电压一变大，不仅打开门的时间会变长，而且在此时间内产生的时钟脉冲数也会增加。以计数器计量这些脉冲数，并将它们转换为数字信号的A/D转换器就是二重积分式A/D转换器。其工作原理如图5-28所示。输入电压VA通过积分器被积分，输出按直线变化。时钟脉冲被传送到分频器，经过一定时间后，脉冲S1从分频器被传送到FF1。因为脉冲S1的作用，门电路的门被打开，计数器将会计算通过门的时钟脉冲数。此时，因为FF1的输出信号，开关将变为基准电压端。在这里，积分器的输出电压将逐渐减少直至变为零，这段时间为T2。当积分输出电压一变为0V，输出信号将从比较器被传送到FF1，门将会关闭。因为此处积分时间一定，所以当输入电压较大时，其积分输出电压也会增大。因此，从开关变为基准电压端后到积分器的输出电压变为零的时间会变长，即计数器计量的脉冲数将会与输入电压成比例地增多。

pagenumber_ebook=183,pagenumber_book=178

图5-28　二重积分式A/D转换器

4.并行式

最后，让我们来看一下并行式A/D转换器。当把信号变换速度非常快的模拟输入信号转换为数字信号时，如果运用把每一位从最上位开始顺次进行比较的逐次比较式，根本就不能对应其信号的变化速度。这时，并行式A/D转换器将发挥其作用。如图5-29所示，可以通过串联梯形式电阻器把一个输入信号转换为多个（2n个）输入信号。如果像这样同时并列处理多个输入信号，处理1个信号的时间将会非常短，从而可以进行高速处理。

pagenumber_ebook=183,pagenumber_book=178

图5-29　并行式A/D转换器

pagenumber_ebook=183,pagenumber_book=178

图5-30　通过A/D转换器进行信号转换

现在，让我们来总结一下A/D转换器的相关知识。当把微型计算机与机械设备连接时，要使用什么样的A/D转换器呢？如图5-30所示，当把从检测机械各种状态（例如振动和温度等）的传感器发出的模拟信号传送给微型计算机等控制系统时，将其转换为微型计算机能够识别的数字信号的元件就是A/D转换器。从概念上来看，A/D转换器与D/A转换器应该具有相反的功能。但是A/D转换器和D/A转换器却有不同之处，如图5-30所示。当把从传感器发出的模拟信号转换为数字信号时，首先需要从微型计算机向A/D转换器发出“转换”（转换指令）之类的转换开始信号。A/D转换器收到转换指令后，会将从传感器发出的模拟信号转换为数字信号，并把该信号传送给微型计算机。A/D转换程序一旦完成，转换完成信号将从传感器发送给微型计算机。这样，A/D转换器就成功地把模拟信号转换为数字信号了。因为必须按照这样的步骤进行转换，所以A/D转换器在进行信号转换时需要花费一定的时间。

将模拟信号转为数字信号的方法

相关推荐