AD轉(zhuǎn)換(通道、性能指標(biāo)、類型、接口)

1、姓 名時(shí) 間陳文柱2014年10月22日A/D轉(zhuǎn)換第三講0概述 隨著隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測(cè)等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，現(xiàn)代控制、通信及檢測(cè)等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），對(duì)象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別、處理這些信號(hào)，必須首先將要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別、處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成這

2、些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這樣數(shù)字信號(hào)。這樣，就需要一種能在模擬，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起之間起橋梁作用的橋梁作用的電路電路A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。微微 機(jī)機(jī)傳感器傳感器A/DD/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)物理過程物理過程v / iv / iDataData過程控制示意圖過程控制示意圖目錄1234模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)常用A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器的接口1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu) 模擬量輸入通道的任務(wù)模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對(duì)象的過程參是把被控對(duì)象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號(hào)數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等模擬量信號(hào)

3、轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號(hào)。轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號(hào)。 在某些物理過程中，往往有許多物理參數(shù)需要在某些物理過程中，往往有許多物理參數(shù)需要測(cè)量和控制，這些物理參數(shù)少則幾點(diǎn)、十幾個(gè)點(diǎn)，測(cè)量和控制，這些物理參數(shù)少則幾點(diǎn)、十幾個(gè)點(diǎn)，多則幾十個(gè)點(diǎn)，甚至于上百個(gè)點(diǎn)。如果不采用有效多則幾十個(gè)點(diǎn)，甚至于上百個(gè)點(diǎn)。如果不采用有效的方案來檢測(cè)這些參數(shù)，所需的設(shè)備量就會(huì)很龐大，的方案來檢測(cè)這些參數(shù)，所需的設(shè)備量就會(huì)很龐大，不僅耗資同時(shí)使系統(tǒng)可靠性下降。不僅耗資同時(shí)使系統(tǒng)可靠性下降。 1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)傳感變送器信號(hào)調(diào)理多路模擬開關(guān)前置放大器采樣保持器轉(zhuǎn)換器接口邏輯電路過程參數(shù)PC總線圖 3-1 模

4、 擬 量 輸 入 通 道 的 結(jié) 構(gòu) 組 成A/D 顯然，該通道的核心是模顯然，該通道的核心是模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器即數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/DA/D轉(zhuǎn)換器，通常轉(zhuǎn)換器，通常把模擬量輸入通道稱為把模擬量輸入通道稱為A/DA/D通道。通道。1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)1.1 信號(hào)調(diào)理電路 很多很多變送器的輸出信號(hào)為變送器的輸出信號(hào)為0 010mA10mA或或4 420mA20mA，由于，由于A/DA/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)只能是電壓信號(hào)，所以如果模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)只能是電壓信號(hào)，所以如果模擬信號(hào)是電流時(shí)，必須先把電流變成電壓才能進(jìn)行是電流時(shí)，必須先把電流變成電壓才能進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換。這樣轉(zhuǎn)換。這樣就需要就需要I

5、/VI/V變換電路。下面討論一下變換電路。下面討論一下I/VI/V變換的實(shí)現(xiàn)變換的實(shí)現(xiàn)方法。方法。（1 1）無源）無源I/VI/V變換變換（2 2）有源）有源I/VI/V變換變換 1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)1.1 信號(hào)調(diào)理電路 （1 1）無源）無源I/VI/V變換變換 無源無源I/VI/V變換主要是利用無源變換主要是利用無源器件電阻來實(shí)現(xiàn)，并加濾波和輸器件電阻來實(shí)現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護(hù)措施。出限幅等保護(hù)措施。對(duì)于對(duì)于0 010mA10mA輸入信號(hào)，可取輸入信號(hào)，可取R1=100R1=100，R2=500R2=500，且且R2R2為精密電阻，這為精密電阻，這樣當(dāng)樣當(dāng)I I為為0 010mA10

6、mA電流時(shí)，輸出的電流時(shí)，輸出的V V為為0 05V5V；對(duì)于；對(duì)于4 420mA20mA輸入信號(hào)，輸入信號(hào)，可取可取R1=100R1=100，R2=250R2=250，且且R2R2為精密電阻，這樣當(dāng)輸入的電流為精密電阻，這樣當(dāng)輸入的電流為為4 420mA20mA時(shí)，輸出的時(shí)，輸出的V V為為1 15V5V。 1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)1.1 信號(hào)調(diào)理電路 （2 2）有源）有源I/VI/V變換變換 有源有源I/VI/V變換是利用有源器變換是利用有源器件件運(yùn)算放大器和電阻電容運(yùn)算放大器和電阻電容組組成。成。利用同相放大電路，把電阻利用同相放大電路，把電阻R1R1上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電上的輸入電壓

7、變成標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為：為： 3411RRIRVG1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)1.1 信號(hào)調(diào)理電路 （2 2）有源）有源I/VI/V變換變換 若若取取R1=200R1=200，R3=100kR3=100k，R4=150kR4=150k，則輸入電流，則輸入電流 I I 的的0 0 10 mA10 mA就對(duì)應(yīng)電壓輸出就對(duì)應(yīng)電壓輸出V V的的0 0 5 V5 V；若??；若取R1=200R1=200，R3=100kR3=100k，R4=25kR4=25k，則，則4 4 20 mA20 mA的輸入電流對(duì)應(yīng)于的輸入電流對(duì)應(yīng)于1 1 5 5 V V的電壓輸出源。的

8、電壓輸出源。 1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)1.2 多路模擬開關(guān) 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測(cè)參數(shù)的變化，因此一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個(gè)檢測(cè)回路使用，但計(jì)算機(jī)在某一時(shí)刻只能接收一個(gè)回路的信號(hào)。所以，必須通過多路模擬開關(guān)實(shí)只能接收一個(gè)回路的信號(hào)。所以，必須通過多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)多現(xiàn)多選一的選一的操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)操作，將多路輸入信號(hào)依次地切換到后級(jí)。 下面下面以常用以常用的的CD4051CD4051為例為例，介紹，介紹8 8路模擬開關(guān)的路模擬開關(guān)的結(jié)構(gòu)原結(jié)構(gòu)原理。理。 1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)

9、1.2 多路模擬開關(guān)圖2 -3 CD4051結(jié)構(gòu)原理圖0S2S3S4S5S6S7S1S動(dòng)動(dòng)驅(qū)驅(qū)碼碼譯譯換換轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)平平電電ABCINHmS CD4051CD4051結(jié)構(gòu)原理圖結(jié)構(gòu)原理圖 1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)1.3 前置放大器 前置放大器前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如的量程范圍之內(nèi)，如0-5V DC0-5V DC（Direct Direct currentcurrent）。）。 對(duì)對(duì)單純的微弱信號(hào)，可用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行單端同相單純的微弱信號(hào)，可用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行單端同相放大或單端反相放大放大或單端反相放大。 1模擬量

10、輸入通道的結(jié)構(gòu)1.3 前置放大器 信號(hào)信號(hào)源的一端若接放大器的正端為同相放大，同相放大源的一端若接放大器的正端為同相放大，同相放大電路的放大倍數(shù)電路的放大倍數(shù)G=1+R2/R1G=1+R2/R1；若若信號(hào)源的一端接放大器的負(fù)信號(hào)源的一端接放大器的負(fù)端為反相放大，端為反相放大，反相放大反相放大電路的放大倍數(shù)電路的放大倍數(shù)G G =-R2/R1=-R2/R1。VIVO1R2R圖 2-5 放大電路VIVO1R2R(a)同相放大UsUs(b)反相放大1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)1.3 前置放大器 在在實(shí)際工程中實(shí)際工程中, ,來自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)往往帶有較來自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)往往帶有較大的共模干擾，

11、因此，大的共模干擾，因此，A/DA/D通道中的前置放大器常采用由一通道中的前置放大器常采用由一組運(yùn)放構(gòu)成的測(cè)量放大器，也稱儀表放大器。組運(yùn)放構(gòu)成的測(cè)量放大器，也稱儀表放大器。 在在A/DA/D轉(zhuǎn)換通道中，多路被測(cè)信號(hào)常常共用一個(gè)測(cè)量放轉(zhuǎn)換通道中，多路被測(cè)信號(hào)常常共用一個(gè)測(cè)量放大器，而各路的輸入信號(hào)大小往往不同，但都要放大到大器，而各路的輸入信號(hào)大小往往不同，但都要放大到A/DA/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對(duì)應(yīng)于各路不同大小的輸入轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對(duì)應(yīng)于各路不同大小的輸入信號(hào)，測(cè)量放大器的增益也應(yīng)不同。具有這種性能的放大器信號(hào)，測(cè)量放大器的增益也應(yīng)不同。具有這種性能的放大器稱為可變

12、增益放大器或可編程放大器。稱為可變?cè)鲆娣糯笃骰蚩删幊谭糯笃鳌?1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)1.4 采樣保持器 當(dāng)當(dāng)某一通道進(jìn)行某一通道進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由于轉(zhuǎn)換時(shí)，由于A/D A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化較快，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。時(shí)間，如果輸入信號(hào)變化較快，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差。為了保證為了保證A/DA/D轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器轉(zhuǎn)換的精度，需要應(yīng)用采樣保持器。采樣保持電路有兩種工作方式，即采樣保持電路有兩種工作方式，即“采樣采樣”方式和方式和“保持保持”方式。在采樣方式中，電路的輸出跟蹤模擬輸入電方式。在采樣方式中，電路的輸出跟蹤模擬輸入電壓。一旦發(fā)

13、生保持命令，電路將保持采樣命令撤銷時(shí)刻的采壓。一旦發(fā)生保持命令，電路將保持采樣命令撤銷時(shí)刻的采樣值，直到保持命令撤銷并再次接到采樣命令為止。此時(shí)電樣值，直到保持命令撤銷并再次接到采樣命令為止。此時(shí)電路的輸出又重新跟蹤輸入模擬信號(hào)的變化。路的輸出又重新跟蹤輸入模擬信號(hào)的變化。 1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)1.4 采樣保持器 在實(shí)際系統(tǒng)中，采樣在實(shí)際系統(tǒng)中，采樣時(shí)間時(shí)間采樣周期，也就是采樣周期，也就是說，可以近似的認(rèn)為采樣說，可以近似的認(rèn)為采樣信號(hào)是在采樣開關(guān)閉合的信號(hào)是在采樣開關(guān)閉合的瞬時(shí)值。瞬時(shí)值。 1模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)1.4 采樣保持器 香香農(nóng)定理指出：為了使農(nóng)定理指出：為了使采樣信號(hào)能采樣信號(hào)

14、能完全復(fù)現(xiàn)原完全復(fù)現(xiàn)原信號(hào)，信號(hào)，采采樣頻率樣頻率f f至少至少要為原信號(hào)最高有效頻率要為原信號(hào)最高有效頻率fmaxfmax的的2 2倍，即倍，即f f 2fmax2fmax。由。由經(jīng)驗(yàn)可知，采樣頻率越高，經(jīng)驗(yàn)可知，采樣頻率越高，采樣信號(hào)越采樣信號(hào)越接近原信接近原信號(hào)號(hào)y y，但采樣頻率提高以后留給每次進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)間也相應(yīng)，但采樣頻率提高以后留給每次進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)間也相應(yīng)的縮短了，這就要求轉(zhuǎn)換電路必須具備更快的工作速度。因的縮短了，這就要求轉(zhuǎn)換電路必須具備更快的工作速度。因此，不能無限地提高取樣頻率，通常取此，不能無限地提高取樣頻率，通常取f=f=（5 51010）fmaxfmax。 2A/D轉(zhuǎn)

15、換器的性能指標(biāo)2.1 分辨率與量化誤差 分辨率反映了數(shù)字量在最低位上變化一位時(shí)輸出模擬量分辨率反映了數(shù)字量在最低位上變化一位時(shí)輸出模擬量的最小變化量的最小變化量。分辨率分辨率= =滿滿量程量程電壓電壓/ /2 2n n。分辨率反映。分辨率反映A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入的敏感程度，分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量微小換器對(duì)輸入的敏感程度，分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。一般用相對(duì)值表示，對(duì)于變化的反應(yīng)越靈敏。一般用相對(duì)值表示，對(duì)于8 8位位A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器來說，分辨率為最大輸出幅度的來說，分辨率為最大輸出幅度的0.39%0.39%，即為，即為1/2561/256，而對(duì)，而對(duì)10

16、10位位A/DA/D轉(zhuǎn)換器來說，分辨率可以提高到轉(zhuǎn)換器來說，分辨率可以提高到0.1%0.1%，即，即1/10241/1024。 當(dāng)當(dāng)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)確定后，分辨率也已經(jīng)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)確定后，分辨率也已經(jīng)確定，因此也可確定，因此也可以用以用位數(shù)位數(shù)n n來間接表示分辨率。來間接表示分辨率。2A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)2.1 分辨率與量化誤差 量化誤差則是由于量化誤差則是由于A/DA/D轉(zhuǎn)換器分辨率有限引起的誤差，轉(zhuǎn)換器分辨率有限引起的誤差，該量反映了該量反映了A/DA/D轉(zhuǎn)換器所能辨認(rèn)的最小輸入量，因而量化誤轉(zhuǎn)換器所能辨認(rèn)的最小輸入量，因而量化誤差與分辨率是統(tǒng)一的，提高分辨率可以減小量化誤差。差與分辨率是

17、統(tǒng)一的，提高分辨率可以減小量化誤差。2A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)2.2 量程 量程是指量程是指A AD D轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的電壓的電壓范圍范圍。 例如例如：0 05V5V，-5V-5V+5V+5V，0 010V10V，- -10V10V+10V+10V。 2A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)2.3 偏移誤差 偏移偏移誤差：輸入模擬量為誤差：輸入模擬量為0 0時(shí)，輸出數(shù)字量不為時(shí)，輸出數(shù)字量不為“0 0”轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器在其整個(gè)工作區(qū)間理想值與實(shí)際值之間的最大偏差。換器在其整個(gè)工作區(qū)間理想值與實(shí)際值之間的最大偏差。 一般來說，在一般來說，在一定溫度下一定溫度下，偏移，偏移電壓是電壓是可以通過在可

18、以通過在A/DA/D轉(zhuǎn)換器外部加一電位器作調(diào)節(jié)作用便可使偏移誤差調(diào)至最小。轉(zhuǎn)換器外部加一電位器作調(diào)節(jié)作用便可使偏移誤差調(diào)至最小。2A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)2.4 線性誤差 線性誤差又叫線性度，線性誤差又叫線性度，是在不包括量化誤差、偏移是在不包括量化誤差、偏移誤差的條件下，實(shí)際的輸出誤差的條件下，實(shí)際的輸出特性曲線偏離理想特性曲線特性曲線偏離理想特性曲線的最大偏移的最大偏移值值。 理想理想的轉(zhuǎn)換器特性應(yīng)該的轉(zhuǎn)換器特性應(yīng)該是線性的，即模擬量輸入與是線性的，即模擬量輸入與數(shù)字量輸出成線性關(guān)系。數(shù)字量輸出成線性關(guān)系。Ui001010011100101110111輸出數(shù)碼圖6.4 線性誤差線性誤差2A/

19、D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)2.5 精度 A/D A/D轉(zhuǎn)換器的精度可用絕對(duì)精度和相對(duì)精度來描述。絕轉(zhuǎn)換器的精度可用絕對(duì)精度和相對(duì)精度來描述。絕對(duì)精度是指轉(zhuǎn)換器在其整個(gè)工作區(qū)間理想值與實(shí)際值之間的對(duì)精度是指轉(zhuǎn)換器在其整個(gè)工作區(qū)間理想值與實(shí)際值之間的最大偏差，它包括量化誤差、偏移誤差和線性誤差等所有誤最大偏差，它包括量化誤差、偏移誤差和線性誤差等所有誤差。差。 相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差和滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差和滿刻度值之比，一般用百分?jǐn)?shù)（% %）表示。）表示。2A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)2.6 轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度即每秒鐘可以轉(zhuǎn)換的次數(shù)，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換速度即每秒鐘可以轉(zhuǎn)換的次數(shù)，其倒

20、數(shù)為轉(zhuǎn)換時(shí)間。 產(chǎn)品手冊(cè)一般會(huì)給出完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，一般產(chǎn)品手冊(cè)一般會(huì)給出完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，一般情況下，速度越高價(jià)格越貴，在應(yīng)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際需要和價(jià)情況下，速度越高價(jià)格越貴，在應(yīng)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際需要和價(jià)格來選擇器件格來選擇器件3常用A/D轉(zhuǎn)換器123-型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器4V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.1 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器 n n位輸出的位輸出的A/DA/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，完成一次

21、轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間為為n+2n+2個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期的時(shí)個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期的時(shí)間。因此它的轉(zhuǎn)換速度比計(jì)間。因此它的轉(zhuǎn)換速度比計(jì)數(shù)型數(shù)型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度高很多，在規(guī)模上比并聯(lián)比高很多，在規(guī)模上比并聯(lián)比較型小的多。因此逐次逼近較型小的多。因此逐次逼近型型A/DA/D是目前集成是目前集成A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中使用最多的一種電路。產(chǎn)品中使用最多的一種電路。3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.2 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 雙雙積分型積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器是轉(zhuǎn)換器是一種間接一種間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器，它首轉(zhuǎn)換器，它首先將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)先將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之

22、成正比的時(shí)間寬度換成與之成正比的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就正比于輸數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號(hào)。入模擬電壓的數(shù)字信號(hào)。3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.2 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.2 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.2 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.2 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 雙雙積分積分A/DA/D轉(zhuǎn)換器最突出的優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換器最突出的優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定，由于轉(zhuǎn)換過程中先后進(jìn)行了兩次積分，只要這兩次積分期間由于轉(zhuǎn)換過程中先后進(jìn)行了兩次積分，

23、只要這兩次積分期間R R、C C的參數(shù)相同，則轉(zhuǎn)換結(jié)果與的參數(shù)相同，則轉(zhuǎn)換結(jié)果與R R、C C的參數(shù)無關(guān)。的參數(shù)無關(guān)。 雙雙積分積分A/DA/D轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的輸入端使用了積分器，所以對(duì)平均值為零的各種噪轉(zhuǎn)換器的輸入端使用了積分器，所以對(duì)平均值為零的各種噪聲有很強(qiáng)的抑制能力。聲有很強(qiáng)的抑制能力。3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.2 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 雙雙積分積分A/DA/D轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是工作速度低，轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是工作速度低，轉(zhuǎn)換速度一般在每秒幾十次以內(nèi)。因此主要用在對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高一般在每秒幾十次以內(nèi)。因此主要用在對(duì)

24、轉(zhuǎn)換速度要求不高的場(chǎng)合（如數(shù)字式電壓表等）。的場(chǎng)合（如數(shù)字式電壓表等）。3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.3 -型A/D轉(zhuǎn)換器3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.3 -型A/D轉(zhuǎn)換器 若把若把作為量化單位，由于作為量化單位，由于增量值是不變的，所以可以增量值是不變的，所以可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)1bit1bit量化。當(dāng)階梯波上升，量化。當(dāng)階梯波上升， 編碼為編碼為“1 1”；階梯波下降，；階梯波下降， 編碼為編碼為“0 0”。此時(shí)階梯波就可以用。此時(shí)階梯波就可以用編碼序列來表示，即編碼序列來表示，即是增量調(diào)制。是增量調(diào)制。 由于采樣頻率遠(yuǎn)高于基于采樣定理的奈奎斯特采樣頻率，由于采樣頻率遠(yuǎn)高于基于采樣定理的奈奎斯特采樣頻率，所以稱之

25、為過采樣。所以稱之為過采樣。3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.3 -型A/D轉(zhuǎn)換器 -模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種新型的高分辨是一種新型的高分辨A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器，它它由由相相對(duì)獨(dú)立的對(duì)獨(dú)立的-調(diào)制器調(diào)制器和和數(shù)字抽取數(shù)字抽取濾波器兩部分濾波器兩部分組成。組成。 -調(diào)制器調(diào)制器將輸入的模擬信號(hào)以高于將輸入的模擬信號(hào)以高于NyquistNyquist頻率干頻率干倍倍( (典型為典型為6464一一10241024倍倍) )的頻率進(jìn)行采樣的頻率進(jìn)行采樣, ,隨后進(jìn)行低比特隨后進(jìn)行低比特( (常為常為1 1位位) )量化量化, ,再將這種高再將這種高采樣率采樣率、低低分辨率的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)字抽取分辨率的數(shù)字信號(hào)

26、經(jīng)數(shù)字抽取濾波器進(jìn)行抽取濾波濾波器進(jìn)行抽取濾波, ,最終獲得以最終獲得以NyquistNyquist采樣率采樣率輸出的高分辨輸出的高分辨率率數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)。3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.3 -型A/D轉(zhuǎn)換器 X X是要轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)采是要轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)采樣值，樣值，D D是已經(jīng)采樣量化了的是已經(jīng)采樣量化了的一位數(shù)字串行位流。量化過程一位數(shù)字串行位流。量化過程是：輸入信號(hào)是：輸入信號(hào)X X與反饋信號(hào)與反饋信號(hào)W W反反相求和，得到量化的誤差信號(hào)相求和，得到量化的誤差信號(hào)B B，誤差信號(hào)，誤差信號(hào)B B進(jìn)入積分器積分進(jìn)入積分器積分，輸出的信號(hào)輸出的信號(hào)C C輸入至量化器輸入至量化器進(jìn)行進(jìn)行量化量化，得

27、到由，得到由0 0和和1 1組成的數(shù)字組成的數(shù)字序列序列D D，數(shù)字序列，數(shù)字序列D D又經(jīng)過一位的又經(jīng)過一位的DACDAC反饋至求和節(jié)點(diǎn)，形成閉反饋至求和節(jié)點(diǎn)，形成閉合的反饋回路，這里的量化器實(shí)際上是一個(gè)比較器。由反饋合的反饋回路，這里的量化器實(shí)際上是一個(gè)比較器。由反饋理論可知，反饋環(huán)路將強(qiáng)迫輸出數(shù)字系列理論可知，反饋環(huán)路將強(qiáng)迫輸出數(shù)字系列D D對(duì)應(yīng)的模擬平均值對(duì)應(yīng)的模擬平均值等于輸入信號(hào)的采樣等于輸入信號(hào)的采樣X X的平均值。的平均值。3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.3 -型A/D轉(zhuǎn)換器 -型型A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換技術(shù)是通過技術(shù)是通過采用采用-調(diào)制器調(diào)制器, ,利用過采利用過采樣樣技術(shù)、噪聲整形技術(shù)

28、、噪聲整形技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù), ,以速度換精度以速度換精度, ,達(dá)到達(dá)到在模擬域進(jìn)行低精度在模擬域進(jìn)行低精度信號(hào)處理信號(hào)處理, ,在數(shù)字域進(jìn)行高精度的信號(hào)在數(shù)字域進(jìn)行高精度的信號(hào)處理處理, ,從而獲得整體性能優(yōu)越且易于集成的一從而獲得整體性能優(yōu)越且易于集成的一種種A/DA/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。轉(zhuǎn)換技術(shù)。3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.4 V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器 V-FV-F變換型變換型A/DA/D轉(zhuǎn)換器中，首先將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器中，首先將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的頻率信號(hào)，然后在一個(gè)固定的時(shí)間間隔里換成與之成比例的頻率信號(hào)，然后在一個(gè)固定的時(shí)間間隔里對(duì)得到的頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，

29、所得到的計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入對(duì)得到的頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，所得到的計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。模擬電壓的數(shù)字量。3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.4 V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.4 V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器3常用A/D轉(zhuǎn)換器3.4 V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器 V-FV-F變換型變換型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)是一種調(diào)頻信號(hào)，而這轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)是一種調(diào)頻信號(hào)，而這種調(diào)頻信號(hào)不僅易于傳輸和檢出，還有很強(qiáng)的抗干擾能力，種調(diào)頻信號(hào)不僅易于傳輸和檢出，還有很強(qiáng)的抗干擾能力，所以所以V-FV-F變換型變換型A/DA/D轉(zhuǎn)換器非常適于在遙測(cè)、遙控系統(tǒng)中應(yīng)用。轉(zhuǎn)換器非常適于在遙測(cè)、遙控系統(tǒng)中應(yīng)用

30、。在需要遠(yuǎn)距離傳送模擬信號(hào)并完成在需要遠(yuǎn)距離傳送模擬信號(hào)并完成A/DA/D轉(zhuǎn)換的情況下，一般轉(zhuǎn)換的情況下，一般將將V-FV-F變換器設(shè)置在信號(hào)發(fā)送端，而將計(jì)數(shù)器及其時(shí)鐘閘門、變換器設(shè)置在信號(hào)發(fā)送端，而將計(jì)數(shù)器及其時(shí)鐘閘門、寄存器等設(shè)置在接收端。寄存器等設(shè)置在接收端。4A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器的接口接口任務(wù)接口任務(wù)轉(zhuǎn)換器收到微機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)換器收到微機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 指令，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。指令，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)微機(jī)發(fā)出取數(shù)指令時(shí)，轉(zhuǎn)當(dāng)微機(jī)發(fā)出取數(shù)指令時(shí)，轉(zhuǎn) 換結(jié)果存入微機(jī)內(nèi)存。換結(jié)果存入微機(jī)內(nèi)存。4A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器的接口4.1 ADC0809的主要功能 分辨率為分辨率為8 8位位。 總的不可調(diào)誤差在總的不

31、可調(diào)誤差在(1/2)LSB(1/2)LSB和和1LSB1LSB范圍內(nèi)范圍內(nèi)。 典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s100s。 具有鎖存控制的具有鎖存控制的8 8路多路開關(guān)路多路開關(guān)。 具有三態(tài)緩沖輸出控制具有三態(tài)緩沖輸出控制。 單一單一+5V+5V供電，此時(shí)輸入范圍為供電，此時(shí)輸入范圍為0 05V5V。工作溫度范圍工作溫度范圍40408585。4A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器的接口4.2 ADC0809引腳介紹ADC0808/0809 引腳圖 GND13VCC11IN026D721D620IN127D519D418IN228D38D215IN31D114D017IN42EOC7IN53A25IN64B

32、24C23IN75ALE22VREF(-)16OE9START6VREF(+)12CLK10U1ADC0809 ( (1)IN01)IN0IN7IN7：8 8個(gè)模擬量輸入端。個(gè)模擬量輸入端。( (2)VREF(+)2)VREF(+)，VREFVREF(-)(-)：正負(fù)正負(fù)參考參考電電壓壓，用來提供，用來提供D/AD/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)參考電壓。一般參考電壓。一般VREF(+)VREF(+)接接+5V+5V高精高精度參考電源，度參考電源，VREF(-)VREF(-)接接模擬地。模擬地。( (3)START3)START: :啟動(dòng)啟動(dòng)A/DA/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換，當(dāng)STARTSTART為高電平

33、時(shí)，為高電平時(shí)，A/DA/D開始轉(zhuǎn)換。開始轉(zhuǎn)換。(4) EOC(4) EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)A/DA/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，由低電平轉(zhuǎn)為高電平。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，由低電平轉(zhuǎn)為高電平。此信號(hào)可用作此信號(hào)可用作A/DA/D轉(zhuǎn)換是否完成的轉(zhuǎn)換是否完成的查詢信號(hào)或向查詢信號(hào)或向CPUCPU請(qǐng)求中斷的信號(hào)請(qǐng)求中斷的信號(hào)。4A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器的接口4.2 ADC0809引腳介紹ADC0808/0809 引腳圖 GND13VCC11IN026D721D620IN127D519D418IN228D38D215IN31D114D017IN42EOC7IN53A25IN64B24C23IN75ALE22

34、VREF(-)16OE9START6VREF(+)12CLK10U1ADC0809 ( (5 5) )OEOE（OUTPUT ENABLEOUTPUT ENABLE）：輸出允）：輸出允許信號(hào)或稱為許信號(hào)或稱為A/DA/D數(shù)據(jù)讀信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)讀信號(hào)。當(dāng)此信號(hào)為高電平時(shí)，可從此信號(hào)為高電平時(shí)，可從A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器中讀取數(shù)據(jù)。此信號(hào)可作系統(tǒng)中器中讀取數(shù)據(jù)。此信號(hào)可作系統(tǒng)中的片選信號(hào)。的片選信號(hào)。(6)CLK:(6)CLK:工作工作時(shí)鐘，最高允許值為時(shí)鐘，最高允許值為1.2MHz,1.2MHz,當(dāng)當(dāng)CLKCLK為為640kHz640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為時(shí)間為100100 s 。(7)ALE

35、(7)ALE：通道地址鎖存允許，上升：通道地址鎖存允許，上升沿有效，鎖存沿有效，鎖存C C、B B、A A通道地址，通道地址，則選中的通道的模擬輸入送則選中的通道的模擬輸入送A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。換器。4A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器的接口4.2 ADC0809引腳介紹ADC0808/0809 引腳圖 GND13VCC11IN026D721D620IN127D519D418IN228D38D215IN31D114D017IN42EOC7IN53A25IN64B24C23IN75ALE22VREF(-)16OE9START6VREF(+)12CLK10U1ADC0809 (8)A(8)A、B B、C C

36、：通道地址輸入，：通道地址輸入，C C為為最高，最高，A A為最低。為最低。(9)D0(9)D0D7D7：數(shù)字量輸出線。：數(shù)字量輸出線。( (10)VCC10)VCC，GNDGND：電源電壓：電源電壓VCCVCC接接+5V+5V，GNDGND為數(shù)字地為數(shù)字地。4A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器的接口4.3.1 80318031與與08090809硬件硬件接口接口設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 圖8-22 8031與ADC0808/0809轉(zhuǎn)換器接口電路EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P 1.01P 1.12P 1.23P 1.34P 1.45P 1.56P 1

37、.67P 1.78P 0.039P 0.138P 0.237P 0.336P 0.435P 0.534P 0.633P 0.732P 2.021P 2.122P 2.223P 2.324P 2.425P 2.526P 2.627P 2.728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U18031AHD03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719E1G11U2SN74LS373 GND13VCC11IN026D721D620IN127D519D418IN228D38D215IN31D114D017IN42EOC7IN53A25IN64B24C23IN75ALE22VREF(-)16OE9START6VREF(+)12CLK10U3ADC0809 VR(+5V)A0A1A2 123U4A7402456U4B7402D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7VCCD0D1D2D3D4D5D6D712U5A74LS044A/D轉(zhuǎn)換器與微控制器的接口4.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器程序設(shè)計(jì)方法 根據(jù)根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)要求不同以及測(cè)量系統(tǒng)要求不同以及CPUCPU忙閑程度，通常多采用忙閑程度，通常多采用三種軟件編程控制方式：程序查詢方式、延時(shí)方式和中斷控三