數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)06資料

1、 1第6章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 26.1 AD轉(zhuǎn)換器的分類6.2 AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)6.3 逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器6.5 單片集成AD轉(zhuǎn)換器本章教學(xué)內(nèi)容6.6 如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器 36.1 AD轉(zhuǎn)換器的分類 46.1 A/D轉(zhuǎn)換器的分類本節(jié)教學(xué)目標(biāo) 了解AD轉(zhuǎn)換器的分類方法 了解AD轉(zhuǎn)換器的兩大類型 56.1 A/D轉(zhuǎn)換器的分類A/D轉(zhuǎn)換器分類按速度分：高、中、低按精度分：高、中、低按位數(shù)分：8、10、12、14、16按工作原理分 66.1 A/D轉(zhuǎn)換器的分類按工作原理分直接比較型模擬信號直接參考電壓比較，得到數(shù)字量。類型有：逐次比較、連續(xù)比較優(yōu)點：瞬時比較，轉(zhuǎn)換速度快。間接比較模擬信號與參

2、考電壓先轉(zhuǎn)換為中間物理量，再進行比較。缺點：抗干擾能力差。類型有：雙斜式、積分式、脈沖調(diào)寬優(yōu)點：平均值比較，抗干擾能力強。缺點：轉(zhuǎn)換速度慢。 7第6章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器6.2 主要技術(shù)指標(biāo) 86.2 主要技術(shù)指標(biāo)本節(jié)教學(xué)目標(biāo) 理解AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 能夠理解精度和分辨率的區(qū)別 91. 分辨率 分辨率 AD轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬輸入信號的最小變化量。 6.2 主要技術(shù)指標(biāo)什么是分辨率 ？ 106.2 主要技術(shù)指標(biāo) 設(shè)AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，滿量程電壓為FSR，則分辨率定義為： 由第2章“量化”一節(jié)可以知道， 116.2 主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率就是量化單位。 126.2 主要技術(shù)指標(biāo)相對分辨率

3、定義為 由式（6-1）和式（6-2），可得出AD轉(zhuǎn)換器分辨率與位數(shù)之間的關(guān)系 136.2 主要技術(shù)指標(biāo)表6.1 AD轉(zhuǎn)換器分辨率與位數(shù)之間的關(guān)系(滿量程電壓為10V) 位 數(shù) 級 數(shù) 相對分辨率 （1LSB） 分辨率（1LSB） 8 10 12 14 16 256 1024 4096 16384 65536 0.391% 0.0977% 0.0244% 0.0061% 0.0015% 39.1mV 9.77mV 2.44mV 0.61mV 0.15mVAD轉(zhuǎn)換器分辨率的高低取決于位數(shù)的多少。 因此，目前一般用位數(shù)n來間接表示分辨率。 146.2 主要技術(shù)指標(biāo)2. 量程 量程 AD轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換模

4、擬信號的電壓范圍。什么是量程 ？ 156.2 主要技術(shù)指標(biāo)例如： 05V， -5V+5V， 010V， -10V+10V。 166.2 主要技術(shù)指標(biāo)3. 精度絕對精度 絕對精度 對應(yīng)于輸出數(shù)碼的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。什么是絕對精度 ？ 176.2 主要技術(shù)指標(biāo)存在問題：在AD轉(zhuǎn)換時，量化帶內(nèi)的任意模擬輸入電壓都能產(chǎn)生同一輸出數(shù)碼。 約定：上述定義的模擬輸入電壓則限定為量化帶中點對應(yīng)的模擬輸入電壓值。 186.2 主要技術(shù)指標(biāo)例如：一個12位AD轉(zhuǎn)換器，理論模擬輸 入電壓為5V時，對應(yīng)的輸出數(shù)碼為 100000000000。 實際在4.997V 4.999V范圍內(nèi)的模擬輸入電壓

5、都產(chǎn) 生這一輸出數(shù)碼，則 196.2 主要技術(shù)指標(biāo)相對精度 相對精度 絕對精度與滿量程電壓值之比的百分?jǐn)?shù)。 什么是相對精度 ？ 206.2 主要技術(shù)指標(biāo) 精度和分辨率是兩個不同的概念： 精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實 際值的準(zhǔn)確度； 分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬 信號的最小變化值。 216.2 主要技術(shù)指標(biāo)4. 轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換時間tCONV 轉(zhuǎn)換時間 按照規(guī)定的精度將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出所需要的時間。 什么是轉(zhuǎn)換時間 ？ 226.2 主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換速率 每秒鐘轉(zhuǎn)換的次數(shù)。 什么是轉(zhuǎn)換速率 ？ 23下面討論tCONV與轉(zhuǎn)換精度、信號頻率的關(guān)系。 瞬時值響應(yīng)的AD轉(zhuǎn)

6、換器 轉(zhuǎn)換時間取決于所要求的轉(zhuǎn)換精度和被轉(zhuǎn)換信號的頻率。 以圖6-1所示的正弦信號為例，討論它們之間的關(guān)系。6.2 主要技術(shù)指標(biāo) 24Um2U(t)=sinttU(t)Um2t0t1tCONVU圖6-1 轉(zhuǎn)換時間對信號轉(zhuǎn)換的影響 設(shè)在t0時刻開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換一次所需的時間為tCONV，轉(zhuǎn)換終了的時刻為t1，與tCONV對應(yīng)信號電壓增量(誤差)為U。由于6.2 主要技術(shù)指標(biāo) 25所以在過零點上有最大值而過零時，6.2 主要技術(shù)指標(biāo) 26 故在過零點處，轉(zhuǎn)換時間所造成的最大電壓誤差為 由此可知： 當(dāng)精度一定時，信號頻率，tCONV； 當(dāng)信號頻率一定， tCONV ，U。6.2 主要技術(shù)指標(biāo) 27平均

7、值響應(yīng)的轉(zhuǎn)換器 由于被轉(zhuǎn)換的模擬量為直流電壓，而干擾是交變的，因此轉(zhuǎn)換時間 tCONV 越長，其抑制干擾的能力就越強。換言之：平均值響應(yīng)的轉(zhuǎn)換器是在犧性轉(zhuǎn)換 時間的情況下提高轉(zhuǎn)換精度的。 6.2 主要技術(shù)指標(biāo) 285. 偏移誤差 偏移誤差 使最低有效位成“ 1 ”狀時，實際輸入電壓與理論輸入電壓之差。 什么是偏移誤差 ？6.2 主要技術(shù)指標(biāo) 29偏移實際曲線 該誤差主要是失調(diào)電壓及溫漂造成的。 一般來說，在一定溫度下，偏移電壓是可以通過外電路予以抵消。 Ui輸出數(shù)碼001010011100101110111偏移誤差Ui誤差圖6-2 偏移誤差 (a)(b)理想曲線 但當(dāng)溫度變化時，偏移電壓又將出

8、現(xiàn)。 6.2 主要技術(shù)指標(biāo) 306. 增益誤差 增益誤差 滿量程輸出數(shù)碼時，實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。 什么是增益誤差 ？6.2 主要技術(shù)指標(biāo) 31K=1K1圖6-3 增益誤差Ui輸出數(shù)碼001010011100101110111FSR增益誤差當(dāng)K=1時，Ui = FSR，輸出為111，沒有增益誤差。當(dāng)K1時，傳輸特性的臺階變窄，模擬輸入信號未達到滿量程值，數(shù)碼輸出就已為全“1”狀態(tài)。當(dāng)K Uf，予以保留此位的“1” 。 42 6.3 逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器 第二個時鐘脈沖到來時，SAR 置為11000000碼，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生反饋電壓V，因Ui Uf ，故保留此位“1”。 43

9、 6.3 逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器 第三個時鐘脈沖到來時，SAR 狀態(tài)置為11100000，經(jīng)DA 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生反饋電壓V，因Ui Uf ，SAR 此位應(yīng)置“ 0 ”。SAR 狀態(tài)改為11000000。第四個時鐘脈沖到來時，SAR 狀態(tài)又置為11010000，.。 44 6.3 逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器 tU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V時鐘脈沖12345678圖6-6 逐次逼近比較過程 45 6.3 逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器 表6.2 8位逐次逼近AD轉(zhuǎn)換過程 次數(shù) SAR中 的數(shù)碼D/產(chǎn)生的 (V) 去留碼 判斷 本次操作

10、后SAR 中的數(shù)碼 1 2 3 4 5 6 7 8 10000000 11000000 11100000 11010000 11001000 11001100 11001110 11001111 5.12 7.68 8.96 8.32 8.0 8.16 8.24 8.28 ，留1 ，留1 ，留0 ，留0 ，留1 ，留1 ，留1 ，留1 10000000 11000000 11000000 11000000 11001000 11001100 11001110 11001111 46第6章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器6.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 476.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 本節(jié)教學(xué)目標(biāo) 了解單片集成AD轉(zhuǎn)

11、換器的特點 了解單片集成AD轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 481. 8位AD轉(zhuǎn)換器芯片ADC08096.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 特點與微型計算機的大部分總線兼容。具有8個模擬量輸入通道。ADC0809芯片 49組成轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器逐次逼近寄存器(SAR)比較器 多路開關(guān)三態(tài)輸出鎖存器6.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 50 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖6-9 ADC0809結(jié)構(gòu)圖 6.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 512. 12位AD轉(zhuǎn)換器芯片AD574A 特點 有微機接口邏輯和三態(tài)輸出緩沖器，可以直接與8 位、12 位或16 位微處理器的數(shù)據(jù)總線相連。6.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 52對外可提供一個+10V基準(zhǔn)電壓，最大輸

12、出電流1.5mA。 有較寬的溫度使用范圍。 輸入電壓可有單極性和雙極性兩種。 6.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 輸出可以是12位一次讀出或分兩次讀出： 先讀高8位，再讀低4位。 53組成模擬芯片10V基準(zhǔn)12位D/A轉(zhuǎn)換數(shù)字芯片SAR比較器時鐘、邏輯控制三態(tài)輸出緩沖6.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 54 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 6.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 圖6-12 AD574A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 556.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 3. 12位帶采樣保持的 AD轉(zhuǎn)換器AD678 特點 內(nèi)部含有采樣保持器等部件。一次AD轉(zhuǎn)換僅需要5s 566.5 單片集成 AD轉(zhuǎn)換器 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖6-17 AD678內(nèi)部結(jié)構(gòu)

13、 57第6章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器6.6 面對設(shè)計如何選擇和 使用AD轉(zhuǎn)換器 586.6 面對設(shè)計如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器本節(jié)教學(xué)目標(biāo) 理解確定AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的要素 理解確定AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)的要素 596.6 面對設(shè)計如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器1. 如何確定AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù) 應(yīng)該考慮 靜態(tài)精度動態(tài)精度 從靜態(tài)精度考慮要考慮量化誤差對輸出的影響。量化誤差與AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)有關(guān)。 606.6 面對設(shè)計如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器由圖可知10位以下誤差較大；11位以上誤差減小不明顯。圖6-22 位數(shù)與誤差的關(guān)系位數(shù)誤差8910111213 616.6 面對設(shè)計如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器因此，取1011位是合適的。從精

14、度來看由于模擬信號是先測量后轉(zhuǎn)換，因此總誤差測量誤差量化誤差 626.6 面對設(shè)計如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器設(shè)測量誤差和量化誤差不相關(guān)。它們的標(biāo)準(zhǔn)差分別為e M和eq 。則總誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為式中 636.6 面對設(shè)計如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器圖6-23 與 的關(guān)系eqeMeqeM0.10.30.50.70.91.01.11.21.31.4由圖6.23可知: 變化緩慢， eM減小不多。，eM因此，取0.3 0.5較為合適。 646.6 面對設(shè)計如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器 總之，AD轉(zhuǎn)換器的精度應(yīng)與測量裝置的精度相匹配。確定位數(shù)量化誤差在總誤差中所占比例 要小。根據(jù)測量裝置的精度水平，合 理提出位數(shù)要求。 656.6 面對設(shè)計如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器 目前，大多數(shù)測量裝置的精度值不小于0.1%0.5%，故AD轉(zhuǎn)換器的精度取0.05%0.1%，相應(yīng)的位數(shù)為1011位，加上符號位，即為1112位。 666.6 面對設(shè)計如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器 從動態(tài)平滑性的要求來考慮 位數(shù)不能太多，否則雖然q，但產(chǎn)生高頻小振幅量化噪聲。 一般來說，滿足靜態(tài)精度要求的位數(shù)，也能滿足動態(tài)平滑性的要求。 676.6 面對設(shè)計如何選擇和使用AD轉(zhuǎn)換器2. 如何確定AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換速率 每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。 其與轉(zhuǎn)換時間的關(guān)系