模／数转换器

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1、数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 6.1 6.1 A AD D转换器的分类转换器的分类 6.2 6.2 A AD D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 6.3 6.3 逐次逼近式逐次逼近式A AD D转换器转换器 第第6 6章章 模数转换器模数转换器 6.5 6.5 单片集成单片集成A AD D转换器转换器 6.6 6.6 如何选择和使用如何选择和使用A AD D转换器转换器 6.7 6.7 A AD D转换器与微机的接口转换器与微机的接口 6.4 6.4 双斜积分式双斜积分式A/DA/D换器换器 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换

2、器 6.1 A/D 6.1 A/D 转换器的分类转换器的分类 分类: u 按速度分：高、中、低 u 按精度分：高、中、低 u 按位数分：8、10、12、14、16 u 按工作原理分 模/数转换器把采集到的采样模拟信号量化和编码 后，转换成数字信号并输出，简称为A/D或ADC。 量化是一种 比较过程 按“怎样比较”分 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 按工作原理分 直接比较型：模拟信号直接与参考电压比较， 得到数字量。 有逐次比较、连续比较、斜坡电压比较 优点：瞬时比较，转换速度快。 间接比较型：模拟信号与参考电压先转换为中 间物理量，再进行比较。 缺点：抗干扰能力

3、差。 有双斜式、积分式、脉冲调宽 优点：平均值比较，抗干扰能力强。 缺点：转换速度慢。 6.1 A/D 6.1 A/D 转换器的分类转换器的分类 u u 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1. 分辨率 分辨率：A/D转换器所能分辨模拟输入信号的 最小变化量。 设A/D转换器的位数为n，满量程电 压为FSR，则分辨率定义为： 量化单位就是 A/D转换器的 分辨率。 相对分辨率定义为: 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 A/D转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为1

4、0V) A/D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。因 此，目前一般用位数n来间接表示分辨率。 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1. 分辨率 位 数级 数相对分辨率（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 0.15mV 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 量程：A/D转换器能转换模拟信号的电 压范围。 例如：05V，-5V+5V，

5、010V， -10V+10V。 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 2. 量程 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 3. 精度 绝对精度 绝对精度：对应于输出数码的实际模拟输入电 压与理想模拟输入电压之差。 存在问题：在A/D转换时，量化带内的任意模拟 输入电压都能产生同一输出数码。 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 约定：上述定义的模拟输入电压则限定为量化 带中点对应的模拟输入电压值。 一个12位A/D转换器，理论模拟输入电压为5V1.2mV时， 对应的输出数码为100000000000。 实际

6、模拟输入电压在 4.997V4.999V范围内的都产生这一输出数码，则: 例如： 绝对误差一般在LSB/2范围内。绝对误差包括增 益误差、偏移误差、非线性误差、量化误差。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 相对精度：绝对精度与满量程电压值之比 的百分数。 3. 精度 相对精度 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 精度和分辨率是两个不同的概念： u 精度是指转换后所得结果相对于实际值 的准确度； u 分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号 的最小变化值。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 4. 转换时间和转

7、换速率 转换时间tCONV 转换时间：按照规定的精度将模拟信号转换为 数字信号并输出所需要的时间。 转换速率 转换速率：能够重复进行数据转换的速度，即 每秒钟转换的次数。 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 某些A/D转换器的转换时间是恒定的，而另外一 些转换器，其转换时间与转换信号的值有关。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 转换时间与转换精度、信号频率的关系 u 瞬时值响应的 A/D转换器 转换时间取决于所 要求的转换精度和 被转换信号的频率 。 4. 转换时间和转换速率 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器

8、的主要技术指标 讨论: Um 2 U(t)=sint t U(t) Um 2 t0t1 tCONV U 转换时间对信号转换的影响 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 转换时间与转换精度、信号频率的关系 u 瞬时值响应的 A/D转换器 4. 转换时间和转换速率 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 讨论: Um 2 U(t)=sint t U(t) Um 2 t0t1 tCONV U 转换时间对信号转换的影响 在过零点上有最大 值: 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 转换时间与转换精度、信号频率的关系 u

9、瞬时值响应的 A/D转换器 4. 转换时间和转换速率 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 讨论: Um 2 U(t)=sint t U(t) Um 2 t0t1 tCONV U 转换时间对信号转换的影响 故在过零点处，转 换时间所造成的最 大电压误差为: 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 当精度一定时，信号频率越高，要求的转换时 间也就越短； 当信号频率一定时，转换时间越短，误差越小 。 转换时间与转换精度、信号频率的关系 u 瞬时值响应的A/D转换器 4. 转换时间和转换速率 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换

10、器的主要技术指标 讨论: u 平均值响应的转换器 由于被转换的模拟量一般为直流电压，而干扰 是交变的，因此转换时间 tCONV 越长，其抑制 干扰的能力就越强。 平均值响应的转换器是在牺性转换时间的情况 下提高转换精度的。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 5. 偏移误差 偏移误差：使最低有效 位成“1”状态时，实际 输入电压与理论输入电 压之差。 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 偏移偏移 实际曲线实际曲线 Ui 输 出 数 码 001 010 011 100 101 110 111 偏移误差 Ui 误差 偏移误差 (a) (

11、b) 理想曲线理想曲线 u 该误差主要是失调电压 及温漂造成的。 u 一般来说，在一定温度 下，偏移电压可以通过 外电路予以抵消。 u 但当温度变化时，偏移 电压又将出现。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 6. 增益误差 增益误差：满量程输出数 码时，实际模拟输入电压 与理想模拟输入电压之差 。 该误差使传输特性曲线绕 坐标原点偏离理想特性曲 线一定的角度。 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 增益误差 Ui 输 出 数 码 001 010 011 100 101 110 111 FSR 增益误差 K K=1=1 K1时，传输特

12、性的台 阶变窄，在模拟输入信号 达到满量程值之前，数码 输出就已为全“1”状态。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 6. 增益误差 增益误差：满量程输出数 码时，实际模拟输入电压 与理想模拟输入电压之差 。 6.2 A/D6.2 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 增益误差 Ui 输 出 数 码 001 010 011 100 101 110 111 FSR 增益误差 K K=1=1 KUf，故保留此位“1”; 4.第三个时钟脉冲到来时，SAR 状态置为11100000，经D/A 转 换器产生反馈电压 Uf=7.68+10.24/23=8.96V，因

13、Ui Uf ，SAR此位应置“ 0 ”。 SAR状态改为11000000。 5. 第四个时钟脉冲到来时， SAR状态又置为11010000 ，.。 6. 经过8 次比较之后，SAR 的数据寄存器中所建立的 数码11001111即为转换结 果。 数码对应的反馈电压Uf = 8.28V，它与输入的模 拟电压Ui= 8.3V相差 0.02V，不过两者的差 值已小于1LSB所对应的 量化电压0.04V。 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 8位逐次逼近A/D转换过程 2. 工作过程 例子：设逐次逼近寄存器SAR是8位，基准电压10.24V， 模拟输入电压8.3V，转换成二进

14、制数码。 6.3 6.3 逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器转换器 次数SAR中的数码D/A产生的Uf(V)去/留码判断 本次操作后SAR中 的数码 1 2 3 4 5 6 7 8 10000000 11000000 11100000 11010000 11001000 11001100 11001110 11001111 5.12 7.68 8.96 8.32 8.00 8.16 8.24 8.28 Uf Ui ，留0 Uf Ui ，留1 Uf Ui ，留1 Uf Ui ，留1 Uf 0ns 200ns 200ns 300ns 300ns 25s 启动转换时序 因为如果CS 和CE先有效

15、, R/C脉冲到来 之前的高电 平会引起输 出三态门打 开，从而影 响数据总线 。 在CE上升沿之前，先有CS=0和 R/C=0，这是比较好的启动方式 。 注意：在启动 转换后，各控 制信号不起作 用，只有STS 信号标志工作 状态。 why？ 数据采集与处理技术数据采集与处理技术模模/ /数转换器数转换器 工作时序 u 读取数据过程 2. 12位AD转换器芯片AD574A 6.5 6.5 单片集成单片集成A/DA/D转换器转换器 CECE上升沿上升沿 读取数据时序 CE CS R/C A0 STS DB0DB11 300ns 150ns 0ns 150ns 250ns 50ns 0ns 50ns 0.5时，总误差 增加较大。 n 当eq/eM1 AD574A VCC VEE DGND AGND BIPOFF REF 出 +15V -15V DB7 REF 入