数据采集与处理技术第7章

1、1YSU 2YSU分类分类并行式并行式串行式串行式3YSU1、并行、并行D/A转换器转换器4YSU1. 分辨率分辨率 分辨率分辨率 最小输出电压与最大输出最小输出电压与最大输出电压之比电压之比。 设设 DA转换器的位数为转换器的位数为n，则分则分辨率定义为：辨率定义为： 5YSU) 17(121n分辨率6YSU表表6.1 AD转换器分辨率与位数之间的关系转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为满量程电压为10V) 位数位数 分辨率分辨率（1LSB） 8 10 12 14 16 39.1mV 9.77mV 2.44mV 0.61mV 0.15mV 由式由式（6-1）和式和式（6-2），），可得

2、出可得出AD转转换器分辨率与位数之间的关系换器分辨率与位数之间的关系 7YSUAD转换器分辨率的高低取决于位数的多少转换器分辨率的高低取决于位数的多少。 因此，因此，目前一般用位数目前一般用位数n来间接表示分辨率来间接表示分辨率。2. 量程量程 量程量程 AD转换器能转换模拟信号的转换器能转换模拟信号的电压范围。电压范围。例如例如：05V，-5V+5V，010V， -10V+10V。 8YSU3. 精度精度绝对精度绝对精度 绝对精度绝对精度 对应于输出数码的实际模拟对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电输入电压与理想模拟输入电压之差。压之差。存在问题：存在问题： 在在AD转换时，量化

3、带内的转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生任意模拟输入电压都能产生同一输出数码。同一输出数码。 9YSU约定：约定： 上述定义的模拟输入电压则限定为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。量化带中点对应的模拟输入电压值。例如例如：一个一个12位位AD转换器，理论模拟转换器，理论模拟 输入电压为输入电压为5V时，对应的输出数时，对应的输出数 码为码为100000000000。 实际模拟输实际模拟输 入电压在入电压在4.997V4.999V范围内范围内 的都产生这一输出数码，则的都产生这一输出数码，则)mV(2)V(002.05)999.4997.421 （绝对精度10

4、YSU绝对误差一般在绝对误差一般在 12LSB范围内。范围内。 相对精度相对精度 相对精度相对精度 绝对精度与满量程电压值绝对精度与满量程电压值之比的百分数。之比的百分数。 相对精度绝对精度FSR100%11YSU 精度和分辨率是两个不同的概念：精度和分辨率是两个不同的概念： 精度是指转换后所得结果相对于实精度是指转换后所得结果相对于实 际值的准确度；际值的准确度； 分辨率是指转换器所能分辨的模拟分辨率是指转换器所能分辨的模拟 信号的最小变化值。信号的最小变化值。 12YSU4. 转换时间和转换速率转换时间和转换速率 转换时间转换时间tCONV 转换时间转换时间 按照规定的精度将模拟信号按照规

5、定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需转换为数字信号并输出所需要的时间。要的时间。 转换速率转换速率 转换速率转换速率 每秒钟转换的次数。每秒钟转换的次数。 13YSU下面讨论转换时间与转换精度、信号频率的关系。下面讨论转换时间与转换精度、信号频率的关系。 瞬时值响应的瞬时值响应的AD转换器转换器 转换时间取决于所要求的转换精度和转换时间取决于所要求的转换精度和被转换信号的频率。被转换信号的频率。 以图以图6.1所示的正弦信号为例，讨论它们之所示的正弦信号为例，讨论它们之间的关系。间的关系。14YSUUm2U(t)=sint 设在设在t0时刻开始转换，转换一次所需的时时刻开始转换，转换一次

6、所需的时间为间为tCONV，转换终了的时刻为转换终了的时刻为t1，与与tCONV对应对应信号电压增量信号电压增量( (误差误差) )为为U。tU(t)Um2t0t1tCONVU图图6.1 转换时间对信号转换的影响转换时间对信号转换的影响由于由于ddmmUttUtfUft( )coscos12215YSU在过零点上有最大值在过零点上有最大值过零时，过零时，tn |cos|t 1Utf Um16YSU 故在过零点处，转换时间所造成的故在过零点处，转换时间所造成的最大电压误差为最大电压误差为 ) 36(CONVmmtUftUfU由此可知：由此可知： 当精度一定时，信号频率当精度一定时，信号频率，tC

7、ONV； 当信号频率一定，当信号频率一定， tCONV ，U。17YSU平均值响应的转换器平均值响应的转换器 由于被转换的模拟量为直流电压，而由于被转换的模拟量为直流电压，而干扰是交变的，因此转换时间干扰是交变的，因此转换时间 tCONV 越长，越长，其抑制干扰的能力就越强。其抑制干扰的能力就越强。换言之：换言之：平均值响应的转换器是在牺性转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。换时间的情况下提高转换精度的。 18YSU5. 偏移误差偏移误差 偏移误差偏移误差 使最低有效位成使最低有效位成“ 1 ”状时，状时，实际输入电压与理论输入电实际输入电压与理论输入电压之差。压之差

8、。 如图如图6.2所示所示。 19YSU 该误差主要该误差主要是失调电压及温是失调电压及温漂造成的。漂造成的。 一般来说，一般来说，在一定温度下，在一定温度下，偏移电压是可以偏移电压是可以通过外电路予以通过外电路予以抵消。抵消。 Ui输输出出数数码码001010011100101110111偏移误差偏移误差Ui误误差差图图6.2 偏移误差偏移误差 (a)(b)20YSU但当温度变化时，偏移电压又将出现。但当温度变化时，偏移电压又将出现。6. 增益误差增益误差 增益误差增益误差 满量程输出数码时，实际满量程输出数码时，实际模拟输入电压与理想模拟模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。输入电压之差。

9、该误差使传输特性曲线绕坐标原点偏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，如图离理想特性曲线一定的角度，如图6.3所示所示。 21YSUK1当当K=1时，没有增益时，没有增益误差，误差，Ui = FSR，输输出为出为111。 当当K1时，传输特性时，传输特性的台阶变窄，在模拟的台阶变窄，在模拟输入信号达到满量程输入信号达到满量程值之前，数码输出就值之前，数码输出就已为全已为全“1”状态状态。当当K Uf，予以保留此位的予以保留此位的“1” 。29YSU第二个时钟脉冲到来时第二个时钟脉冲到来时，SAR 置为置为11000000码，经过码，经过DA转换器产生反馈转换器产生反馈电压电

10、压Uf512102427682.V，因因Ui Uf ，故保留此位故保留此位“1”。30YSU第三个时钟脉冲到来时第三个时钟脉冲到来时，SAR 状态置为状态置为11100000，经，经DA 转换器产生反馈电转换器产生反馈电压压Uf7 68102428963.V，因因Ui 0ns200ns200ns300ns300ns25 s为什么这样说？为什么这样说？ 因为如果因为如果 CS和和CE先有效先有效， R/C脉冲到来脉冲到来之前的高电平会引起三态输出门打开，影响数之前的高电平会引起三态输出门打开，影响数据总线。据总线。 当当CE=1时，启动转换时，启动转换。46YSU 注意注意：在启动转换后，各控制

11、信号不起作在启动转换后，各控制信号不起作用，只有用，只有STS信号标志工作状态信号标志工作状态。 读出数据读出数据 读出数据也同样由读出数据也同样由CE来启动来启动。47YSU图图6.15 AD574 读数据时序读数据时序CECSR/CA0STSDB0DB11300ns150ns0ns150ns250ns50ns0ns50ns350ns48YSU 工作方式选择工作方式选择工作方式工作方式单极性：单极性：0 xV， 输出二进制码。输出二进制码。双极性：双极性：-xV +xV， 输出偏移二进制码输出偏移二进制码49YSU图图6.16 AD574工作方式的接法工作方式的接法1+5V+15V7-15V

12、11159 W20.1KAD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND100K W1100K010V020V(a)(a) 单极性输入；单极性输入；AD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND151+5V7+15V11-15V9-55V-1010V(b)(b) 双极性输入双极性输入0.1K50YSU1. 如何确定如何确定AD转换器的位数转换器的位数 应该考虑应该考虑静态精度静态精度动态精度动态精度51YSU从静态精度考虑从静态精度考虑要考虑量化误差对输出的影响。要考虑量化误差对输出的影响。量化误差与量化误差与AD转换器位数有关

13、。转换器位数有关。52YSU由图可知由图可知10位以下误差较大；位以下误差较大；11位以上误差减小不明显。位以上误差减小不明显。图图6.22 位数与误差的关系位数与误差的关系位数位数误差误差89 10 11 12 1353YSU因此，取因此，取1011位是合适的位是合适的。从精度来看从精度来看由于模拟信号是先测量后转换，因此由于模拟信号是先测量后转换，因此总误差总误差测量误差测量误差量化误差量化误差54YSU设测量误差和量化误差不相关。设测量误差和量化误差不相关。它们的标准差分别为它们的标准差分别为e M和和eq 。则总误差的标准差为则总误差的标准差为)106(M2q2Meeee式中式中 )1

14、16()(12Mqee55YSU由图由图6.23可知可知: , 5 . 0) 1 (Mqee, 3 . 0)2(Mqee 变化缓慢变化缓慢， eM减小不多减小不多。，eM图图6.23 与与 的关系的关系eqeMeqeM0.10.30.50.70.91.01.11.21.31.4因此，取因此，取 eeqM为为0.3 0.5较为合适较为合适。56YSU 总之总之，AD转换器的精度应与测量转换器的精度应与测量装置的精度相匹配装置的精度相匹配。确定位数确定位数量化误差在总误差中所占量化误差在总误差中所占 比例要小。比例要小。根据测量装置的精度水平，根据测量装置的精度水平， 合理提出位数要求。合理提出位

15、数要求。57YSU 目前目前，大多数测量装置的精度值不小大多数测量装置的精度值不小于于0.1%0.5%，故故AD转换器的精度取转换器的精度取0.05%0.1%，相应的位数为相应的位数为1011位，位，加上符号位，即为加上符号位，即为1112位位。 从动态平滑性的要求来考虑从动态平滑性的要求来考虑 位数不能太多，否则虽然位数不能太多，否则虽然q，但产生但产生高频小振幅量化噪声高频小振幅量化噪声。 一般来说，满足一般来说，满足静态精度静态精度要求的位数，要求的位数，也能满足也能满足动态平滑性动态平滑性的要求。的要求。 58YSU2. 如何确定如何确定AD转换器的转换速率转换器的转换速率 转换速率转

16、换速率 每秒钟能完成的转换次数。每秒钟能完成的转换次数。 其与转换时间的关系：其与转换时间的关系： 转转换换时时间间转转换换速速率率159YSU确定转换速率时，应该考虑系统的采样速率：确定转换速率时，应该考虑系统的采样速率： 若转换时间为若转换时间为100 s ，则转换速率为则转换速率为10千次千次/s。 设一个周期采设一个周期采10个样点，那么个样点，那么AD转换转换器最高只能处理器最高只能处理1kHz的模拟信号的模拟信号。若转换时间为若转换时间为10 s，则转换速率为则转换速率为100千次千次/s，信号频率可提高到信号频率可提高到10kHz。 60YSU3. 如何确定是否要加采样保持器如何

17、确定是否要加采样保持器 原则上，采集变化非常缓慢的模拟信原则上，采集变化非常缓慢的模拟信号（例如温度）时，可不用采样保持器。号（例如温度）时，可不用采样保持器。 其它模拟信号都要加采样保持器。其它模拟信号都要加采样保持器。61YSU接口任务接口任务转换器收到微机发出的转换转换器收到微机发出的转换 指令，进行转换。指令，进行转换。当微机发出取数指令时，转当微机发出取数指令时，转 换结果存入微机内存。换结果存入微机内存。62YSU1. 接口设计中的问题接口设计中的问题 需要解决的问题有以下三个：需要解决的问题有以下三个： 数据输出缓冲问题数据输出缓冲问题 原因：原因： 计算机的数据总线是计算机的数

18、据总线是CPU与存储器与存储器、IO设备之间传送数据的公共通道。设备之间传送数据的公共通道。 要求：要求： AD转换器的数据输出端必须通过转换器的数据输出端必须通过三态缓冲器与数据总线相连三态缓冲器与数据总线相连。63YSU 当未被选中时当未被选中时，AD转换器的输出呈转换器的输出呈高阻抗状态，以免干扰数据总线上的数据高阻抗状态，以免干扰数据总线上的数据传送。传送。下面分四种情况予以讨论。下面分四种情况予以讨论。芯片数据输出端有三态缓冲器，且有三芯片数据输出端有三态缓冲器，且有三态控制端引脚态控制端引脚相应芯片有相应芯片有ADC0809，AD7574。它们可以直接和微机数据总线相连。它们可以直

19、接和微机数据总线相连。 64YSU芯片不具备三态输出缓冲器芯片不具备三态输出缓冲器 相应芯片有相应芯片有ADC1210。 这类芯片输出端不能直接连到数据总这类芯片输出端不能直接连到数据总线，必须外加三态缓冲器。线，必须外加三态缓冲器。芯片具有三态输出缓冲器，且由片内时序控制芯片具有三态输出缓冲器，且由片内时序控制相应芯片有相应芯片有AD571和和AD572。 这类芯片不能直接与数据总线相连，这类芯片不能直接与数据总线相连，需要通过时序调整接口转换。需要通过时序调整接口转换。65YSU芯片有三态输出缓冲器，且片内时序与芯片有三态输出缓冲器，且片内时序与微机总线时序配合微机总线时序配合 相应芯片有

20、相应芯片有AD574A， 这类芯片的输出端可直接和微机数据这类芯片的输出端可直接和微机数据总线相连。总线相连。 产生芯片选通信号和控制信号产生芯片选通信号和控制信号 芯片选通信号芯片选通信号 地址信号。地址信号。信号产生：信号产生： 由译码器产生地址信号。由译码器产生地址信号。66YSU作用：作用：给出地址信号，就选通了给出地址信号，就选通了AD芯片芯片。 译码器与地译码器与地址总线连接址总线连接系统采用内存映象系统采用内存映象IO方式，方式，需要全部地址线参与译码。需要全部地址线参与译码。系统采用系统采用IO映象方式，用部映象方式，用部 分低位地址线参与译码。分低位地址线参与译码。内存映象内

21、存映象IO不单独编址。不单独编址。IO映象映象IO单独编址。单独编址。67YSU控制信号完成对控制信号完成对AD转换器的读写控制转换器的读写控制 不同微机其控制总线不相同：不同微机其控制总线不相同： 8031单片机中单片机中，控制线控制线共同控共同控、RD WR制制AD转换器的读转换器的读写操作写操作。当当 0WR时，执行写操作；时，执行写操作； 当当 0RD时，读操作。时，读操作。 68YSU 8088CPU的的PC机机中，控制线中，控制线 、IORIOW共同控制共同控制AD转换器的读写操作转换器的读写操作。 在利用微机地址总线、控制总线对在利用微机地址总线、控制总线对AD转换器的读写进行控

22、制时，要注转换器的读写进行控制时，要注意时序匹配。意时序匹配。时序匹配时序匹配 微机提供的控制信号的持续微机提供的控制信号的持续时间和相位关系满足所用时间和相位关系满足所用 AD 转换器的控制要求。转换器的控制要求。69YSU 在接有采样保持器的数据采集系统在接有采样保持器的数据采集系统中，要考虑采样保持器、中，要考虑采样保持器、 AD转换器转换器和和CPU之间的时序配合问题。之间的时序配合问题。 用用AD转换器的转换状态信号作为采转换器的转换状态信号作为采 样保持器的模拟开关的控制信号。样保持器的模拟开关的控制信号。 保证保证AD转换与采样保持器的转换与采样保持器的协调协调。目的：目的：通常

23、做法：通常做法： 70YSUAD转换器的启动转换脉冲宽度应大于转换器的启动转换脉冲宽度应大于 采样保持器的孔径时间。采样保持器的孔径时间。保证在启动保证在启动AD转换之前采样保转换之前采样保持器已达到稳定状态，使持器已达到稳定状态，使AD转换转换准确准确。目的：目的：71YSU 读出数据读出数据 需要解决需要解决 的问题的问题AD转换器与转换器与CPU的联络的联络 方式。方式。数据输出格式。数据输出格式。联络方式联络方式联络联络 CPU与与AD转换器传送信息转换器传送信息。 72YSU联络方式联络方式 查询方式。查询方式。 中断方式。中断方式。 查询方式查询方式查询方式查询方式 CPU不断查询

24、不断查询AD转换器转换器的的STS脚的电平变化脚的电平变化。 因此，要将因此，要将AD转换器的转换状态转换器的转换状态STS脚接在微机脚接在微机IO口的某一位上口的某一位上。 73YSU传到传到D0AD5748031P0.7P0.0.D11D4.D3D0.STSP2.7P2.0.RD+图图6.26 8031与与AD574A接口电路中转换状态查询接口电路中转换状态查询74YSU AD574A的转换状态信号的转换状态信号STS经三态经三态缓冲器接到数据总线的缓冲器接到数据总线的D0上，在读状态，上，在读状态，用一特定地址选定、打开三态缓冲器，以用一特定地址选定、打开三态缓冲器，以供供CPU检查转换

25、状态检查转换状态：D0 = 0，AD处于转换周期处于转换周期； D1 = 1，AD转换结束转换结束。 75YSU 中断方式中断方式中断方式中断方式 AD转换状态信号通过中转换状态信号通过中断输入线向断输入线向CPU申请中断申请中断，CPU响应中断后，转中断响应中断后，转中断服务程序读转换结果服务程序读转换结果。 76YSU AD574A的转换结束信号的转换结束信号STS经反相形成正经反相形成正脉冲去触发脉冲去触发74LS74 (D)触发器，触发器，图图6.26 AD574与与PC总线中断联络方式接口电路总线中断联络方式接口电路D Q 74LS074 RS该触发器的输该触发器的输出经三态缓冲器接

26、到出经三态缓冲器接到 PC 机总线上空闲的中断机总线上空闲的中断请求线上请求线上。 D触发器的清除和三态缓冲器的启动均由触发器的清除和三态缓冲器的启动均由可编程可编程IO端口位控制端口位控制。77YSU 在设计接口电路时，究竟是采用查询在设计接口电路时，究竟是采用查询还是中断方式，依据处理情况而定：还是中断方式，依据处理情况而定： 若转换时间长若转换时间长（100 s以上以上）时，且程时，且程序要同时完成其它计算，则采用中断序要同时完成其它计算，则采用中断方式方式。 若转换时间较短（几十微秒以下）时，若转换时间较短（几十微秒以下）时，且程序不处理其它任务，则采用查询且程序不处理其它任务，则采用

27、查询方式。方式。 78YSU数据输出格式数据输出格式数据输出格式数据输出格式 并行输出并行输出 串行输出串行输出 下面一段程序是下面一段程序是IBM-PCXT机从机从12位位AD转换器转换器ADC1210读取数据的汇编程序读取数据的汇编程序。79YSU ADC1210的数据输出端无三态缓冲器，故的数据输出端无三态缓冲器，故外接缓冲器外接缓冲器1（设地址为设地址为0101H）用于锁存高用于锁存高4位数据，缓冲器位数据，缓冲器2（地址为地址为0102H）用于锁存低用于锁存低8位数据。程序如下位数据。程序如下： MOV DX，0101H ；准备高准备高4位数据地址位数据地址 IN AL，DX ；读入

28、高读入高4位转换结果位转换结果 MOV AH，AL；送入送入AH寄存器保存寄存器保存 80YSUINC DX ；准备低准备低8位数据地址位数据地址 IN AL，DX ；读入低读入低8位转换结果位转换结果 程序执行后程序执行后，8088CPU中的中的AX寄存器的寄存器的内容即为内容即为AD转换器的转换数据转换器的转换数据。 2. 内含三态缓冲器的内含三态缓冲器的AD转换器的接口电路转换器的接口电路 ADC0809与微机的接口与微机的接口 81YSU这部分内容留给大家自习。这部分内容留给大家自习。 AD574A与微机的接口与微机的接口 AD574A与与8031单片机的接口单片机的接口 ADC080

29、9与与8031单片的接口电路如图单片的接口电路如图6.27所示所示。82YSUQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7A0D11D0CESTS74LS 373+15V-15V满量程调整RW1+15V-15VRW2模拟量输入UccUeeREF INREFOUTBIPOFF10Vin20Vin12/8DGNDAGNDCS.AD574AALEP.WRRDEAUlo+5VR/C8031D0D1D2D3D4D5D6D7GE74LS001001001001000.70.01.0PP图图6 6. .2 28 8 A AD D5 57 74 4A A与与8 80 03 31 1的的接接口口83YSU 该电路采用单极性输入方式，可对