中科大数据采集与处理技术课件——模／数转换器

1、 分类分类:u 按速度分：按速度分：高、中、低高、中、低u 按精度分：按精度分：高、中、低高、中、低u 按位数分：按位数分：8 8、1010、1212、1414、1616u 按工作原理分按工作原理分模模/ /数转换器把采集到的采样模拟信号量化和编码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，简称为后，转换成数字信号并输出，简称为A/DA/D或或ADCADC。量化是一种量化是一种比较过程比较过程按按“怎样比较怎样比较”分分按工作原理分按工作原理分直接比较型：直接比较型：模拟信号直接与参考电压比较，模拟信号直接与参考电压比较，得到数字量。得到数字量。有逐次比较、连续比较、斜坡

2、电压比较有逐次比较、连续比较、斜坡电压比较 优点：优点：瞬时比较，转换速度快。瞬时比较，转换速度快。间接比较型：间接比较型：模拟信号与参考电压先转换为中模拟信号与参考电压先转换为中间物理量，再进行比较。间物理量，再进行比较。缺点：缺点：抗干扰能力差。抗干扰能力差。有双斜式、积分式、脉冲调宽有双斜式、积分式、脉冲调宽 优点：优点：平均值比较，抗干扰能力强。平均值比较，抗干扰能力强。缺点：缺点：转换速度慢。转换速度慢。u u 1. 分辨率分辨率 分辨率：分辨率：A/D转换器所能分辨模拟输入信号的转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。最小变化量。 设设A/D转换器的位数为转换器的位数为n，满量程电

3、满量程电压为压为FSR，则分辨率定义为：则分辨率定义为： nFSR2分辨率量化单位就是量化单位就是A/D转换器的转换器的分辨率。分辨率。相对分辨率定义为相对分辨率定义为: : %10021%100nFSR分辨率相对分辨率A/D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) A/D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。因转换器分辨率的高低取决于位数的多少。因此，目前一般用位数此，目前一般用位数n来间接表示分辨率。来间接表示分辨率。1. 分辨率分辨率 位位 数数级级 数数相对分辨率（相对分辨率（1LSB）分辨率（分辨率（1LSB）8101214162561

4、024409616384655360.391%0.0977%0.0244%0.0061%0.0015% 39.1mV9.77mV2.44mV0.61mV0.15mV量程：量程：A/D转换器能转换模拟信号的电转换器能转换模拟信号的电压范围。压范围。例如：例如：05V，-5V+5V，010V， -10V+10V。 2. 量程量程 3. 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输入电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。压与理想模拟输入电压之差。存在问题：存在问题：在在A/D转换时，量化带内的任意模拟转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数

5、码。输入电压都能产生同一输出数码。 约定：约定：上述定义的模拟输入电压则限定为量化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。带中点对应的模拟输入电压值。一个一个12位位A/D转换器，理论模拟输入电压为转换器，理论模拟输入电压为5V1.2mV时，时，对应的输出数码为对应的输出数码为100000000000。 实际模拟输入电压在实际模拟输入电压在4.997V4.999V范围内的都产生这一输出数码，则范围内的都产生这一输出数码，则: :例如：例如：)V(002.05)999.4997.421)( （误差绝对精度绝对误差一般在绝对误差一般在LSB/2范围内。绝对误差包括范围内。绝对

6、误差包括增益误差、偏移误差、非线性误差、量化误差。增益误差、偏移误差、非线性误差、量化误差。 相对精度：相对精度：绝对精度与满量程电压值之比绝对精度与满量程电压值之比的百分数。的百分数。 相对精度绝对精度FSR100%3. 精度精度相对精度相对精度 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：u 精度是指转换后所得结果相对于实际值精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度；的准确度；u 分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。的最小变化值。 4. 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

7、规定的精度将模拟信号转换为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。数字信号并输出所需要的时间。 转换速率转换速率 转换速率：转换速率：能够重复进行数据转换的速度，即能够重复进行数据转换的速度，即每秒钟转换的次数。每秒钟转换的次数。 某些某些A/D转换器的转换时间是恒定的，而另外一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。些转换器，其转换时间与转换信号的值有关。转换时间与转换精度、信号频率的关系转换时间与转换精度、信号频率的关系 u 瞬时值响应的瞬时值响应的A/D转换器转换器 转换时间取决于所转换时间取决于所要求的转换精度和要求的转换精度和被转换

8、信号的频率。被转换信号的频率。4. 转换时间和转换速率转换时间和转换速率 讨论讨论:Um2U(t)=sinttU(t)Um2t0t1tCONVU转换时间对信号转换的影响转换时间对信号转换的影响ftfUtUttU2coscos21d)(dmm转换时间与转换精度、信号频率的关系转换时间与转换精度、信号频率的关系 u 瞬时值响应的瞬时值响应的A/D转换器转换器 4. 转换时间和转换速率转换时间和转换速率 讨论讨论:Um2U(t)=sinttU(t)Um2t0t1tCONVU转换时间对信号转换的影响转换时间对信号转换的影响在过零点上有最大在过零点上有最大值值:Utf Um转换时间与转换精度、信号频率的

9、关系转换时间与转换精度、信号频率的关系 u 瞬时值响应的瞬时值响应的A/D转换器转换器 4. 转换时间和转换速率转换时间和转换速率 讨论讨论:Um2U(t)=sinttU(t)Um2t0t1tCONVU转换时间对信号转换的影响转换时间对信号转换的影响故在过零点处，转故在过零点处，转换时间所造成的最换时间所造成的最大电压误差为大电压误差为:tUfUmCONVmtUf当精度一定时，信号频率越高，要求的转换时当精度一定时，信号频率越高，要求的转换时间也就越短；间也就越短；当信号频率一定时，转换时间越短，误差越小。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、信号频率的关系转换时间与转

10、换精度、信号频率的关系 u 瞬时值响应的瞬时值响应的A/D转换器转换器 4. 转换时间和转换速率转换时间和转换速率 讨论讨论:u 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一般为直流电压，而干扰由于被转换的模拟量一般为直流电压，而干扰是交变的，因此转换时间是交变的，因此转换时间 tCONV 越长，其抑制越长，其抑制干扰的能力就越强。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。下提高转换精度的。5. 偏移误差偏移误差 偏移误差：偏移误差：使最低有效使最低有效位成位成“1 1”状态时，实际状态时，实际输入电压与理

11、论输入电输入电压与理论输入电压之差。压之差。 Ui输输出出数数码码001010011100101110111偏移误差偏移误差Ui误差误差偏移误差偏移误差 (a)(b)u 该误差主要是失调电压该误差主要是失调电压及温漂造成的。及温漂造成的。u 一般来说，在一定温度一般来说，在一定温度下，偏移电压可以通过下，偏移电压可以通过外电路予以抵消。外电路予以抵消。u 但当温度变化时，偏移但当温度变化时，偏移电压又将出现。电压又将出现。 6. 增益误差增益误差 增益误差：增益误差：满量程输出数满量程输出数码时，实际模拟输入电压码时，实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。与理想模拟输入电压之差。 该误差使传

12、输特性曲线绕该误差使传输特性曲线绕坐标原点偏离理想特性曲坐标原点偏离理想特性曲线一定的角度线一定的角度。 增益误差增益误差Ui输输出出数数码码001010011100101110111FSR增益误差增益误差K1u 当当K=1时，没有增益误差，时，没有增益误差，Ui = FSR，输出为，输出为111。u 当当K1时，传输特性的台时，传输特性的台阶变窄，在模拟输入信号阶变窄，在模拟输入信号达到满量程值之前，数码达到满量程值之前，数码输出就已为全输出就已为全“1”状态。状态。6. 增益误差增益误差 增益误差：增益误差：满量程输出数满量程输出数码时，实际模拟输入电压码时，实际模拟输入电压与理想模拟输入

13、电压之差。与理想模拟输入电压之差。 增益误差增益误差Ui输输出出数数码码001010011100101110111FSR增益误差增益误差K1u 当当K Uf，予以保留此位的，予以保留此位的“1” 。tU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.0 8.168.248.288.30V时钟时钟脉冲脉冲12345678逐次逼近比较过程逐次逼近比较过程3.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D/A转转换器产生反馈电压换器产生反馈电压Uf=5.12+10.24/22=7.68V，因，因UiUf，故保留此位，故保留此位

14、“1”;4.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D/A 转转换器产生反馈电压换器产生反馈电压Uf=7.68+10.24/23=8.96V，因，因Ui Uf ，SAR此位应置此位应置“ 0 ”。SAR状态改为状态改为11000000。5. 第四个时钟脉冲到来时，第四个时钟脉冲到来时，SAR状态又置为状态又置为11010000，.。6. 经过经过8 次比较之后，次比较之后，SAR的数据寄存器中所建立的的数据寄存器中所建立的数码数码11001111即为转换结即为转换结果。果。数码对应的反馈电压数码对应的反馈电压Uf = 8.28V，它与输入的模，

15、它与输入的模拟电压拟电压Ui= 8.3V相差相差0.02V，不过两者的差，不过两者的差值已小于值已小于1LSB所对应的所对应的量化电压量化电压0.04V。8位逐次逼近位逐次逼近A/D转换过程转换过程2. 工作过程工作过程例子：例子：设逐次逼近寄存器设逐次逼近寄存器SAR是是8位，基准电压位，基准电压10.24V，模拟输入电压模拟输入电压8.3V，转换成二进制数码。，转换成二进制数码。次数次数SAR中的数码中的数码D/A产生的产生的Uf(V)去去/留码判断留码判断本次操作后本次操作后SAR中中的数码的数码1234567810000000110000001110000011010000110010

16、001100110011001110110011115.127.688.968.328.008.168.248.28Uf Ui，留，留1Uf Ui ，留，留0Uf Ui ，留，留0Uf Ui ，留，留1Uf Ui ，留，留1Uf Ui ，留，留1Uf 0ns200ns200ns300ns 300ns25 s启动转换时序启动转换时序因为如果因为如果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之前的高电平会引起输平会引起输出三态门打出三态门打开，从而影开，从而影响数据总线。响数据总线。在在CE上升沿之前，先有上升沿之前，先有CS=0和和R/C=0，这是比较好的启动方式。，这是比较好

17、的启动方式。注意：注意：在启动在启动转换后，各控转换后，各控制信号不起作制信号不起作用，只有用，只有STS信号标志工作信号标志工作状态状态。 why？工作时序工作时序 u 读取数据过程读取数据过程2. 12位位AD转换器芯片转换器芯片AD574A 读取数据时序读取数据时序CECSR/CA0STSDB0DB11300ns150ns0ns150ns250ns50ns0ns50ns0.5时，总误差时，总误差增加较大。增加较大。n 当当eq/eM1AD574AVCCVEEDGNDAGNDBIPOFFREF 出出+15V-15VDB7REF 入入10V IN20V INENB312H ALE和和A1A9

18、 进行地进行地址译码选通。址译码选通。 IOW和和IOR经过一个经过一个与非门控制与非门控制CE。 IOW直接控制直接控制R/C。 地址线的地址线的A0直接接入直接接入AD574A的的A0脚。脚。 因为因为12/8接地，所以接地，所以A/D转换结果分两次转换结果分两次读出：读出： A0=0，R/C=1，高，高8位从位从 D11D4读出；读出； A0=1，R/C=1，低，低4位从位从 D3D0读出。读出。AD574A与与PC 机的接口机的接口 u AD574A与微机的接口与微机的接口 2. 内含三态缓冲器的内含三态缓冲器的AD转换器的接口电转换器的接口电路路AD574A工作于普工作于普通控制方式时，通控制方式时，不适合于不适合于PC286以上微机，因为以上微机，因为这类微机的总线这类微机的总线周期短，难以适周期短，难以适合合AD574A所要求所要求的设置时间的设置时间。DB0D11D4D3D0STSCSA0R/CCE12/8AENA0IOWIORA1A 9PC总线总线310H译码1AD574AVCCVEEDGNDAGNDBIPOFFREF 出出+15V-15VDB7REF 入入10V IN20V INENB312H