AD转换讲解PPT教学课件

1、分类按速度分：高、中、低按精度分：高、中、低按位数分：8、10、12、14、16按工作原理分第1页/共88页按工作原理分直接比较型 模拟信号直接参考电压比较，得到数字量。有逐次比较、连续比较优点：瞬时比较，转换速度快。间接比较 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。第2页/共88页1. 分辨率 分辨率 AD转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。 设AD转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则分辨率定义为： 第3页/共88页) 16(2nFSR分辨率量化单位就是AD转换器的分辨率。相对分

2、辨率定义为 )26(%10021%100nFSR分辨率相对分辨率第4页/共88页表6.1 AD转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为10V) 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 由式（6-1）和式（6-2），可得出AD转换器分辨率与位数之间的关系 第5页/共88页AD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

3、率。2. 量程 量程 AD转换器能转换模拟信号的电压范围。例如：05V，-5V+5V，010V， -10V+10V。 第6页/共88页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AD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。 第7页/共88页约定：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。例如：一个12位AD转换器，理论模拟 输入电压为5V时，对应的输出数 码为100000000000。 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)mV(2)V(002.05)999.499

4、7.421 （绝对精度第8页/共88页绝对误差一般在 12LSB范围内。 相对精度 相对精度 绝对精度与满量程电压值之比的百分数。 相对精度绝对精度FSR100%第9页/共88页 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 际值的准确度； 分辨率是指转换器所能分辨的模拟 信号的最小变化值。 第10页/共88页4. 转换时间和转换速率 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 每秒钟转换的次数。 第11页/共88页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AD转换器 转换时间取决于所要求的转换

5、精度和被转换信号的频率。 以图6.1所示的正弦信号为例，讨论它们之间的关系。第12页/共88页Um2U(t)=sint 设在t0时刻开始转换，转换一次所需的时间为tCONV，转换终了的时刻为t1，与tCONV对应信号电压增量(误差)为U。tU(t)Um2t0t1tCONVU图6.1 转换时间对信号转换的影响由于ddmmUttUtfUft( )coscos122第13页/共88页在过零点上有最大值过零时，tn |cos|t 1Utf Um第14页/共88页 故在过零点处，转换时间所造成的最大电压误差为 ) 36(CONVmmtUftUfU由此可知： 当精度一定时，信号频率，tCONV； 当信号频

6、率一定， tCONV ，U。第15页/共88页平均值响应的转换器 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 tCONV 越长，其抑制干扰的能力就越强。换言之：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。 第16页/共88页5. 偏移误差 偏移误差 使最低有效位成“ 1 ”状时，实际输入电压与理论输入电压之差。 如图6.2所示。 第17页/共88页 该误差主要是失调电压及温漂造成的。 一般来说，在一定温度下，偏移电压是可以通过外电路予以抵消。 Ui输出数码001010011100101110111偏移误差Ui误差图6.2 偏移误差 (a)(b)第18页/共88页

7、但当温度变化时，偏移电压又将出现。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，如图6.3所示。 第19页/共88页K1当K=1时，没有增益误差，Ui = FSR，输出为111。 当K1时，传输特性的台阶变窄，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。当K Uf，予以保留此位的“1” 。第27页/共88页第二个时钟脉冲到来时，SAR 置为11000000码，经过DA转换器产生反馈电压Uf512102427682.V，因Ui Uf ，故保留此位“1”。第28页/共88页第三个时钟脉

8、冲到来时，SAR 状态置为11100000，经DA 转换器产生反馈电压Uf7 68102428963.V，因Ui 0ns200ns200ns300ns300ns25s为什么这样说？ 因为如果 CS和CE先有效， R/C脉冲到来之前的高电平会引起三态输出门打开，影响数据总线。 当CE=1时，启动转换。第44页/共88页 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。 读出数据 读出数据也同样由CE来启动。第45页/共88页图6.15 AD574 读数据时序CECSR/CA0STSDB0DB11300ns150ns0ns150ns250ns50ns0ns50ns350ns第4

9、6页/共88页 工作方式选择工作方式单极性：0 xV， 输出二进制码。双极性：-xV +xV， 输出偏移二进制码第47页/共88页图6.16 AD574工作方式的接法1+5V+15V7-15V11159 W20.1KAD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND100K W1100K010V020V(a)(a) 单极性输入；AD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND151+5V7+15V11-15V9-55V-1010V(b)(b) 双极性输入0.1K第48页/共88页1. 如何确定AD转换器的位数 应该考虑静态精度动态精

10、度第49页/共88页从静态精度考虑要考虑量化误差对输出的影响。量化误差与AD转换器位数有关。第50页/共88页由图可知10位以下误差较大；11位以上误差减小不明显。图6.22 位数与误差的关系位数误差8 9 10 11 12 13第51页/共88页因此，取1011位是合适的。从精度来看由于模拟信号是先测量后转换，因此总误差测量误差量化误差第52页/共88页设测量误差和量化误差不相关。它们的标准差分别为e M和eq 。则总误差的标准差为)106(M2q2Meeee式中 )116()(12Mqee第53页/共88页由图6.23可知: , 5 . 0) 1 (Mqee, 3 . 0)2(Mqee 变

11、化缓慢， eM减小不多。，eM图6.23 与 的关系eqeMeqeM0.10.30.50.70.91.01.11.21.31.4因此，取 eeqM为0.3 0.5较为合适。第54页/共88页 总之，AD转换器的精度应与测量装置的精度相匹配。确定位数量化误差在总误差中所占 比例要小。根据测量装置的精度水平， 合理提出位数要求。第55页/共88页 目前，大多数测量装置的精度值不小于0.1%0.5%，故AD转换器的精度取0.05%0.1%，相应的位数为1011位，加上符号位，即为1112位。 从动态平滑性的要求来考虑 位数不能太多，否则虽然q，但产生高频小振幅量化噪声。 一般来说，满足静态精度要求的

12、位数，也能满足动态平滑性的要求。 第56页/共88页2. 如何确定AD转换器的转换速率 转换速率 每秒钟能完成的转换次数。 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1第57页/共88页确定转换速率时，应该考虑系统的采样速率： 若转换时间为100s ，则转换速率为10千次/s。 设一个周期采10个样点，那么AD转换器最高只能处理1kHz的模拟信号。若转换时间为10s，则转换速率为100千次/s，信号频率可提高到10kHz。 第58页/共88页3. 如何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。第59页

13、/共88页接口任务转换器收到微机发出的转换 指令，进行转换。当微机发出取数指令时，转 换结果存入微机内存。第60页/共88页1. 接口设计中的问题 需要解决的问题有以下三个： 数据输出缓冲问题 原因：计算机的数据总线是CPU与存储器、IO设备之间传送数据的公共通道。 要求：AD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。第61页/共88页 当未被选中时，AD转换器的输出呈高阻抗状态，以免干扰数据总线上的数据传送。下面分四种情况予以讨论。芯片数据输出端有三态缓冲器，且有三态控制端引脚相应芯片有ADC0809，AD7574。它们可以直接和微机数据总线相连。 第62页/共88页芯片不具备三态

14、输出缓冲器 相应芯片有ADC1210。 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。芯片具有三态输出缓冲器，且由片内时序控制相应芯片有AD571和AD572。 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。第63页/共88页芯片有三态输出缓冲器，且片内时序与微机总线时序配合 相应芯片有AD574A， 这类芯片的输出端可直接和微机数据总线相连。 产生芯片选通信号和控制信号 芯片选通信号 地址信号。信号产生：由译码器产生地址信号。第64页/共88页作用：给出地址信号，就选通了AD芯片。 译码器与地址总线连接系统采用内存映象IO方式，需要全部地址线参与译码。系统采用IO映象方

15、式，用部 分低位地址线参与译码。内存映象IO不单独编址。IO映象IO单独编址。第65页/共88页控制信号完成对AD转换器的读写控制 不同微机其控制总线不相同： 8031单片机中，控制线共同控、RD WR制AD转换器的读写操作。当 0WR时，执行写操作； 当 0RD时，读操作。 第66页/共88页 8088CPU的PC机中，控制线 、IORIOW共同控制AD转换器的读写操作。 在利用微机地址总线、控制总线对AD转换器的读写进行控制时，要注意时序匹配。时序匹配 微机提供的控制信号的持续时间和相位关系满足所用 AD 转换器的控制要求。第67页/共88页 在接有采样保持器的数据采集系统中，要考虑采样保

16、持器、 AD转换器和CPU之间的时序配合问题。 用AD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。 保证AD转换与采样保持器的协调。目的：通常做法： 第68页/共88页AD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。保证在启动AD转换之前采样保持器已达到稳定状态，使AD转换准确。目的：第69页/共88页 读出数据 需要解决 的问题AD转换器与CPU的联络 方式。数据输出格式。联络方式联络 CPU与AD转换器传送信息。 第70页/共88页联络方式 查询方式。 中断方式。 查询方式查询方式 CPU不断查询AD转换器的STS脚的电平变化。 因此，要将AD转换器的转换状态STS

17、脚接在微机IO口的某一位上。 第71页/共88页传到D0AD5748031P0.7P0.0.D11D4.D3D0.STSP2.7P2.0.RD+图6.26 8031与AD574A接口电路中转换状态查询第72页/共88页 AD574A的转换状态信号STS经三态缓冲器接到数据总线的D0上，在读状态，用一特定地址选定、打开三态缓冲器，以供CPU检查转换状态：D0 = 0，AD处于转换周期； D1 = 1，AD转换结束。 第73页/共88页 中断方式中断方式 AD转换状态信号通过中断输入线向CPU申请中断，CPU响应中断后，转中断服务程序读转换结果。 第74页/共88页 AD574A的转换结束信号ST

18、S经反相形成正脉冲去触发74LS74 (D)触发器，图6.26 AD574与PC总线中断联络方式接口电路D Q 74LS074 RS该触发器的输出经三态缓冲器接到 PC 机总线上空闲的中断请求线上。 D触发器的清除和三态缓冲器的启动均由可编程IO端口位控制。第75页/共88页 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： 若转换时间长（100s以上）时，且程序要同时完成其它计算，则采用中断方式。 若转换时间较短（几十微秒以下）时，且程序不处理其它任务，则采用查询方式。 第76页/共88页数据输出格式数据输出格式 并行输出 串行输出 下面一段程序是IBM-PCXT机从12位A

19、D转换器ADC1210读取数据的汇编程序。第77页/共88页 ADC1210的数据输出端无三态缓冲器，故外接缓冲器1（设地址为0101H）用于锁存高4位数据，缓冲器2（地址为0102H）用于锁存低8位数据。程序如下： MOV DX，0101H ；准备高4位数据地址 IN AL，DX ；读入高4位转换结果 MOV AH，AL；送入AH寄存器保存 第78页/共88页INC DX ；准备低8位数据地址 IN AL，DX ；读入低8位转换结果 程序执行后，8088CPU中的AX寄存器的内容即为AD转换器的转换数据。 2. 内含三态缓冲器的AD转换器的接口电路 ADC0809与微机的接口 第79页/共8

20、8页这部分内容留给大家自习。 AD574A与微机的接口 AD574A与8031单片机的接口 ADC0809与8031单片的接口电路如图6.27所示。第80页/共88页Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7A0D11D0CESTS74LS 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的的接接口口第81页/共88页 该电路采用单极性输入方式，可对010V 或020V 模拟信号进行转换。 由于AD574A片内有时钟，故无须外加时钟信号。因为接地，所以AD转换结果12 8/分两次读出，高位从 D11D