数据采集与处理技术06资料

1、 1第6章 模数转换器 26.1 AD转换器的分类6.2 AD转换器的主要技术指标6.3 逐次逼近式AD转换器6.5 单片集成AD转换器本章教学内容6.6 如何选择和使用AD转换器 36.1 AD转换器的分类 46.1 A/D转换器的分类本节教学目标 了解AD转换器的分类方法 了解AD转换器的两大类型 56.1 A/D转换器的分类A/D转换器分类按速度分：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 66.1 A/D转换器的分类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。类型有：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

2、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。类型有：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。 7第6章 模数转换器6.2 主要技术指标 86.2 主要技术指标本节教学目标 理解AD转换器的主要技术指标 能够理解精度和分辨率的区别 91. 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。 6.2 主要技术指标什么是分辨率 ？ 106.2 主要技术指标 设AD转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则分辨率定义为： 由第2章“量化”一节可以知道， 116.2 主要技术指标A/D转换器的分辨率就是量化单位。 126.2 主要技术指标相对分辨率

3、定义为 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 136.2 主要技术指标表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 0.15mVAD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。 146.2 主要技术指标2. 量程 量程 AD转换器能转换模

4、拟信号的电压范围。什么是量程 ？ 156.2 主要技术指标例如： 05V， -5V+5V， 010V， -10V+10V。 166.2 主要技术指标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。什么是绝对精度 ？ 176.2 主要技术指标存在问题：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。 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。 186.2 主要技术指标例如：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。 实际在4.997V 4.999V范围内的模拟输入电压

5、都产 生这一输出数码，则 196.2 主要技术指标相对精度 相对精度 绝对精度与满量程电压值之比的百分数。 什么是相对精度 ？ 206.2 主要技术指标 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。 216.2 主要技术指标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。 什么是转换时间 ？ 226.2 主要技术指标转换速率 转换速率 每秒钟转换的次数。 什么是转换速率 ？ 23下面讨论tCONV与转换精度、信号频率的关系。 瞬时值响应的AD转

6、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。 以图6-1所示的正弦信号为例，讨论它们之间的关系。6.2 主要技术指标 24Um2U(t)=sinttU(t)Um2t0t1tCONVU图6-1 转换时间对信号转换的影响 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。由于6.2 主要技术指标 25所以在过零点上有最大值而过零时，6.2 主要技术指标 26 故在过零点处，转换时间所造成的最大电压误差为 由此可知： 当精度一定时，信号频率，tCONV； 当信号频率一定， tCONV ，U。6.2 主要技术指标 27平均

7、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。 6.2 主要技术指标 285. 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。 什么是偏移误差 ？6.2 主要技术指标 29偏移实际曲线 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)理想曲线 但当温度变化时，偏移电压又将出

8、现。 6.2 主要技术指标 306. 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。 什么是增益误差 ？6.2 主要技术指标 31K=1K1图6-3 增益误差Ui输出数码001010011100101110111FSR增益误差当K=1时，Ui = FSR，输出为111，没有增益误差。当K1时，传输特性的台阶变窄，模拟输入信号未达到满量程值，数码输出就已为全“1”状态。当K Uf，予以保留此位的“1” 。 42 6.3 逐次逼近式AD转换器 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V，因Ui Uf ，故保留此位“1”。 43

9、 6.3 逐次逼近式AD转换器 第三个时钟脉冲到来时，SAR 状态置为11100000，经DA 转换器产生反馈电压V，因Ui Uf ，SAR 此位应置“ 0 ”。SAR 状态改为11000000。第四个时钟脉冲到来时，SAR 状态又置为11010000，.。 44 6.3 逐次逼近式AD转换器 tU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V时钟脉冲12345678图6-6 逐次逼近比较过程 45 6.3 逐次逼近式AD转换器 表6.2 8位逐次逼近AD转换过程 次数 SAR中 的数码D/产生的 (V) 去留码 判断 本次操作

10、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 8.0 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 模数转换器6.5 单片集成 AD转换器 476.5 单片集成 AD转换器 本节教学目标 了解单片集成AD转

11、换器的特点 了解单片集成AD转换器的内部结构 481. 8位AD转换器芯片ADC08096.5 单片集成 AD转换器 特点与微型计算机的大部分总线兼容。具有8个模拟量输入通道。ADC0809芯片 49组成转换器DA转换器逐次逼近寄存器(SAR)比较器 多路开关三态输出锁存器6.5 单片集成 AD转换器 50 芯片内部结构 图6-9 ADC0809结构图 6.5 单片集成 AD转换器 512. 12位AD转换器芯片AD574A 特点 有微机接口逻辑和三态输出缓冲器，可以直接与8 位、12 位或16 位微处理器的数据总线相连。6.5 单片集成 AD转换器 52对外可提供一个+10V基准电压，最大输

12、出电流1.5mA。 有较宽的温度使用范围。 输入电压可有单极性和双极性两种。 6.5 单片集成 AD转换器 输出可以是12位一次读出或分两次读出： 先读高8位，再读低4位。 53组成模拟芯片10V基准12位D/A转换数字芯片SAR比较器时钟、逻辑控制三态输出缓冲6.5 单片集成 AD转换器 54 芯片内部结构 6.5 单片集成 AD转换器 图6-12 AD574A的内部结构示意图 556.5 单片集成 AD转换器 3. 12位带采样保持的 AD转换器AD678 特点 内部含有采样保持器等部件。一次AD转换仅需要5s 566.5 单片集成 AD转换器 芯片内部结构 图6-17 AD678内部结构

13、 57第6章 模数转换器6.6 面对设计如何选择和 使用AD转换器 586.6 面对设计如何选择和使用AD转换器本节教学目标 理解确定AD转换器转换速率的要素 理解确定AD转换器位数的要素 596.6 面对设计如何选择和使用AD转换器1. 如何确定AD转换器的位数 应该考虑 静态精度动态精度 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。 606.6 面对设计如何选择和使用AD转换器由图可知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8910111213 616.6 面对设计如何选择和使用AD转换器因此，取1011位是合适的。从精

14、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 626.6 面对设计如何选择和使用AD转换器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式中 636.6 面对设计如何选择和使用AD转换器图6-23 与 的关系eqeMeqeM0.10.30.50.70.91.01.11.21.31.4由图6.23可知: 变化缓慢， eM减小不多。，eM因此，取0.3 0.5较为合适。 646.6 面对设计如何选择和使用AD转换器 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。 656.6 面对设计如何选择和使用AD转换器 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。 666.6 面对设计如何选择和使用AD转换器 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位数，也能满足动态平滑性的要求。 676.6 面对设计如何选择和使用AD转换器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