AD转换讲解课件

6.1A／D转换器的分类6.2A／D转换器的主要技术指标6.3逐次逼近式A／D转换器第6章模／数转换器

6.5A／D转换器6.6如何选择和使用A／D转换器6.7A／D转换器与微机的接口6.1A／D转换器的分类第6章模／数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6.1A/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。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。6.2A／D转换器的主要技术指标量化单位就是A／D转换器的分辨率。相对分辨率定义为6.2A／D转换器的主要技术指标表6.1A／D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）

810121416

256102440961638465536

0.391%0.0977%0.0244%0.0061%0.0015%

39.1mV9.77mV2.44mV0.61mV0.15mV

由式（6-1）和式（6-2），可得出A／D转换器分辨率与位数之间的关系6.2A／D转换器的主要技术指标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。2.量程

量程—A／D转换器能转换模拟信号的电压范围。例如：0～5V，-5V～+5V，0～10V，-10V～+10V。6.2A／D转换器的主要技术指标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。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。

6.2A／D转换器的主要技术指标绝对误差一般在范围内。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。6.2A／D转换器的主要技术指标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。转换速率转换速率—每秒钟转换的次数。Um2U(t)=sinωt6.2A／D转换器的主要技术指标

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)Um2t0t1tCONV△U图6.1转换时间对信号转换的影响由于6.2A／D转换器的主要技术指标在过零点上有最大值∵过零时，∴6.2A／D转换器的主要技术指标故在过零点处，转换时间所造成的最大电压误差为由此可知：①当精度一定时，信号频率↑，tCONV↓；②当信号频率一定，

tCONV

↓，△U↓。6.2A／D转换器的主要技术指标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。6.2A／D转换器的主要技术指标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。6.2A／D转换器的主要技术指标但当温度变化时，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。K=1K<1K>16.2A／D转换器的主要技术指标当K=1时，没有增益误差，Ui=FSR，输出为111。当K>1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<1时，传输特性台阶变宽，模拟输入信号已超满量程时，数码输出还未达到全“1”状态。图6.3增益误差Ui输出数码001010011100101110111FSR增益误差实际曲线理想曲线6.2A／D转换器的主要技术指标

线性误差是由A／D转换器特性随模拟输入信号幅值变化而引起的，因此，线性误差是不能进行补偿的。Ui001010011100101110111输出数码图6.4线性误差线性误差6.3逐次逼近式A／D转换器

1.工作原理第6章模／数转换器模拟输入Ui+

-A去码/留码逻辑环形计数器数据寄存器时序与逻辑控制D／A转换器数字量输出锁存器基准电源UREFUf=UREF

(a12-1

+

a22-2

+

…

+

an2-n)并行数字量输出图6.5逐次逼近式A／D转换器结构SAR比较器

6.3

逐次逼近式A／D转换器

工作原理：设定在SAR中的数字量经D／A转换器转换成反馈电压Uf；SAR

顺次逐位加码控制

Uf的变化；Uf与等待转换的模拟量Ui进行比较，大则弃，小则留，逐次逼近；最终留在SAR

的数据寄存器中的数码作为数字量输出。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

2.工作过程

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，转换成二进制数码。工作过程如下：转换开始之前，先将SAR清零；

6.3

逐次逼近式A／D转换器

转换开始，第一个时钟脉冲到来时，SAR的状态置为，经D／A转换器转转换成反馈电压V，反反馈到比较器与Ui比较。因为，Ui>Uf，予以保留此位的“1”。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

第三个时钟脉冲到来时，SAR状态置为，经D／A转换器产生反馈电压V，因Ui<Uf

，SAR

此位应置“0”。SAR

状态改为。第四个时钟脉冲到来时，SAR状态又置为，......。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

tU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V时钟脉冲12345678图6.6逐次逼近比较过程脉冲1SAR置为2345678逐次逼近式A／D转换的过程可用表6.2说明之。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

表6.28位逐次逼近A／D转换过程

次数

SAR中的数码D/Ａ产生的

(V)

去／留码判断

本次操作后SAR

中的数码

12345678

1000000111000001101000011001000110011001100111011001111

5.127.688.968.328.08.168.248.28

，留1，留1，留0，留0，留1，留1，留1，留1

11000000110000001100000011001000110011001100111011001111

6.3

逐次逼近式A／D转换器

由表6.2可见：经过8

次比较之后，SAR的数据寄存器中所建立的数码即为转换结果。

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。

逐次逼近式A／D转换器的转换结果通过数字量输出锁存器并行输出。第6章模／数转换器6.5单片集成A／D转换器

1.8位A／D转换器芯片ADC0809这部分内容自习6.5

单片集成A／D转换器

2.12位A／D转换器芯片AD574A⑴特点芯片内部包含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。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。

6.5

单片集成A／D转换器

对外可提供一个+10V基准电压，最大输出电流1.5mA。有较宽的温度使用范围。⑵芯片内部结构

输入电压可有单极性和双极性两种。6.5

单片集成A／D转换器

6.5

单片集成A／D转换器

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A／D转换器

⑶芯片引脚功能引脚布置如图6.13所示。芯片引脚功能如下：D0～D1112位数据输出。数据模式选择高电平，12位一次输出；低电平，12位分两次输出：

先高8位，后低4位。

6.5

单片集成A／D转换器

A0：字节地址／短周期。在读数状态：若若

为高电平，则的状态不起作用。在转换状态：

当A0=0时，产生12位转换，转换周期为25s；

当A0=1时，产生8位转换，转换周期为16s。当A0=0时，输出高8位数；当A0=1时,输出低4位数，禁止高8位输出；为低电平6.5

单片集成A／D转换器

芯片选择。当

时，芯片被选中。读／转换信号：当

时，允许读取A／D转换结果；当时，允许启动A／D转换。CE芯片允许。CE=1允许转换或读A／D转换结果。6.5

单片集成A／D转换器

REF

OUT基准电压输出。REF

IN基准电压输入。如果REF

OUT通过电阻接至REF

IN，则可用来调量程。BIPOFF双极性补偿。若输入信号为双极性信号，则使用此脚；此脚还可用于调零点。6.5

单片集成A／D转换器

10VIN10V量程输入端。20VIN20V量程输入端。表6.4AD574A控制信号组合的作用CE工作状态0*11111

**00111****111****接+5V接地接地**01*01不工作不工作启动12位转换启动8位转换并行输出12位数字并行输出高8位数字并行输出低4位数字6.5

单片集成A／D转换器

⑷工作时序

AD574A工作状态启动转换数据读出启动转换过程CE上升沿6.5

单片集成A／D转换器

①在CE上升沿之前，先有

和这是比较好的启动方式。图6.14启动转换时序CECSR/CA0STSDB0～DB11≥300ns≥300ns≥250ns>0ns≥200ns≥200ns≥300ns<300ns25s为什么这样说？

因为如果和CE先有效，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。②当CE=1时，启动转换。 6.5

单片集成A／D转换器

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。低电平CE上升沿6.5

单片集成A／D转换器

图6.15AD574读数据时序CECSR/CA0STSDB0～DB11≥300ns≥150ns≥0ns≥150ns250ns≥50ns≥0ns≥50ns<350ns有效数据6.5

单片集成A／D转换器

⑸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6.5

单片集成A／D转换器

图6.16AD574工作方式的接法1+5V+15V7-15V11159W20.1KΩAD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND100KΩW1100KΩ0～10V0～20V(a)(a)单极性输入；AD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND151+5V7+15V11-15V9-5～5V-10～10V(b)(b)双极性输入0.1KΩ第6章模／数转换器6.6面对设计如何选择和使用A／D转换器1.如何确定A／D转换器的位数

应该考虑静态精度动态精度6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器⑴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A／D转换器位数有关。6.6

面对设计如何选择和使用A／D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89101112136.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器因此，取10～11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6.6

面对设计如何选择和使用A／D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eM和eq。则总误差的标准差为式中6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器由图6.23可知:ξ变化缓慢，eM减小不多。ξ↑，eM↓图6.23ξ与的关系eqeMeqeMξ0.10.30.50.70.91.01.11.21.31.4因此，取为0.3～0.5较为合适。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器总之，A／D转换器的精度应与测量装置的精度相匹配。确定位数①量化误差在总误差中所占比例要小。②根据测量装置的精度水平，合理提出位数要求。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器

目前，大多数测量装置的精度值不小于0.1%～0.5%，故A／D转换器的精度取0.05%～0.1%，相应的位数为10～11位，加上符号位，即为11～12位。⑵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。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器2.如何确定A／D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：6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器确定转换速率时，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A／D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。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器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6章模／数转换器6.7A／D转换器与微机接口

接口任务①转换器收到微机发出的转换指令，进行转换。②当微机发出取数指令时，转换结果存入微机内存。6.7A／D转换器与微机接口

1.接口设计中的问题

需要解决的问题有以下三个：⑴数据输出缓冲问题原因：计算机的数据总线是CPU与存储器、I／O设备之间传送数据的公共通道。

要求：A／D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。6.7A／D转换器与微机接口

当未被选中时，A／D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。6.7A／D转换器与微机接口

芯片不具备三态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。6.7A／D转换器与微机接口

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。⑵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。6.7A／D转换器与微机接口

作用：给出地址信号，就选通了A／D芯片。译码器与地址总线连接①系统采用内存映象I／O方式，需要全部地址线参与译码。②系统采用I／O映象方式，用部分低位地址线参与译码。内存映象——I／O不单独编址。I／O映象——I／O单独编址。6.7A／D转换器与微机接口

控制信号完成对A／D转换器的读写控制

不同微机其控制总线不相同：①8031单片机中，控制线共同控制A／D转换器的读／写操作。当时，执行写操作；当时，读操作。6.7A／D转换器与微机接口

②8088CPU的PC机中，控制线

共同控制A／D转换器的读／写操作。

在利用微机地址总线、控制总线对A／D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A／D转换器的控制要求。6.7A／D转换器与微机接口

在接有采样／保持器的数据采集系统中，要考虑采样／保持器、A／D转换器和CPU之间的时序配合问题。①用A／D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A／D转换与采样／保持器的协调。目的：通常做法：6.7A／D转换器与微机接口

②A／D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A／D转换之前采样／保持器已达到稳定状态，使A／D转换准确。目的：6.7A／D转换器与微机接口

⑶读出数据

需要解决的问题①A／D转换器与CPU的联络方式。②数据输出格式。联络方式联络—CPU与A／D转换器传送信息。6.7A／D转换器与微机接口

联络方式①查询方式。②中断方式。①查询方式查询方式—CPU不断查询A／D转换器的STS脚的电平变化。

因此，要将A／D转换器的转换状态STS脚接在微机I／O口的某一位上。传到D0三态缓冲器AD57480316.7A／D转换器与微机接口

P0.7P0.0...D11D4...D3D0...STSP2.7P2.0...地址译码器RD+图6.268031与AD574A接口电路中转换状态查询6.7A／D转换器与微机接口

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，A／D处于转换周期；D1=1，A／D转换结束。6.7A／D转换器与微机接口

②中断方式中断方式—A／D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。三态缓冲器6.7A／D转换器与微机接口

AD574A的转换结束信号STS经反相形成正脉冲去触发74LS74(D)触发器，图6.26AD574与PC总线中断联络方式接口电路来自AD574的STSDQ74LS074RS复位信号端口位X端口位Y至PC总线IRQ2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I／O端口位控制。6.7A／D转换器与微机接口

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。6.7A／D转换器与微机接口

数据输出格式数据输出格式①并行输出②串行输出

下面一段程序是IBM-PC／XT机从12位A／D转换器ADC1210读取数据的汇编程序。6.7A／D转换器与微机接口

ADC1210的数据输出端无三态缓冲器，故外接缓冲器1（设地址为