数据采集与处理

数据采集与处理第1页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理22.1D/A转换器D/A模拟量数字量第2页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理32.1D/A转换器数／模（D/A）转换器是一种把数字量转换成相应的模拟电压或电流的电子电路。随着微电子工业的发展，这类电路都已实现集成化了，D/A转换器常用于计算机系统的后向模拟量输出通道（简称模出），以便控制模拟量驱动的执行机构或其它装置。

第3页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理42.1.1R－2R梯形电阻网络D/A转换这是一种实用而且工作原理简明的梯形电阻网络D／A转换器。该电路利用运算放大器的虚短特性，使R－2R电阻网络的输出以短路方式工作。不论各开关处于何种状态，开关S1～Sn的各点电位均可认为0（虚地或实地）。

第4页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理5典型的R-2R梯形电阻网络D/A转换电路

第5页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理6观察图中从右到左之N、M、…、C、B、A各点，各点对地的电阻值均等于R。而从左到右分析，可得出各路的电流分配，其规律是IR／2，IR／4，IR／8，…，IR／2n-1，IR／2n，即电流满足按权分布的要求。考虑到模拟开关S1～Sn对总电流IΣ的控制作用，以及运放A的输入电流求和特性，可以得到：第6页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理7运算放大器A的输出电压为：R－2R梯形电阻网络的阻值品种只有R和2R两种，便于采用微电子工艺制造，这是它的优点。第7页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理82.1.2集成化D／A转换器MAX7534/MAX7535是美国MAXIM公司生产的高性能单片14位D/A转换器。MAX7534/MAX7535采用了高质量的晶片、激光校准、薄膜电阻和带温度补偿的NMOS开关等技术，确保了在整个工作温度范围内，器件有良好的线性和增益稳定性。

第8页，课件共82页，创作于2023年2月第9页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理10MAX7534接收8位数据总线的两个字节，而MAX7535接收分为高、低两个字节的14位数据总线的数据。所有数据的输入都与TTL和5VCOMS逻辑电平兼容。MAX7534/MAX7535可以单极性工作，另加部分元件也可以双极性DAC工作。两类器件都有保护CMOS寄存器的功能。都不需要使用外加的肖特基二极管保护。

第10页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理11MAX7534/MAX7535主要特点：

在整个工业温度范围内保持14位单调性；4象限乘法器；与μP兼容，双缓冲输入；增益温度漂移(2.5×10-6/℃)；全部温度范围内的低输入泄漏(<20nA)；低功耗；与TTL和CMOS兼容。第11页，课件共82页，创作于2023年2月MAX7534MAXIMD7-D0输入数据7-14DGNDVSSVDD1962018171516WRCSA1A0VINR1100_+A1RFBVDDREFR2C133pFVO+_34521IOUTAGNDSAGNDF模拟地(a)MAX7534的单极性工作电路图

第12页，课件共82页，创作于2023年2月MX7535MAXIMD13-D0输入数据8-21DGNDVSSVDD2672725242223WRCSLSBCSMSBLDACVINR120_+A1RFBVDDREFFR2C133pFVO+_45631IOUTAGNDSAGNDF模拟地2REFS10(b)MAX7535的单极性工作电路图

第13页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理14图中C1提供相位补偿，在用高速运放时还有助于抑制超调和振荡。要注意的是，输出电压的极性和基准输入相反。如果基准可以调节，可忽略R1和R2，通过改变基准电压幅度来调节满量程。第14页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理15在许多应用中，如果温度变化范围较小，DAC增益温度系数和增益误差指标对增益的影响可忽略，不需要调整增益。如需要调整增益或者是要DAC工作在一个宽温度范围内，则应采用低温漂(小于300×10-6/℃)的电阻。第15页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理16MAX7534/MAX7535在使用中要注意的几个问题：

1．补偿当DAC采用高速运放输出时，需要补偿电容C1。这个电容消除由DAC的输出电容和内部反馈电阻构成的极点。C1值根据采用运放的不同而不同，典型的电容值是从10pF到30pF。太小的电容值会产生输出振荡，太大的容抗又会使输出振幅衰减。应让PC板上的连接线尽可能的短，从而使得IOUT处的寄生电容尽可能的小，这样可减小C1的值并提高输出稳定性。第16页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理172．旁路在接近DAC的VDD和GND管脚处放置一个1μF的旁路电容，再与一个0.01μF的陶瓷电容相并联。1μF的钽电容可抑制高频噪声。在VSS处放一个4.7μF的去耦电容将减小DAC的输出泄漏电流。MAX7534/7535有高阻抗的数字输入端口。不使用时，为了减小噪声干扰，应通过高值电阻(1MΩ)将它们与VDD或GND相连，可防止静态电荷积累。浮空相当于电路没有连接一样。第17页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理183．运算放大器的选择输入失调电压(VOS)，输入偏置电流(IB)和失调电压漂移(TCVOS)是决定运放是否合适的三个关键参数。为保持VREF的10V精度，VOS应小于30μV，IB应小于2nA，开环增益应大于340,000（110dB）。MAX100有低的VOS(最大为10μV)，低的IB(2nA)和较低的TCVOS（最大为0.3μV/℃）,这种运放不需要调整就可用。OP27可用于中频，而HA-2620可用于较高的频率。但是这些运放都需要外加失调调整电路。

第18页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理192.2A/D转换器ADC模拟量数字量第19页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理202.2A/D转换器A/D转换是实现输入模拟电压与输出数字量代码成正比关系的一种转换。输出代码通常是二进制小数码、偏置二进制码或符号－数值二进制码，但也有采用BCD码输出的。 A/D转换器是将现场的信号经过一系列放大、滤波等处理的模拟量数据变换成一种适合数字处理的二进制码，模拟数字转换器是数据采集系统的核心。

第20页，课件共82页，创作于2023年2月

A/D转换器的分类

(1)序号分类方式类型l按器件工艺结构l、组件型A/D转换器2、混合（集成）电路型A/D转换器3、单片式A/D转换器（1）双极型（2）MOS型（3）双极－MOS型2按转换器工作原理l、积分型（间接型）A/D转换器(1)单积分型(2)双积分型(3)四重积分型(4)电荷平衡型(5)脉冲宽度调制型2、比较型（直接型）A/D转换器(1)反馈比较型(2)无反馈比较型(a)逐次比较型(a)并行比较型(b)跟踪比较型(b)串行比较型(c)串－并行比较型第21页，课件共82页，创作于2023年2月3按转换器精度l、低精度A/D转换器2、中精度A/D转换器3、高精度A/D转换器4、超高精度A/D转换器4按转换速率l、低速A/D转换器2、中速A/D转换器3、高速A/D转换器4、超高速A/D转换器

A/D转换器的分类(2)第22页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理23在早期，A/D转换器采用分立元器件或某些集成电路单元组件来设计，自由度大，可以任意选取市场上最适合的元器件或集成电路单元来满足转换器的精度、速度等方面的要求。但组件型转换器生产成本和售价过高，体积过大。第23页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理24单片式A/D转换器按照转换器内部所采用的有元器件－晶体管结构类型的不同，又可分为双极型，MOS型（主要是CMOS型）和双极－MOS兼容型三个类别，由于MOS的低功耗和易于大规模集成的特点，近年来CMOS型A/D转换器不断出现于市场。随着大规模集成电路技术发展，新一代的超高速，超高精度A／D转换器已出现，并朝着CMOS化、智能化发展。第24页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理25进入上个世纪90年代以来，由大规模集成电路构成的数字电压表（DVM）、数字多用表（DMM）、高档数字多用表、专用数字仪表已经大量问世。目前国内外生产的A/D转换器已有几百种，如单片A/D转换器、单片DMM专用IC（内含A/D转换器）、多重显示仪表专用IC、专供数字仪表使用的用户特制集成电路（ASIC）以及其他通用型A/D转换器。第25页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理262.2.1逐次逼近式A/D转换器逐次逼近式A／D转换器（SuccessiveApproximationA／DConverter）是一种转换速度较快，转换精度也较高的A／D转换器。目前常用的单片集成逐次逼近式A／D转换器分辨率为8～16位，一次转换时间在数微秒～百微秒范围内。第26页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理272.2.1逐次逼近式A/D转换器逐次逼近式A／D转换器被广泛地应用于中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统等领域中。这类转换器的缺点是抗干扰能力较积分式的差，价格也高于同精度的双积分式A／D转换器。第27页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理28这种转换技术的原理是建立在逐次“逼近”的基础上：将未知的被测电压Vi与已知的分档量化电压Vf由粗到细逐次比较，直到两者的差别小于某一误差范围之内才算结束（平衡）。平衡时，分档的量化电压所对应的数码，就等于被测电压之数字量。

第28页，课件共82页，创作于2023年2月第29页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理30第一次试探，在时钟fcp驱动下，环形计数器对数据寄存器的最高有效位（MSB）加码，建立100…0码。几乎与此同时，D／A转换器即把它转换成相应的模拟电压Vf1=1／2VR，反馈到比较器的比较端。经短时间间隔（一般为Tcp／2或者1Tcp）后，去码／留码逻辑电路对比较的结果作出去码或留码的差别与操作。如果Vi≥Vf1，应留码；如果Vi＜Vf1，则去码。第30页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理31第二次试探。在第二个时钟脉冲驱动下，环形计数器（移位寄存器）右移1位，并使数码寄存器次高位加码，建立X100··0码，此码的最高位X是1还是0，决定于前一次试探结果是Vi≥Vf1还是Vi＜Vf1。第二次试探D／A转换器产生的量化电压Vf2可能是3/4VR（对应Vi＞1/2VR。试探码为1100…0），或者是1/4VR（对应Vi＜1/2VR，试探码为0100…0）。同样在Tcp／2或者1Tcp之后，对Vi和Vf1比较结果作出判断与去码／留码操作。如果Vi≥Vf2，则次高位留码；如果Vi＜Vf2，则次高位去码。第31页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理32第三次试探。类似于第一次和第二次试探，所不同的是加码和去码／留码逻辑发生在数码寄存器的第三高位上。如此由高位到低位的试探，逐位进行，一直到最低位完成时为止。量化的反馈电压Vf一次比一次更逼近于Vi，到完成最低位的比较逻辑之后，（Vi-Vf）必小于1LSB所对应的模拟电压。第32页，课件共82页，创作于2023年2月第33页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理34假设VR=10.24V，被转换的电压Vi=8.30V。要求将Vi转换成8位二进制码。逐次逼近A／D转换的过程可以用上表说明之。在完成8次试探与比较逻辑之后，数据寄存器中所建立的最终数码11001111即为转换结果。实际上，此数码所对应的量化电压值Vf=8.28V，它与输入电压V。=8.30V，还相差0.02V。不过，两者的差值（误差）已小于1LSB所对应的量化电压0.04V了。

第34页，课件共82页，创作于2023年2月第35页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理36逐次逼近式A／D转换器的双极性电路可以用下面的电路图表示：第36页，课件共82页，创作于2023年2月逐次逼近逻辑寄存器半量程偏置第37页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理38如果在逐次逼近式A/D转换器中电路中加入半量程偏置，（R5支路），则传递特性将左移半量程，使A/D转换器变成可接收双极性电压输入了。由图可知，当逐次逼近到最后一位之后，比较器A1的⊕端电位已接近于0。如不考虑R4支路的1/2LSB偏置的作用，则：第38页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理39根据R1=R2=R3=R5／2=R=10kΩ，可得出：第39页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理40输出代码对应偏置二进制小数码，当输入电压Vi＝0时，输出码d1d2d3…d10=100…0;当输入电压Vi=-VR／2时，d1d2…d10=000…0；当输入电压Vi=VR／2—VR／1024时，输出码d1d2d3…d10=111…1。所以这种A/D转换器的量程为±VR/2，分辨率仍为（1/210）VR。第40页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理41注意：在逐次逼近式A/D转换过程中，输入电压不应有脉动变化，否则有可能出现严重超差；假设在第一次试探码过程中受到了干扰而使输入电压暂时下降到5.12V以下，导致了去码的操作。此后，即使输入电压恢复到8.30V，输出代码也顶多只能达到01111111，即以后的各次试探比较结果均为留码。它所对应的输入电压为5.08V。这种现象也说明了逐次逼近式A/D转换易受干扰影响。第41页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理42为了防止发生上述的这种差错，一般在逐次逼近式A/D转换器之前，需加接一个采样／保持器，以保证在A／D转换进行期间，输入电压不变化。

第42页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理43还要注意：由D/A转换器组成的逐次逼近式A/D转换器，必须注意到D/A转换的微分非线性误差应小于±1LSB。否则，有可能导致逐次逼近式A/D转换器存在着“失码”（missingcode）的现象，即在量程范围内，连续变化输入电压时，总会有某几个数码不出现。集成化逐次逼近式A/D转换器常可保证无失码（no－missingcode）的性能。第43页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理44集成化逐次逼近式A/D转换器AD574A，这是美国模拟器件公司（AnalogdevicesInc．）生产的一种高速12位A/D转换器，广泛用于微机控制的数据采集系统和智能仪器中。

集成化逐次逼近式A/D转换器第44页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理45AD574A由两片双极型器件集成电路组成，采用28脚双列直插式标准封装。电路中的D/A转换器部分引用了该公司的AD565A型高速12位单片集成D／A转换器成品，并增加了高精度的内部参考电压源和必要的内部电阻。第45页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理46AD565A采用了先进的薄膜电阻制造工艺，成品的电阻比值精度高，温度跟踪性能好，使A/D转换器的精度在全温度范围内（民品级0～＋70℃、军品级-55～＋125℃）达到了＜＋1/2LSB或±1LSB的水平。另一个芯片包括高性加电压比较器和全部数字逻辑电路。第46页，课件共82页，创作于2023年2月第47页，课件共82页，创作于2023年2月第48页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理492.2.2双积分式A/D转换器双积分式A／D转换器（DualSlopeIntegratingConverter）以其转换精度高、灵敏度高、抑制干扰能力强、造价低等突出优点而被广泛地应用于各类数字仪表和低速数据采集系统中。第49页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理502.2.2双积分式A/D转换器双积分式A／D转换器(不需要加SHA)的缺点是转换速度较低。通常低于每秒30次。这类转换器的输出数据常以BCD码或数码管七段码格式给出，以便与数字显示器件接口。第50页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理51典型的双积分式A/D转换电路的基本组成可以用下图表示。它的转换基本工作原理可以分成三个工作阶段（采样、回积、自校零）来描述。第51页，课件共82页，创作于2023年2月缓冲放大器积分器比较器逻辑电路第52页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理53第一阶段T1，模拟开关S1导通，其余各模拟开关断开，此阶段可称为（对输入电压积分）采样阶段。通常，在进入此阶段之前，积分器的输出已被复零。所以，当输入电压Vi为正时，积分器输出向负渐增；当输入Vi为负时，积分器输出向正渐增。第53页，课件共82页，创作于2023年2月采样阶段第54页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理55双积分式A／D转换原理采样阶段积分器输出电压的变化速率与输入电压成正比：第55页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理56双积分式A／D转换原理采样阶段所经历的时间T1（T1=t1－t0）是一常值。它常常以计数器对时钟脉冲fcp计数来确定。例如，计数器以0累计到N1所对应的时间N1×Tcp=N1／fcp作为T1，也就是说计数器从0计到N1所经历的时间作为对输入电压的积分阶段。第56页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理57双积分式A／D转换原理T1阶段结束时刻积分器之输出电压为：第57页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理58双积分式A／D转换原理式中之表示在Ti阶段中Vi之积分平均值，如果输入电压V1是常值，则=Vi。将T1=N1/fcp代入上式，即可得：

第58页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理59双积分式A／D转换原理第二阶段T2（T2=t2－t1），模拟开关S2或S3导通，其余开关断开。此阶段可称为对参考电压回积阶段。如果采样阶段T1中Vi＞0，则T2阶段S2导通，S3断开，使积分器之输出从一开始的-ViT1/RC回积到0V。反之，如果T1阶段中Vi＜0，则T2阶段S3导通，S2断开，使积分器之输出从一开始的+|Vi|T1/RC回积到0V。

第59页，课件共82页，创作于2023年2月回积阶段第60页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理61双积分式A／D转换原理VINT在T2阶段的波形如下图所示。由于T2阶段积分器对固定的参考电压积分，所以VINT之斜率不变。根据回积过程，T2阶段的时间长度决定于：

第61页，课件共82页，创作于2023年2月第62页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理63双积分式A／D转换原理即：整理得：第63页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理64双积分式A／D转换原理上式表明，在T1和VR均为常数时，T2与Vi的平均值成正比，实现了V／T转换。如果T2也用同一时钟脉冲fcp对计数器计数来测量，则在此阶段中计数器所累计的数N2=T2fcp。第64页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理65双积分式A／D转换原理将N2=T2fcp和N1=T1fcp，一起代入式：即可得出：第65页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理66双积分式A／D转换原理第三阶段T3，模拟开关S4和S5导通，其余断开。此阶段可称为复零与准备阶段。这是个辅助阶段，它要为本次转换作结束工作，为下次转换作好准备工作。

第66页，课件共82页，创作于2023年2月复零准备阶段第67页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理68双积分式A／D转换的

特性与参数选择

双积分式A/D转换器的一个重要特性是组成电路中需要的精密元件数量很少。

无论是积分器电阻R和电容C，还是时钟频率fcp，都被约掉，在最终的结果中都与它们无关。只要在一次转换的短时间过程中，它们没有变化，就不会对转换结果发生影响。

第68页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理69双积分式A／D转换的

特性与参数选择

可采用电容记忆动态校零或者寄存器记忆数字校零的补偿办法将运算放大器和电压比较器的失调、漂移影响抑制到很低的程度，从集成电路制造工艺上考虑，这种电路也易于实现CMOS单片集成化，生产出性能／价格比很高的单片集成A/D转换器。

第69页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理70双积分式A／D转换的

特性与参数选择

双积分式A/D转换器转换速率比较低，例如2～3次/s，只要在不到1s的时间内，R、C以及fcp，保持不变，(这不难做到)即使使用最普遍的金属膜电阻和涤纶电容等元件，就可以实现0.01～0.l％的转换精度。

第70页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理71双积分式A／D转换的

特性与参数选择

双积分式A/D转换器的另一重要特性是它对对称交流干扰或者尖峰脉冲干扰具有很强的抑制能力。如果在T1期间V1中存在着瞬时峰值很大而平均值很小的尖峰干扰，经积分低通滤波作用后，对T1阶段的积分终值影响可能很小，这样，最终产生的转换误差并不大，甚至可能微不足道。

第71页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理72双积分式A／D转换的

特性与参数选择

选择T1是干扰信号周期的整数倍，则T1末的积分终值均与此交流信号无关，而只取决于Vi中的直流成分。

第72页，课件共82页，创作于2023年2月0t0tT1T2Vi,VRVINTVi1Vi1-VR双积分式A／D转换对交流

干扰的抑制作用（1）第73页，课件共82页，创作于2023年2月0t0tT1T2Vi,VRVINTVi1Vi1-VR双积分式A／D转换对交流

干扰的抑制作用（2）第74页，课件共82页，创作于2023年2月2023年7月24日数据采集与处理75双积分式A／D转换对

交流干扰的抑制作用在实际电路中