AD转换讲解.ppt
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1SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.16.1AADD转换器的分类转换器的分类6.26.2AADD转换器的主要技术指转换器的主要技术指标标6.36.3逐次逼近式逐次逼近式AADD转换器转换器第第66章章模数转换器模数转换器6.56.5单片集成单片集成AADD转换转换器器6.66.6如何选择和使用如何选择和使用AADD转换转换器器6.76.7AADD转换器与微机的接转换器与微机的接口口2SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.16.1AADD转换器的分类转换器的分类第第第第66章模数转换器章模数转换器章模数转换器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3SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.16.1A/DA/D转换器的分类转换器的分类转换器的分类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。
4SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理第第第第66章模数转换器章模数转换器章模数转换器章模数转换器6.2A6.2ADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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:
5SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标)16(2nFSR分辨率量化单位就是AD转换器的分辨率。
相对分辨率定义为)26(%10021%100nFSR分辨率相对分辨率6SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标表6.1AD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)8101214162561024409616384655360.391%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AD转换器分辨率与位数之间的关系7SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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。
8SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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。
9SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标约定:
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)999.4997.421(绝对精度10SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标绝对误差一般在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%11SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的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。
12SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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。
13SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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。
14SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理Um2U(t)=sint6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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)Um2t0t1tCONVU图6.1转换时间对信号转换的影响由于ddmmUttUtfUft()coscos12215SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标在过零点上有最大值过零时,tn|cos|t1UtfUm16SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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)36(CONVmmtUftUfU由此可知:
当精度一定时,信号频率,tCONV;当信号频率一定,tCONV,U。
17SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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。
18SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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。
19SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理偏移偏移实际曲实际曲线线6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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)理想曲线理想曲线20SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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。
21SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理KK=1=1KK16.26.2AADD转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标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KUf,予以保留此位的“1”。
29SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.36.3逐次逼近式逐次逼近式逐次逼近式逐次逼近式AADD转换器转换器转换器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Uf512102427682.V,因UiUf,故保留此位“1”。
30SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.36.3逐次逼近式逐次逼近式逐次逼近式逐次逼近式AADD转换器转换器转换器转换器第三个时钟脉冲到来时,SAR状态置为状态置为11100000,经,经DA转换器产生反馈电压Uf768102428963.V,因Ui0ns200ns200ns300ns300ns25s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。
46SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.56.5单片集成单片集成单片集成单片集成AADD转换器转换器转换器转换器注意:
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。
47SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理低电低电平平CECE上升沿上升沿6.56.5单片集成单片集成单片集成单片集成AADD转换器转换器转换器转换器图6.15AD574读数据时序CECSR/CA0STSDB0DB11300ns150ns0ns150ns250ns50ns0ns50ns350ns有效数据有效数据48SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.56.5单片集成单片集成单片集成单片集成AADD转换器转换器转换器转换器工作方式选择工作方式单极性:
0xV,输出二进制码。
双极性:
-xV+xV,输出偏移二进制码49SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.56.5单片集成单片集成单片集成单片集成AADD转换器转换器转换器转换器图6.16AD574工作方式的接法1+5V+15V7-15V11159W20.1KAD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND100KW1100K010V020V(a)(a)单极性输入;AD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND151+5V7+15V11-15V9-55V-1010V(b)(b)双极性输入0.1K50SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理第第第第66章模数转换器章模数转换器章模数转换器章模数转换器6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器1.如何确定AD转换器的位数应该考虑静态精度动态精度51SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器转换器转换器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。
52SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器转换器转换器由图可知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891011121353SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器转换器转换器因此,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54SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器转换器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)106(M2q2Meeee式中)116()(12Mqee55SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器转换器转换器由图6.23可知:
5.0)1(Mqee,3.0)2(Mqee变化缓慢,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0.30.5较为合适。
56SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器转换器转换器总之,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。
57SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器转换器转换器目前,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。
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。
58SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器转换器转换器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:
转换时间转换速率159SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器转换器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。
60SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.66.6面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用面对设计如何选择和使用AADD转换器转换器转换器转换器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。
61SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理第第第第66章模数转换器章模数转换器章模数转换器章模数转换器6.7A6.7ADD转换器与微机接口转换器与微机接口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。
62SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口1.接口设计中的问题需要解决的问题有以下三个:
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。
63SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口当未被选中时,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。
64SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口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。
65SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口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。
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。
66SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口作用:
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。
67SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口控制信号完成对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、RDWR制AD转换器的读写操作。
当0WR时,执行写操作;当0RD时,读操作。
68SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口8088CPU的PC机机中,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。
69SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口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、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:
70SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口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:
71SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口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。
72SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口联络方式查询方式。
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脚接在微机IO口的某一位上。
73SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理传到D0三态缓冲器三态缓冲器AD57480316.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口P0.7P0.0.D11D4.D3D0.STSP2.7P2.0.地址地址译译码码器器RD+图6.268031与AD574A接口电路中转换状态查询74SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口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,AD处于转换周期;D1=1,AD转换结束。
75SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口中断方式中断方式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。
76SDUT数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理数据采集与处理三态缓冲器三态缓冲器6.76.7AADD转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口转换器与微机接口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来自AD574AD574的的STSSTSDQ74LS074RS复位信号复位信号端口位端口位XX端口位端口位YY至至PCPC总线总线IRQIRQ22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
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