第2章 多路開關(guān)采樣AD轉(zhuǎn)換誤差計(jì)算

1、編輯ppt都由傳感器、模擬信號(hào)調(diào)理電路、采樣電路三部分組成編輯ppt 模擬多路開關(guān)模擬多路開關(guān)(Analog switches)(Analog switches)也稱多路轉(zhuǎn)換也稱多路轉(zhuǎn)換器器(Multiplexer)(Multiplexer)，主要用于信號(hào)的切換，是輸入通道，主要用于信號(hào)的切換，是輸入通道的重要元件之一。當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)變化較為緩慢的模的重要元件之一。當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)變化較為緩慢的模擬量輸入時(shí)，常常利用模擬多路開關(guān)將各路模擬量分?jǐn)M量輸入時(shí)，常常利用模擬多路開關(guān)將各路模擬量分時(shí)與放大器、時(shí)與放大器、A ADD轉(zhuǎn)換器等接通，利用一片轉(zhuǎn)換器等接通，利用一片A AD D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器可完成多個(gè)模

2、擬輸入信號(hào)的依次轉(zhuǎn)換，提高硬件換器可完成多個(gè)模擬輸入信號(hào)的依次轉(zhuǎn)換，提高硬件電路的利用率，節(jié)省成本。電路的利用率，節(jié)省成本。 l分類為機(jī)械觸點(diǎn)式和集成模擬電子開關(guān)為機(jī)械觸點(diǎn)式和集成模擬電子開關(guān) 2.4 模擬多路開關(guān)模擬多路開關(guān)雙極性晶體管開關(guān)雙極性晶體管開關(guān) 場效應(yīng)晶體管開關(guān)場效應(yīng)晶體管開關(guān) 電電子子式式類類型型結(jié)型結(jié)型絕緣柵型絕緣柵型集成電路開關(guān)集成電路開關(guān)1. 多路開關(guān)工作原理多路開關(guān)工作原理雙極型晶體管開關(guān)雙極型晶體管開關(guān) +15V+15VT1T1T8T8.通道選擇1通道選擇8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模擬信號(hào)1模擬信號(hào)8圖圖3 3. .2 2 雙雙極極型型晶晶

3、體體管管開開關(guān)關(guān)電電路路其工作原理如下：其工作原理如下： 設(shè)選擇第設(shè)選擇第1路模擬信號(hào)。路模擬信號(hào)。 則令通道控制信號(hào)則令通道控制信號(hào)UC1= 0，晶體管，晶體管T1截止，截止，集電極為高電平，晶體管集電極為高電平，晶體管T1導(dǎo)通，輸入信號(hào)電壓導(dǎo)通，輸入信號(hào)電壓Ui1被選中。被選中。 同理：同理： 當(dāng)令通道控制信號(hào)當(dāng)令通道控制信號(hào)UC2= 0 時(shí)，則選時(shí)，則選中第中第2路模擬信號(hào)，路模擬信號(hào)， UO = Ui2 。 注意：注意： 在控制信號(hào)在控制信號(hào)UC1 UC8中不能同時(shí)有中不能同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上為兩個(gè)或兩個(gè)以上為0。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：電流控制器件，功耗大，集成度電流控制器件，功耗

4、大，集成度 低，一個(gè)方向傳送信號(hào)。低，一個(gè)方向傳送信號(hào)。漏電流大，開路電阻小，導(dǎo)通電漏電流大，開路電阻小，導(dǎo)通電 阻大。阻大。開關(guān)速度快。開關(guān)速度快。2. 場效應(yīng)管開關(guān)場效應(yīng)管開關(guān) 結(jié)型場效應(yīng)晶體管開關(guān)結(jié)型場效應(yīng)晶體管開關(guān).T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道選擇1通道選擇8UoR1828R11R21R圖圖3 3. .3 3 結(jié)結(jié)型型場場效效應(yīng)應(yīng)管管多多路路開開關(guān)關(guān)工作原理如下：工作原理如下：設(shè)選擇第設(shè)選擇第1路信號(hào)。路信號(hào)。 則令通道控制信號(hào)則令通道控制信號(hào)UC1=1，則開關(guān)控制管則開關(guān)控制管T1導(dǎo)通，集電導(dǎo)通，集電極為低電平，場效應(yīng)管極為低電平，場效應(yīng)管T1導(dǎo)導(dǎo)通，通，UO=Ui1

5、 。 當(dāng)當(dāng)UC1 =0時(shí)，時(shí)， T1截止，截止， T1也截止，第也截止，第1路輸入信號(hào)被路輸入信號(hào)被切斷。切斷。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：開關(guān)切換速度快，導(dǎo)通電阻小，可開關(guān)切換速度快，導(dǎo)通電阻小，可兩個(gè)方向傳送信號(hào)。兩個(gè)方向傳送信號(hào)。 為分立元件，需專門的電平轉(zhuǎn)換電為分立元件，需專門的電平轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)，使用不方便。路驅(qū)動(dòng)，使用不方便。+4V+4V-20V-20VT1T1T8T8R11R21R18R28UoUi1UC1Ui8UC8. 其工作原理與結(jié)其工作原理與結(jié)型場效應(yīng)管多路開關(guān)型場效應(yīng)管多路開關(guān)類似。類似。 絕緣柵場效應(yīng)管開關(guān)絕緣柵場效應(yīng)管開關(guān)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：3. 集成電路開關(guān)集成電路開

6、關(guān)集成電路開關(guān)集成電路開關(guān) 將多路開關(guān)、計(jì)數(shù)器、將多路開關(guān)、計(jì)數(shù)器、譯碼器制造在一個(gè)芯譯碼器制造在一個(gè)芯片上。片上。 開關(guān)切換速度快，導(dǎo)通電阻小，且開關(guān)切換速度快，導(dǎo)通電阻小，且隨信號(hào)電壓變化波動(dòng)??；易于和驅(qū)隨信號(hào)電壓變化波動(dòng)??；易于和驅(qū)動(dòng)電路集成。動(dòng)電路集成。襯底要有保護(hù)電壓。襯底要有保護(hù)電壓。 12315 16.四-十六線譯碼器四位計(jì)數(shù)器T1T2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U計(jì)數(shù)23222120.圖圖3 3. .5 5 集集成成多多路路開開關(guān)關(guān)工作原理如下：工作原理如下： 設(shè)選擇第設(shè)選擇第1路輸入信號(hào)，路輸入信號(hào)，則計(jì)算機(jī)輸出一個(gè)則計(jì)算機(jī)輸出一個(gè)4位二進(jìn)位二進(jìn)制碼，

7、把計(jì)數(shù)器置成制碼，把計(jì)數(shù)器置成0001狀態(tài)，經(jīng)四狀態(tài)，經(jīng)四 十六線十六線譯碼器后，第譯碼器后，第1根線輸出高根線輸出高電平，場效應(yīng)管電平，場效應(yīng)管T1導(dǎo)通，導(dǎo)通， UO= Ui1 ，選中第，選中第1路信號(hào)。路信號(hào)。 如果要連續(xù)選通第如果要連續(xù)選通第1路到路到第第3路的信號(hào)，可以在計(jì)數(shù)器路的信號(hào)，可以在計(jì)數(shù)器加入計(jì)數(shù)脈沖，每加入一次加入計(jì)數(shù)脈沖，每加入一次脈沖，計(jì)數(shù)器加脈沖，計(jì)數(shù)器加1，狀態(tài)依次，狀態(tài)依次變?yōu)樽優(yōu)?0001，0010，0011。編輯ppt2.4.1模擬多路開關(guān)的性能指標(biāo)1、通道數(shù)量。、通道數(shù)量。集成模擬開關(guān)通常包括多個(gè)通道，通道數(shù)量對傳輸信號(hào)的精度和開關(guān)切換速率有直接的影響，通道

8、數(shù)量越多，寄生電容和泄漏電流越大。2、泄漏電流。、泄漏電流。指開關(guān)斷開時(shí)流過模擬開關(guān)的電流。一個(gè)理想的開關(guān)要求導(dǎo)通時(shí)電阻為零，斷開時(shí)電阻趨于無限大，漏電流為零。但由于實(shí)際開關(guān)斷開時(shí)電阻不為無限大，導(dǎo)致泄漏電流不為零。一般希望泄漏電流越小越好。3、導(dǎo)通電阻。、導(dǎo)通電阻。指開關(guān)閉合時(shí)的電阻。導(dǎo)通電阻會(huì)損失信號(hào)，使精度降低，尤其是當(dāng)開關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低阻抗時(shí)損失會(huì)更大。因此，導(dǎo)通電阻的一致性越好，系統(tǒng)在采集各路信號(hào)時(shí)由開關(guān)引起的誤差越小。編輯ppt4、開關(guān)速度。、開關(guān)速度。指開關(guān)接通或斷開的速度。對于頻率 較高的信號(hào)，要求模擬開關(guān)的切換速度快，同時(shí)還應(yīng)考慮與后級(jí)采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器的速度相適應(yīng)，從

9、而以最優(yōu)的性能價(jià)格比選擇器件。 除上述指標(biāo)外，芯片的電源電壓范圍也是一個(gè)重要參數(shù)，它與開關(guān)的導(dǎo)通電阻和切換速度等有直接關(guān)系。電源電壓越高，切換速度越快，導(dǎo)通電阻越小。反之，導(dǎo)通電阻越大。 2.4.2集成模擬多路開關(guān)集成模擬多路開關(guān) 目前已有多種型號(hào)的集成模擬多路開關(guān)，如CD4051（雙向、8路）、CD4052（單向、差動(dòng)4路）、AD7501（單向、8路）、AD7506（單向、16路）等。它們功能 相似，僅在某些參數(shù)和性能指標(biāo)上有所差異。 12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC圖圖3 3. .6 6 A AD D7 7

10、5 51 10 0芯芯片片 芯片中無譯碼芯片中無譯碼器，四個(gè)通道開關(guān)器，四個(gè)通道開關(guān)都有各自的控制端。都有各自的控制端。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：每一個(gè)開關(guān)可單獨(dú)通斷，也可同每一個(gè)開關(guān)可單獨(dú)通斷，也可同時(shí)通斷，使用方式比較靈活。時(shí)通斷，使用方式比較靈活。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：引腳較多，使得片內(nèi)所集成的開關(guān)較少。引腳較多，使得片內(nèi)所集成的開關(guān)較少。當(dāng)巡回檢測點(diǎn)較多時(shí)，控制復(fù)雜。當(dāng)巡回檢測點(diǎn)較多時(shí)，控制復(fù)雜。 2. 有譯碼器的多路開關(guān)有譯碼器的多路開關(guān) AD7501（AD7503） 編輯ppt2 2、八通道單向模擬多路開關(guān)、八通道單向模擬多路開關(guān)AD7501AD7501AD7501是一種8路輸入、一路輸出的CMOS集成

11、芯片，導(dǎo)通電阻為170300，漏電流為0.22nA，導(dǎo)通截止時(shí)間典型值為0.8s，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖2.25所示 AD7501內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖 表表3.1 AD7501真值表真值表 A2A1A0EN 導(dǎo)通導(dǎo)通 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 無無 AD7503 除除EN 端的控制邏輯電平相端的控制邏輯電平相反外反外, , 其它與其它與AD7501相同。相同。 AD7502 電平轉(zhuǎn)換ENA1A0UDD(+15V)12345678910111213141516A1G

12、NDENS8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7502OUT(1 4)(5 8).譯碼驅(qū)動(dòng)OUTS8S1USS(-15V)地SS45OUT圖圖3 3. .8 8 A AD D7 75 50 02 2芯芯片片結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及引引腳腳功功能能表表3.2 AD7502真值表真值表 A1A0EN 接通通道接通通道 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1和和5 2和和6 3和和7 4和和8 無無編輯ppt2、八通道雙向模擬多路開關(guān)CD4051 CD4051 CD4051為為8 8 通道單刀結(jié)構(gòu)形式，允許雙向使用通道單刀結(jié)構(gòu)形式，允許雙向使用，可用于多到一的切換輸出，也可用

13、于一到多的切換，可用于多到一的切換輸出，也可用于一到多的切換輸出。輸出。圖圖2.26 CD4051內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖下 頁上 頁返 回編輯pptCD4501真值表 INH C B A 接通通道 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 無編輯ppt 其中其中VEEVEE是負(fù)電源端，用于電平移位。當(dāng)是負(fù)電源端，用于電平移位。當(dāng)VSS=0VVSS=0V時(shí)，使得在單組電源供電條件下工作的時(shí)，使得在單組電源供電條件下工作的CMOSCMOS電路所提供的數(shù)

14、字信號(hào)能直接控制開關(guān)，切電路所提供的數(shù)字信號(hào)能直接控制開關(guān)，切換幅度在換幅度在VEEVEE到到VDDVDD之間的模擬信號(hào)，最大峰之間的模擬信號(hào)，最大峰峰峰值達(dá)值達(dá)15V15V。典型電平移位連接方法如圖。典型電平移位連接方法如圖2.272.27所示所示 圖2.27 典型電平移位連接圖下 頁上 頁返 回編輯ppt3 3、雙四路模擬開關(guān)、雙四路模擬開關(guān)CD4052CD4052 CD4052 CD4052相當(dāng)于一個(gè)雙刀四擲開關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相當(dāng)于一個(gè)雙刀四擲開關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能如圖引腳功能如圖2.282.28所示。所示。 圖2.28 CD4052內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖 下 頁上 頁返 回23SDUT表表3

15、.4 CD4502真值表真值表 輸輸 入入 接通通道接通通道 A B X Y 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 2 2 3 3 均不通均不通INH編輯ppt2.4.3模擬開關(guān)的通道擴(kuò)展 實(shí)際使用中，有時(shí)輸入模擬信號(hào)數(shù)量較多，一片模擬開關(guān)不夠用，需要使用多個(gè)集成模擬開關(guān)進(jìn)行通道擴(kuò)展，以滿足使用要求。圖2.29為利用兩片CD4051將8路開關(guān)擴(kuò)展成16路開關(guān)的原理圖。 圖2.29 模擬開關(guān)通道擴(kuò)展連接圖下 頁上 頁返 回編輯ppt2.5.1采樣保持器原理采樣是對模擬信號(hào)周期性的抽取樣值，使模擬信號(hào)變成時(shí)間上離散的脈沖串，采樣值的大小取決于采樣時(shí)間內(nèi)輸入模擬信號(hào)的大

16、小。采樣定義：下 頁上 頁返 回2.5 2.5 采采 樣樣 保保 持持 器器編輯ppt單片機(jī)6.4.2 采樣-保持電路 26一、香農(nóng)采樣定理：一、香農(nóng)采樣定理： 為了能正確無誤地用取樣為了能正確無誤地用取樣信號(hào)信號(hào)vs表示模擬信號(hào)表示模擬信號(hào)vI，取樣信，取樣信號(hào)必須有足夠高的頻率?？梢蕴?hào)必須有足夠高的頻率?？梢宰C明，為了保證從取樣信號(hào)將證明，為了保證從取樣信號(hào)將原來的被取樣信號(hào)恢復(fù)，必須原來的被取樣信號(hào)恢復(fù)，必須滿足滿足(max)2sifffs取樣頻率取樣頻率fi(max)為輸入模擬信號(hào)為輸入模擬信號(hào)vI I的最高頻率分量的頻率。的最高頻率分量的頻率。編輯ppt6.4.2 采樣-保持電路 2

17、7二、取樣二、取樣保持電路保持電路 取樣控制信號(hào)取樣控制信號(hào)vL為高為高電平時(shí)電平時(shí)T導(dǎo)通，輸入信號(hào)導(dǎo)通，輸入信號(hào)vI經(jīng)經(jīng)RI和和T向向CH充電。取充電。取R1=RF，則充電結(jié)束后，則充電結(jié)束后vO=vC=-vI。 當(dāng)當(dāng)vL返回低電平后，返回低電平后，T截截止，止，CH上的電壓在一段時(shí)間上的電壓在一段時(shí)間內(nèi)基本保持不變，取樣結(jié)果內(nèi)基本保持不變，取樣結(jié)果被保存下來。被保存下來。編輯ppt下 頁上 頁返 回A為理想運(yùn)算放大器，CH為保持電容，T為場效應(yīng)管HC常見的采樣-保持電路編輯ppt下 頁上 頁返 回當(dāng)S為高電平（S=1）時(shí)： 場效應(yīng)管T導(dǎo)通，輸入模擬信號(hào)Vi對保持電容CH充電， 當(dāng)S=1的持

18、續(xù)時(shí)間tw遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容CH的充電時(shí)間常數(shù) 時(shí)，在tw時(shí)間內(nèi)， CH上的電壓Vc跟隨輸入電壓Vi的變 化，使輸出電壓Vo=Vc=Vi，這段時(shí)間為采樣時(shí)間。當(dāng)S為低電平（S=0）時(shí)： 場效應(yīng)管T截止，由于電壓跟隨器的輸入阻抗很高，存 儲(chǔ)在上CH的電荷不會(huì)泄露，CH上的電壓Vc保持不變， 使輸出電壓Vo能保持采樣結(jié)束瞬時(shí)的電壓值，這段時(shí) 間為保持時(shí)間。采樣-保持電路工作過程編輯ppt下 頁上 頁返 回采樣和保持電路輸出隨輸入變化波形采樣脈沖的頻率即采樣頻率fs 越高，采樣越密，采樣值越多，采樣信號(hào)的包絡(luò)線越接近輸入信號(hào)的波形編輯ppt下 頁上 頁返 回將采樣保持電路的元器件集成在一片芯片上可構(gòu)成集成

19、采樣保持器(Sample and Holder)。集成采樣保持器種類很多，常用的集成芯片有LF198/298/398、AD582等。其中LF198/298/398這三種芯片工作原理相同，僅參數(shù)有所差異。2.5.2 集成采樣保持器編輯ppt下 頁上 頁返 回兩個(gè)運(yùn)算放大器接成電壓跟隨器，S是模擬開關(guān)。當(dāng)邏輯控制端IN（+）為“1”時(shí)S閉合，輸出跟隨輸入變化，處于采樣狀態(tài)；當(dāng)IN（+）為“0”時(shí)，S斷開，輸出不隨輸入而變化，呈保持狀態(tài)。LF398內(nèi)部結(jié)構(gòu)編輯pptLF398的典型連接方法2腳接1k電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓；7腳接地，8腳接控制信號(hào)。當(dāng)控制信號(hào)大于1.4V時(shí)，LF398處于采樣狀態(tài)；當(dāng)

20、控制信號(hào)為低電平時(shí)，處于保持狀態(tài)。編輯ppt下 頁上 頁返 回6腳外接保持電容保持電容可選用漏電流小的聚苯乙烯電容、云母電容或聚四氟乙烯電容，其數(shù)值直接影響采樣時(shí)間及保持精度。增加保持電容CH的容量可提高精度，但會(huì)使采樣時(shí)間加長。當(dāng)精度要求不高（1%）而速度要求較高時(shí)，CH可小至100pF。當(dāng)精度要求高（0.01%），如與12位A/D相配合時(shí)，為減小下降誤差和干擾，應(yīng)取CH1000pF。LF398的典型連接方法編輯ppt下 頁上 頁返 回2.5.3 采樣保持器主要性能指標(biāo)當(dāng)采樣保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)時(shí)，采樣保持器的輸出從保持狀態(tài)的值變到當(dāng)前的輸入值所需的時(shí)間。如圖2.34所示。捕捉時(shí)間捕

21、捉時(shí)間tAC（Acquisition Time）保持指令發(fā)出瞬間到模擬開關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時(shí)間。是由模擬開關(guān)從閉合到完全斷開需要一定的時(shí)間，當(dāng)接到保持指令時(shí)，采樣/保持器的輸出并不保持在指令發(fā)出瞬時(shí)的輸入值上，而會(huì)跟著輸入變化一段時(shí)間。 孔徑時(shí)間孔徑時(shí)間tAP（Aperture Time）編輯ppt下 頁上 頁返 回孔徑時(shí)間的變化范圍，即孔徑時(shí)間不是恒定的，而是在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化的。開關(guān)斷開時(shí)，CH上的值不穩(wěn)定，在tAP后，輸出還有一段波動(dòng)，經(jīng)過一段穩(wěn)定時(shí)間（tST）后才保持穩(wěn)定。為了量化的準(zhǔn)確，應(yīng)在發(fā)出保持指令后延遲一段時(shí)間（延遲時(shí)間應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間），再啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換?？讖讲欢〞r(shí)間孔徑不定時(shí)間t

22、AP（Aperture Jitter）孔徑誤差孔徑誤差采樣保持器實(shí)際保持的輸出值與理想輸出值之差。編輯ppt下 頁上 頁返 回在保持狀態(tài)下，由于保持電容器上電荷的泄漏而使保持電壓下降。在集成芯片中，通常用泄漏電流來表示；也可用電壓下降率來表示，保持電壓的下降率計(jì)算公式為：)S/V(CItVHS保持電壓下降率編輯ppt第三節(jié)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個(gè)模擬量泛指電壓、電阻、電流、時(shí)間件，這個(gè)模擬量泛指電壓、電阻、電流、時(shí)間等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓

23、而言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般用一個(gè)稱為量子用一個(gè)稱為量子Q的基本單位來度量。的基本單位來度量。 編輯ppt圖圖3.15 量化特性及量化誤量化特性及量化誤差差 編輯ppt圖圖3.16 理想理想ADC的傳輸特性和量化誤的傳輸特性和量化誤差差 編輯ppt A/D轉(zhuǎn)換器常用技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)換器常用技術(shù)指標(biāo)： (1) 分辨率分辨率 定義為定義為ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。一般都簡單地用A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)n表示。最低有效位值最低有效位值1LSB：一個(gè)n位的A/D轉(zhuǎn)換器可分辨出輸入變量的滿量程值的1/2

24、n，1/2n稱為1LSB（LeastSignificantBit，是數(shù)字量的最低有效位所表示的模擬量）。系統(tǒng)滿刻度值的百分?jǐn)?shù)系統(tǒng)滿刻度值的百分?jǐn)?shù)%FSR：等于1LSB。位數(shù) 分辨率 n 1LSB 滿刻度（近似） 8 10 11 12 14 15 16 1/256 1/1024 1/2048 1/4096 1/16384 1/32768 1/65536 0.4 0.1 0.05 0.024 0.006 0.003 0.0015 編輯ppt (2) 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間定義為轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間定義為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。轉(zhuǎn)換時(shí)間，是轉(zhuǎn)換速率的倒

25、數(shù)。 采用同種電路技術(shù)的采用同種電路技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間與分辨轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間與分辨率有關(guān)，一般地，分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長。率有關(guān)，一般地，分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長。轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，A/D轉(zhuǎn)換器適應(yīng)輸入信號(hào)快速轉(zhuǎn)換器適應(yīng)輸入信號(hào)快速變化的能力越強(qiáng)。變化的能力越強(qiáng)。各種類型各種類型A/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間有所不同。最短的是全轉(zhuǎn)換時(shí)間有所不同。最短的是全并行型并行型A/DA/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為5 550ns50ns；其次是；其次是逐次比較型逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為0.4s0.4s左右；左右；再次是逐次逼近型再次是逐次逼

26、近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器；較慢的是雙積分型轉(zhuǎn)換器；較慢的是雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 編輯ppt（4）轉(zhuǎn)換精度）轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換精度可以用兩種方式來表示：轉(zhuǎn)換精度可以用兩種方式來表示：（1）絕對精度：在一個(gè)轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應(yīng)）絕對精度：在一個(gè)轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應(yīng)的實(shí)際模擬電壓與其理想電壓值之差都不是一個(gè)常數(shù)，把的實(shí)際模擬電壓與其理想電壓值之差都不是一個(gè)常數(shù)，把這個(gè)差的最大值定義為絕對精度。對于這個(gè)差的最大值定義為絕對精度。對于A/D轉(zhuǎn)換而言，可轉(zhuǎn)換而言，可以在每一個(gè)階梯的水平中心點(diǎn)進(jìn)行測量，用最低有效位以在每一個(gè)階梯的水平中心點(diǎn)進(jìn)行測量，用最低有效位（LSB）的倍數(shù)表示，如

27、）的倍數(shù)表示，如 等。等。（2）相對精度：與絕對精度相似，所不同的是把這）相對精度：與絕對精度相似，所不同的是把這個(gè)最大偏差表示為滿刻度模擬電壓的百分?jǐn)?shù)，或者用二進(jìn)個(gè)最大偏差表示為滿刻度模擬電壓的百分?jǐn)?shù)，或者用二進(jìn)制數(shù)來表示相對應(yīng)的數(shù)字量。通常用絕對精度除以滿量程制數(shù)來表示相對應(yīng)的數(shù)字量。通常用絕對精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)來表示相對精度。值的百分?jǐn)?shù)來表示相對精度。 LSB21編輯ppt（5）線性度）線性度線性度有時(shí)又稱為非線性度線性度有時(shí)又稱為非線性度(NonLinearity)，它是，它是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際的輸入指轉(zhuǎn)換器實(shí)際的輸入/輸出特性與理想的輸入輸出特性與理想的輸入/輸出特性的輸出特性的最大

28、偏移量與滿刻度輸出之比。最大偏移量與滿刻度輸出之比。與線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個(gè)與線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的常用術(shù)語是轉(zhuǎn)換的常用術(shù)語是失碼（失碼（MissingCode）或跳碼（）或跳碼（SkippedCode），也叫），也叫做非單調(diào)性。所謂失碼，就是有些數(shù)字碼不可能在做非單調(diào)性。所謂失碼，就是有些數(shù)字碼不可能在A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的輸出端出現(xiàn)，即被丟失（或跳過）了。例如，當(dāng)換器的輸出端出現(xiàn)，即被丟失（或跳過）了。例如，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的傳輸特性如圖轉(zhuǎn)換器的傳輸特性如圖4.2所示時(shí)，所示時(shí)，011碼被丟失。碼被丟失。A/D轉(zhuǎn)換的線性度誤差的來源及特性與轉(zhuǎn)換器采用的轉(zhuǎn)換的線性度誤差的來源及特性與

29、轉(zhuǎn)換器采用的電路技術(shù)有關(guān)，它們是難以用外電路加以補(bǔ)償?shù)摹ｋ娐芳夹g(shù)有關(guān)，它們是難以用外電路加以補(bǔ)償?shù)摹?編輯ppt圖4.2A/D轉(zhuǎn)換的失碼現(xiàn)象編輯ppt（6）溫度對誤差的影響）溫度對誤差的影響環(huán)境溫度的改變會(huì)造成偏移、增益和線性度誤差的環(huán)境溫度的改變會(huì)造成偏移、增益和線性度誤差的變化。當(dāng)變化。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器必須工作在溫度變化的環(huán)境中時(shí)，這轉(zhuǎn)換器必須工作在溫度變化的環(huán)境中時(shí)，這些誤差的溫度系數(shù)將是一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)。溫度系數(shù)些誤差的溫度系數(shù)將是一個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)。溫度系數(shù)是指溫度改變是指溫度改變1時(shí)誤差的改變量與滿量程輸入模擬電壓時(shí)誤差的改變量與滿量程輸入模擬電壓的比值，常用的比值，常用10-6/

30、表示。表示。編輯ppt常用AD轉(zhuǎn)換器介紹1、ADC0809的工作原理及應(yīng)用的工作原理及應(yīng)用ADC0809是8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出的逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換芯片。芯片的主要部分是一個(gè)8位的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。 編輯ppt圖4.3ADC0809的原理結(jié)構(gòu)圖為了能實(shí)現(xiàn)為了能實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的分時(shí)采集，在芯片內(nèi)部設(shè)置了多路模擬開關(guān)、通道地址鎖存和路模擬信號(hào)的分時(shí)采集，在芯片內(nèi)部設(shè)置了多路模擬開關(guān)、通道地址鎖存和譯碼電路，能對多路模擬信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集和轉(zhuǎn)換。譯碼電路，能對多路模擬信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集和轉(zhuǎn)換。編輯ppt ADC0809是典型的是典型的8位位8通道逐次逼近式通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器，

31、換器，CMOS工藝，可實(shí)現(xiàn)工藝，可實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的分時(shí)采路模擬信號(hào)的分時(shí)采集，片內(nèi)有集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s左右左右。ADC0809工作原理工作原理編輯pptADC0809工作原理 IN0IN7：模擬量輸入通道，要求信號(hào)單極性，：模擬量輸入通道，要求信號(hào)單極性，電壓范圍電壓范圍05V。信號(hào)過小需放大，轉(zhuǎn)換過程中其值。信號(hào)過小需放大，轉(zhuǎn)換過程中其值不應(yīng)變化，對速度快的信號(hào)要加采樣保持電路。不應(yīng)變化，對速度快的信號(hào)要加采樣保持電路。編輯ppt 地址線地址線ABC：C為高位，為高

32、位，A為低位，按大小為低位，按大小順序從小到大依次對應(yīng)選擇的通道順序從小到大依次對應(yīng)選擇的通道IN0IN7。CBACH000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809工作原理工作原理編輯ppt ALE：地址鎖存允許信號(hào)，對應(yīng)：地址鎖存允許信號(hào)，對應(yīng)ALE上跳沿上跳沿，ABC地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。ADC0809工作原理工作原理編輯ppt START：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，：轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，START上跳沿時(shí)，上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清所有內(nèi)部寄存器清“0”；START下跳沿時(shí)，開始進(jìn)下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行行A/D轉(zhuǎn)換；

33、轉(zhuǎn)換期間，轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換期間，START保持低電平不變。保持低電平不變。ADC0809工作原理工作原理編輯ppt D7D0：數(shù)據(jù)輸出線，三態(tài)緩沖形式，可與單：數(shù)據(jù)輸出線，三態(tài)緩沖形式，可與單片機(jī)直接相連。片機(jī)直接相連。D7是最高位，是最高位，D0是最低位。是最低位。ADC0809工作原理工作原理編輯ppt OE：輸出允許信號(hào)，控制三態(tài)輸出鎖存器：輸出允許信號(hào)，控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)；據(jù)線呈高阻態(tài)；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。ADC0809工作原理工作原理編輯ppt CLK：時(shí)鐘信號(hào)，需提

34、供：時(shí)鐘信號(hào)，需提供500kHz的時(shí)鐘信號(hào)才的時(shí)鐘信號(hào)才能工作。能工作。ADC0809工作原理工作原理編輯ppt EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。EOC=0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中，該狀態(tài)信號(hào)既可以作，轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中，該狀態(tài)信號(hào)既可以作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可以作為中斷請求信號(hào)使用。為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可以作為中斷請求信號(hào)使用。編輯ppt VCC：+5V電源。電源。VREF參考電源；參考電源；VREF(+)為為+5V， VREF(-)為為0V。ADC0809工作原理工作原理編輯ppt2 2、AD574AAD574A的工作原理及應(yīng)用的工作原理及應(yīng)用AD57

35、4A是12位A/D轉(zhuǎn)換器，按逐次逼近式工作，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為25ps。片內(nèi)具有4位三段三態(tài)門輸出，可直接掛在8位或16位微機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。AD574A可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保持線性并不丟碼，內(nèi)有高穩(wěn)定時(shí)鐘及齊納二極管穩(wěn)定電源（Veer：10V），采用28引腳塑料或陶瓷雙列直插式封裝，功耗較低（390mW）。 編輯ppt(三三) -型型ADC高精度的高精度的A/D變換器變換器1 1、采用了過采樣技術(shù)和、采用了過采樣技術(shù)和-調(diào)制技術(shù)；調(diào)制技術(shù)；2 2、采用數(shù)字濾波和采樣抽取技術(shù)。、采用數(shù)字濾波和采樣抽取技術(shù)。增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬電路的比例，并且

36、易于與數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片電路的比例，并且易于與數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片集成。集成。能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高精度能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高精度的的A/D變換器，適應(yīng)了變換器，適應(yīng)了VLSI技術(shù)發(fā)展的要求。技術(shù)發(fā)展的要求。 編輯ppt 如如CS5360芯片，是一種高性能芯片，是一種高性能24位立體聲音位立體聲音頻頻A/D轉(zhuǎn)換芯片。轉(zhuǎn)換芯片。(三三) -型型ADC高精度的高精度的A/D變換器變換器編輯ppt V/F轉(zhuǎn)換器也稱為壓控振蕩電路，電壓轉(zhuǎn)換器也稱為壓控振蕩電路，電壓頻率轉(zhuǎn)換是一種模擬量頻率轉(zhuǎn)換是一種模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。 當(dāng)模擬信號(hào)（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，當(dāng)模擬信號(hào)（

37、電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出是轉(zhuǎn)換器的輸出是一串頻率正比于模擬信號(hào)幅值的矩形波一串頻率正比于模擬信號(hào)幅值的矩形波，顯然數(shù)據(jù)是串行的。這與，顯然數(shù)據(jù)是串行的。這與目前通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行輸出不同，然而其分辨率卻可以很高。目前通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行輸出不同，然而其分辨率卻可以很高。 串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)字控制系統(tǒng)中很有用，可把模擬量誤差串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)字控制系統(tǒng)中很有用，可把模擬量誤差信號(hào)變成與之成正比的脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)式伺服機(jī)構(gòu)用來精密信號(hào)變成與之成正比的脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)式伺服機(jī)構(gòu)用來精密控制?？刂?。 V/FV/F轉(zhuǎn)換器是青島晶體管研究所生產(chǎn)的電路。轉(zhuǎn)換器是青島晶體管

38、研究所生產(chǎn)的電路。電壓頻率轉(zhuǎn)換也可稱為伏頻轉(zhuǎn)換，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)后，電壓頻率轉(zhuǎn)換也可稱為伏頻轉(zhuǎn)換，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)后，可以明顯地增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，也利于遠(yuǎn)距離的傳輸?？梢悦黠@地增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，也利于遠(yuǎn)距離的傳輸。通過和通過和單片機(jī)的計(jì)數(shù)器接口，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器接口，可以實(shí)現(xiàn)ADAD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。(四四) V/F型型ADC編輯ppt(四四) V/F型型ADC如芯片如芯片V/F-F/V AD650 在現(xiàn)場信號(hào)檢測中，為保證單片機(jī)系統(tǒng)安全，經(jīng)常遇到信號(hào)隔在現(xiàn)場信號(hào)檢測中，為保證單片機(jī)系統(tǒng)安全，經(jīng)常遇到信號(hào)隔離傳送問題。如圖，現(xiàn)場信號(hào)經(jīng)傳感器檢測放大后，送入離傳送問題。如

39、圖，現(xiàn)場信號(hào)經(jīng)傳感器檢測放大后，送入AD650組成的組成的V/F轉(zhuǎn)換部分，變?yōu)榉确€(wěn)定的脈沖信號(hào)，經(jīng)光電耦合器隔轉(zhuǎn)換部分，變?yōu)榉确€(wěn)定的脈沖信號(hào)，經(jīng)光電耦合器隔離傳送，該脈沖再經(jīng)離傳送，該脈沖再經(jīng)AD650組成的組成的F/V轉(zhuǎn)換部分將模擬電壓復(fù)原轉(zhuǎn)換部分將模擬電壓復(fù)原，再送入單片機(jī)系統(tǒng)。，再送入單片機(jī)系統(tǒng)。第五節(jié)第五節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及舉例數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及舉例 一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的因素一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的因素 二、二、A/DA/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn) 三、采樣保持器三、采樣保持器S/HS/H的選擇的選擇 四、多路測量通道的串音問題四、多路測量通道的串音問題 五、主放大器的設(shè)置五、主

40、放大器的設(shè)置 六、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例六、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例 一、采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的主要因素一、采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的主要因素v 輸入信號(hào)的特性輸入信號(hào)的特性 v 對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求v 接口特性接口特性輸入信號(hào)的特性：輸入信號(hào)的特性： 信號(hào)的數(shù)量信號(hào)的數(shù)量 信號(hào)的輸入方式（信號(hào)的輸入方式（單端、差動(dòng)、單極性、單端、差動(dòng)、單極性、雙極性，接地、浮地雙極性，接地、浮地） 信號(hào)的強(qiáng)弱及動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的強(qiáng)弱及動(dòng)態(tài)范圍 信號(hào)的頻帶寬度信號(hào)的頻帶寬度 信號(hào)是周期還是瞬態(tài)信號(hào)是周期還是瞬態(tài) 信號(hào)中的噪聲信號(hào)中的噪聲 共模電壓大小共模電壓大小 信號(hào)源的阻抗信號(hào)源的阻抗對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求

41、：對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求： 系統(tǒng)的系統(tǒng)的采樣速率采樣速率 系統(tǒng)的分辨率系統(tǒng)的分辨率 系統(tǒng)的精度系統(tǒng)的精度 主機(jī)（主機(jī)（PCPC、MCUMCU、DSPDSP） 并行、串行、總線并行、串行、總線 數(shù)據(jù)的編碼格式數(shù)據(jù)的編碼格式 接口特性接口特性 ：二、二、A/DA/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)1.A/D1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)2.2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度3.3.環(huán)境條件環(huán)境條件 4.4.接口接口1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)m 需同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)范圍和需同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)范圍和精度要求精度要求min,max,1lg20IIVVL 61Lm 1210m系統(tǒng)精度指標(biāo)系統(tǒng)精度指標(biāo) 的的1010倍原則倍原則2. A/D轉(zhuǎn)換速度的確定轉(zhuǎn)換速度的確定 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率f =f =cott 1coDAttT/ocDAttNCfTmax/1t tc c轉(zhuǎn)換時(shí)間；轉(zhuǎn)換時(shí)間；t to o休止時(shí)間