數(shù)字化測(cè)量?jī)x 第三章

1、第三章 A/D轉(zhuǎn)換器3.1 概述n定義：將模擬量轉(zhuǎn)換為一定碼制的數(shù)字量稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器 nA/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)n直接比較型 ： 將輸入的模擬電壓直接與作為標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓相比較，從而得到按數(shù)字編碼的數(shù)字值。 這種類(lèi)型中包括逐次逼近比較型、斜波(或鋸齒波)電壓比較型等。 特點(diǎn)：抗干擾能力差，但轉(zhuǎn)換速度較快。 n間接比較型 ： 輸入模擬電壓不是直接與標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓相比較，而是將二者都變換為中間物理量再進(jìn)行比較，然后將比較后得到的表征比較結(jié)果的時(shí)間(T)或頻率(F)進(jìn)行數(shù)字編碼。 它又分為雙積分式、VF轉(zhuǎn)換型等。 特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度較慢。n復(fù)合型 3.1 概述nA/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)特性 分

2、為兩部分：靜態(tài)特性參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。n靜態(tài)特性參數(shù)：指在同樣輸入信號(hào)條件下，實(shí)際轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)與理想數(shù)學(xué)模型輸出信號(hào)之差的大小。 絕對(duì)準(zhǔn)確度和絕對(duì)誤差（轉(zhuǎn)換精度）：實(shí)際AD轉(zhuǎn)換器輸出與理想AD轉(zhuǎn)換器輸出的差值。 數(shù)字誤差（量化誤差）：由有限數(shù)字對(duì)模擬數(shù)值進(jìn)行離散取值而引起的誤差。 模擬誤差 ： 偏移誤差 (0輸入時(shí)的輸出數(shù)碼) 增益誤差 非線性誤差 3.1 概述Ui數(shù)碼輸出Xp0理想特性實(shí)際特性實(shí)際特性正偏移誤差負(fù)偏移誤差Ui數(shù)碼輸出Xp0理想特性實(shí)際特性實(shí)際特性正偏移誤差負(fù)偏移誤差UimaxXDmaxUi數(shù)碼輸出Xp0理想特性實(shí)際特性Uii處的非線性誤差Uii3.1 概述n動(dòng)態(tài)特性參數(shù)：

3、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)是指當(dāng)轉(zhuǎn)換電路的輸入信號(hào)為時(shí)間函數(shù)時(shí)所表現(xiàn)的特性，這時(shí)必須將這些動(dòng)態(tài)特性參數(shù)與靜態(tài)誤差一起處理，才能反映出整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程的誤差。 總的動(dòng)態(tài)誤差：定義為實(shí)際AD轉(zhuǎn)換器和理想模型兩者都接上同樣的交變信號(hào)和同一基準(zhǔn)電壓時(shí)兩者輸出數(shù)碼值的差異，這時(shí)假定模型不受頻率的限制。 轉(zhuǎn)換時(shí)間：是指完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，它是從對(duì)輸入信號(hào)的采樣瞬時(shí)開(kāi)始，直到獲得有效的數(shù)字代碼為止的時(shí)間。 轉(zhuǎn)換頻率：定義為單位時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換的次數(shù)，以Hz為單位。 3.1 概述 孔徑時(shí)間：在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，信號(hào)在瞬時(shí)的值經(jīng)t之后才被轉(zhuǎn)換器讀出，t這段時(shí)間稱(chēng)為孔徑時(shí)間，它對(duì)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)精確度有很大的影響。 階躍響應(yīng)時(shí)間：是指A

4、D轉(zhuǎn)換器的數(shù)碼輸出信號(hào)跟蹤上躍變的輸入模擬信號(hào)所需的時(shí)間。 恢復(fù)時(shí)間：是指輸入模擬信號(hào)從某一規(guī)定的超量程值回到轉(zhuǎn)換器要求的正常范圍之后，轉(zhuǎn)換器恢復(fù)正常工作狀態(tài)所需要的時(shí)間。 3.1 概述n其他電氣特性參數(shù) 輸入電阻 ： 為了提高轉(zhuǎn)換的精確度，高性能的AD轉(zhuǎn)換器應(yīng)有高的輸入電阻。 若AD轉(zhuǎn)換器已選定，為一定值，為了保證測(cè)量誤差，就限定了被測(cè)信號(hào)源內(nèi)阻值的最大值。在AD轉(zhuǎn)換器之前設(shè)有緩沖放大器或前置放大器時(shí)，由于放大器的輸出電阻低，這時(shí)可降低對(duì)轉(zhuǎn)換器輸入電阻的要求。 輸入偏置電流： 理想的AD轉(zhuǎn)換器應(yīng)是一個(gè)無(wú)源器件，輸入回路沒(méi)有電流。但實(shí)際上，當(dāng)輸入端接地后，在輸入回路仍有電流流動(dòng)，其方向可流入或

5、流出，稱(chēng)為輸入偏置電流。 分辨率： 在n位AD轉(zhuǎn)換器中，額定分辨率就是最低位值的0.5。但是，在較寬的工作溫度范圍內(nèi)，一個(gè)“十二位”轉(zhuǎn)換器的有效分辨率可能只有“十位”。一般地說(shuō)，漂移、干擾、噪聲、部件的“死區(qū)”等等，都經(jīng)常是限制分辨率的因素。 iR3.1 概述 共模范圍 是指能保持規(guī)定的共模抑制能力的輸入電壓范圍，此電壓范圍由共模電壓和差分電壓之和來(lái)決定。 共模抑制比 表征一個(gè)器件對(duì)同時(shí)加到兩個(gè)輸入端上的共模電壓在輸出端引起的變化量的抑制能力，稱(chēng)為共模抑制能力。 3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n直接比較型AD轉(zhuǎn)換n模擬信號(hào)輸入后直接與參考電壓相比較而得到數(shù)字輸出的轉(zhuǎn)換，稱(chēng)直接比較型AD轉(zhuǎn)換。n

6、直接比較型AD轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)思想來(lái)源于電位差計(jì)，如圖所示。n分類(lèi) 反饋比較式A/D轉(zhuǎn)換器 斜波比較式A/D轉(zhuǎn)換器-+A檢零器xURUURE3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n反饋比較式A/D轉(zhuǎn)換器 反饋比較式AD轉(zhuǎn)換器的原理性框圖如右圖所示。反饋比較式A/D轉(zhuǎn)換器中，DA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Uf，相當(dāng)于參與比較的基準(zhǔn)。比較器是一個(gè)差值檢出器，用以鑒別比較的結(jié)果是否相等，前者主要地決定了轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精確度，而后者主要對(duì)系統(tǒng)的分辨率有影響。 -+比較器數(shù)字邏輯電路時(shí)鐘脈沖.LSBMSBLSBMSBUiUfDACRU 原理框圖3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器 分類(lèi) 正向計(jì)數(shù)式 跟蹤比較式 逐位逼近式 它們的工作原理

7、基本相同，但采用了不同的數(shù)字邏輯控制電路以滿(mǎn)足所需的技術(shù)指標(biāo)。3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器 正向計(jì)數(shù)式AD轉(zhuǎn)換器 -+比較器計(jì)數(shù)器LSBMSBUiUfDACRU.LSBMSB時(shí)鐘脈沖CPQR啟動(dòng)脈沖EOCCPRD啟動(dòng)脈沖UfEOC 原理框圖 波形圖比較器計(jì)數(shù)器3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n這種轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換時(shí)間不是恒定的，與輸入電壓成正比，最長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間對(duì)應(yīng)于滿(mǎn)刻度輸入電壓，亦即輸入了個(gè)時(shí)鐘脈沖，因此 ： fcp為時(shí)鐘脈沖的頻率。假若DA轉(zhuǎn)換器為10位，時(shí)鐘脈沖頻率為1MHz，則TxMax=1024ms。因此，轉(zhuǎn)換速度較低，約100Hz。 由于二進(jìn)制輸出數(shù)碼所反映的是比較器達(dá)到平衡時(shí)

8、輸入信號(hào)的瞬時(shí)值，若信號(hào)上疊加有干擾，將直接引起轉(zhuǎn)換的誤差，因此，抗干擾能力差。 max2nxcpTf3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器 隨動(dòng)跟蹤式AD轉(zhuǎn)換器 -+比較器可逆計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖.LSBMSBLSBMSBUiDACRUrefRrefR2RU-+比較器可逆計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖.LSBMSBLSBMSBUiDACRUrefRRi單極性雙極性I0Iref/2(0 ,Ir)(-Ir/2 ,Ir/2)IxIx +Iref/2=I0I0IR3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n一個(gè)使用的隨動(dòng)跟蹤式A/D轉(zhuǎn)換器4位可逆計(jì)數(shù)器I03.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n逐位逼近型AD轉(zhuǎn)換器 它完成一次轉(zhuǎn)換只需 (n+1)

9、個(gè)時(shí)鐘脈沖 (n為轉(zhuǎn)換器的位數(shù))，因此，其轉(zhuǎn)換時(shí)間決定于位數(shù)，而與輸入信號(hào)的大小無(wú)關(guān)。 除了并行比較型和串并行比較型的高速AD轉(zhuǎn)換器外，這種轉(zhuǎn)換器的速度是最高的，按當(dāng)前能大批量生產(chǎn)的工藝水平來(lái)看，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)每位小于100 ns，即使通用型的也可達(dá)每位1 us。 3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n逐位逼近型AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理 7S6S0SA10kUi+-20K基準(zhǔn)源ER10K20K20K20K10KRfREIR2I2I4I82I+-DQ7Q6Q0SAR時(shí)鐘脈沖.EOCSTARTCLKDnD0D1比較器逐位逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n轉(zhuǎn)換方法稱(chēng)為“稱(chēng)量法”，中值逼近法

10、n轉(zhuǎn)換過(guò)程 欠補(bǔ)償,過(guò)補(bǔ)償 57.56.256.8757.1887.0316.9536.9146.914101110003.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器 SAR各位的輸出數(shù)碼狀態(tài)(Q7、Q6Q0)表征被轉(zhuǎn)換電壓的數(shù)字等效值:76502371111()2222ifUIQIQIQIQ R 在圖示電路中，T形網(wǎng)絡(luò)電阻R=10 k，Rf=R，ER=10V，因而:76502371111()2222RifEUQQQQRR8812iRiiQE3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n逐位逼近寄存器SAR 2502(8位)，2503(8位)，2504(12位) S下跳轉(zhuǎn)換開(kāi)始 cp起作用CP上跳Q7變高，CC變高（轉(zhuǎn)換進(jìn)

11、行中）CP2D比較結(jié)果送Q7，同時(shí)Q6置高電平Cp3-D比較結(jié)果送Q6，同時(shí)Q5置高 CP9-D比較結(jié)果送Q0，CC置低（轉(zhuǎn)換結(jié)束）3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n實(shí)用的SA AD轉(zhuǎn)換器3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n若SA AD轉(zhuǎn)換器的輸出要與微型計(jì)算機(jī)相連，就需設(shè)置輸出數(shù)據(jù)緩沖電路 25LS374 8D鎖存器3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n具有串行輸出 SA AD轉(zhuǎn)換器 2502具有串行輸出能力2503沒(méi)有有串行輸出能力25LS374 8D鎖存器3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n集成單片ADC：5G0801(ADC0801)是基于逐位逼近比較型的八位AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100 us，采用

12、5V單電源供電，內(nèi)附時(shí)鐘發(fā)生器，模擬輸入采用差分方式，抗共模干擾能力強(qiáng)，能方便地與計(jì)算機(jī)連接、連線簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)。 工作原理 采用CMOS大規(guī)模集成工藝 比較器采用電荷重分配原理（消除零點(diǎn)漂移） 采用模擬開(kāi)關(guān)樹(shù)結(jié)構(gòu)和自穩(wěn)零比較的特殊電路，以實(shí)現(xiàn)逐位逼近的AD轉(zhuǎn)換。 3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器ACLKCLKCLKBCLKA開(kāi)關(guān)樹(shù)網(wǎng)絡(luò)電阻-+SAR控制邏輯8位移位寄存器+GQACLKCLKBCPDQDDCPCLKA復(fù)位GCLKACPDSQ+INT三態(tài)輸出鎖存器DB7DB0輸出允許門(mén)閂CSRDCSWRCLKRCLKIUD.GUA.GUCC+Ui-UiRU213.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n實(shí)際應(yīng)

13、用CSRDWRINTCLKIUi(+)Ui(-)UAGUR/2UDGUx5G1403UccUcc=5VCLKRVccDB0DB3DB4DB5DB6DB7DB2DB1R基準(zhǔn)電源轉(zhuǎn)換結(jié)果置入三態(tài)緩沖器CS/RD接地表“選中”接地ADC08013.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n實(shí)際應(yīng)用 Ui(+)Ui(-)UAGUR/2UxUcc=5VVcc2.5VR1R2R1=R2-5V+5VUi(+)Ui(-)UAGUR/2UxUcc=5VVcc2.5VR1R2R1=R3=2R2-10V+10VR3PP212212RRRURRRUUccxP22ccxUU當(dāng)Ux為（5，5）VUp為（0，5）數(shù)碼為（00001111

14、）Up？3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n與微型計(jì)算機(jī)的連接 P0.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1D0D7D6D5D4D3D2D1CLKRRDINT1WRINTRDWRP2.7ADC08018031+CLKIUi(+)Ui(-)UR/2Ucc/2振蕩電路f1/(1.1RC)3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n十二位集成SA AD轉(zhuǎn)換器AD572 電阻網(wǎng)絡(luò)SAR比較器基準(zhǔn)電壓3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n斜波比較式A/D轉(zhuǎn)換器n這種AD轉(zhuǎn)換器也是將被測(cè)輸入電壓直接與作為基準(zhǔn)的電壓進(jìn)行比較，因而也屬直接比較型，不同處為基準(zhǔn)電壓不是逐個(gè)加上去的砝碼電壓，而是從某一值向另一值自

15、動(dòng)地、線性地變化的，亦即參與比較的基準(zhǔn)電壓波形是一個(gè)線性斜波。 3.2 直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n斜坡電壓比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理UxUR斜變電壓?jiǎn)?dòng)脈沖停止脈沖計(jì)數(shù)門(mén)計(jì)數(shù)脈沖波形圖復(fù)零啟動(dòng)脈沖打開(kāi)計(jì)數(shù)門(mén)計(jì)數(shù)，并產(chǎn)生斜變電壓Ux與UR斜變電壓相等時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生停止脈沖計(jì)數(shù)器停止小結(jié)直接比較型AD轉(zhuǎn)換器n特點(diǎn)：瞬時(shí)比較，速度快，抗干擾能力差n分類(lèi) 1）反饋比較式 正向計(jì)數(shù)式 隨動(dòng)跟蹤式 逐位逼近式 2）斜波比較式.,10,0 .10EA/DSA,512. 4R的波形示意圖多少？，并畫(huà)出輸出時(shí)試求轉(zhuǎn)換后的數(shù)碼是若轉(zhuǎn)換器上，加到如圖的輸入電壓kRRvvUfi習(xí)題：解：3.3 間接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n

16、間接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n定義：將被測(cè)電壓UX和基準(zhǔn)電壓UR都變換為另一物理量，然后再進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，就構(gòu)成了間接比較型AD轉(zhuǎn)換器。n形式：常見(jiàn)的VT和VF轉(zhuǎn)換方法，由于它們?cè)谵D(zhuǎn)換過(guò)程中都使用了積分器，因此，這些轉(zhuǎn)換方式稱(chēng)為積分型AD轉(zhuǎn)換器。n分類(lèi) 雙斜積分型A/D轉(zhuǎn)換器 雙重雙斜積分式 多斜率積分式 脈沖寬度調(diào)制式 電壓頻率（VF）型3.3 間接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n雙斜積分型AD轉(zhuǎn)換器 比較器計(jì)數(shù)門(mén)時(shí)鐘脈沖控制電路顯示器計(jì)數(shù)器復(fù)零溢出sRxURURUC積分器原理框圖3.3 間接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n轉(zhuǎn)換原理 采樣階段 ：定時(shí)積分階段 比較階段 ：定值積分階段N1N2T1T2U

17、xURdtURCUtxCO101令：1011tXXdtUTUxCOURCTU1 在T2比較階段的時(shí)間內(nèi)，積分器最終的輸出電壓為零，即： 在T 1采樣階段時(shí)間內(nèi)，積分器輸出電壓為： Uco3.3 間接比較型A/D轉(zhuǎn)換器 在T2比較階段的時(shí)間內(nèi)，積分器最終的輸出電壓為零，即：0121dtURCUttRCO因此RxURCTURCT21RxUTTU12或xRUUTT12 式中 T1、UR均為常數(shù)。即比較階段的時(shí)間T2正比于被測(cè)信號(hào)電壓Ux的平均值，從而完成了VT的變換。用脈沖計(jì)數(shù)法可得到精確的時(shí)間間隔T2，即： XRXRUUNUUTNT1122XRUUNN12故3.3 間接比較型A/D轉(zhuǎn)換器n電路特性

18、 在轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)Ux和UR的兩次積分使用了同一個(gè)積分器，又使用同一頻率的脈沖去測(cè)定T1和T2，因此，只要時(shí)鐘周期和積分元件R和c在每一次測(cè)量時(shí)間內(nèi)保持高度穩(wěn)定，它們對(duì)測(cè)量誤差的影響很小。從公式T2=T1Ux/UR或N2=N1Ux/UR可以看出，最終輸出與R、C、等參數(shù)無(wú)關(guān)，從而大大降低了對(duì)R、C及時(shí)鐘振蕩器等元器件的要求，為獲得高精度轉(zhuǎn)換創(chuàng)造了條件。所以在低、中檔的雙斜AD轉(zhuǎn)換器中，可以采用簡(jiǎn)單的阻容振蕩器代替晶體振蕩器，由此引入的誤差很小。 雙斜轉(zhuǎn)換的本質(zhì)是平均值轉(zhuǎn)換，因此對(duì)疊加在信號(hào)上的交流干擾有良好的抑制能力，即有高的串模干擾抑制比。一般而言，工頻是最主要的串模干擾成分，如果選取定時(shí)積分時(shí)間T1為工頻電壓周期的整數(shù)倍。例如20ms、40ms、60ms等，則對(duì)稱(chēng)的50Hz工頻干擾可完全消除，在理論上具有無(wú)窮大的抗工頻干擾能力。3.3 間接比較型A/D轉(zhuǎn)換器 若以另外一個(gè)被測(cè)量電壓 代替基準(zhǔn)電壓 ，則可能將 和 的比值以數(shù)字形式輸出，實(shí)現(xiàn)兩電壓間的除法運(yùn)算。 積分器的動(dòng)態(tài)放大倍數(shù)為