測(cè)控技術(shù)第五章

1、測(cè)控技術(shù)第五章第1頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四一、引言1、計(jì)算機(jī)在數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)中的作用 把計(jì)算機(jī)（微處理器）應(yīng)用于各種物理量的測(cè)試和控制，就形成了形式多樣的數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾方面。 （1）使測(cè)試自動(dòng)化 （2）提高測(cè)試精度（3）通過(guò)數(shù)據(jù)變換實(shí)現(xiàn)多功能的測(cè)試（4）降低了測(cè)試系統(tǒng)成本（5）提高了系統(tǒng)的可靠性第2頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 在數(shù)字化的測(cè)控系統(tǒng)中，一般首先通過(guò)A/D將實(shí)際模擬物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果由計(jì)算機(jī)通過(guò)接口電路將數(shù)字量直接顯示，或用D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量恢復(fù)成模擬量，顯示或

2、記錄 。 一般說(shuō)來(lái)，用來(lái)處理模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電子系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），而把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成等效的模擬信號(hào)，并傳送到指定模擬設(shè)備的電子系統(tǒng)為數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)（DDS）。 第3頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 從信息源處采集到所需的信息，然后把信息轉(zhuǎn)換成適于分析和操作的形式的過(guò)程稱為數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式如圖所示。 1、典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第4頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 一般說(shuō)來(lái)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由傳感器，信號(hào)調(diào)節(jié)與處理（信號(hào)調(diào)理）電路，采樣與保持（S/H）電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，測(cè)控接口以及計(jì)算機(jī)（

3、微處理器）等組成。 （1）信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)調(diào)節(jié)的主要作用是使傳感器輸出信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器相適配，信號(hào)處理的作用包括濾波、壓縮頻帶，用以降低采樣率，阻抗變換、屏蔽接地、調(diào)制與解調(diào)、信號(hào)線性化等等。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)弱信號(hào)測(cè)試來(lái)說(shuō)，放大與濾波是最基本的環(huán)節(jié)。 第5頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四（2）A/D電路 它的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。A/D電路的位數(shù)、精度決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。 典型系統(tǒng)中，各通道共享一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，其優(yōu)點(diǎn)是以較低的成本來(lái)采集多路信號(hào)，但缺點(diǎn)是精度低。 這是因?yàn)槟M多路切換開關(guān)并非是理想開關(guān)，易受失調(diào)電壓、開關(guān)噪音、非線性和信號(hào)之間竄擾的影響。因此，各

4、路信號(hào)及其干擾都會(huì)或多或少地竄到AD的輸入端。 第6頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四2、 分散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 此方案的特點(diǎn)是各通道獨(dú)自各有一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器 。因此進(jìn)入數(shù)字多路開關(guān)的信號(hào)都是位串行的數(shù)字信號(hào)， 抗干擾能力強(qiáng)。 這種系統(tǒng)各通道互不影響，各自獨(dú)立。 第7頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四3、 數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中主要考慮的問(wèn)題 （1）系統(tǒng)的采樣速率： 表示了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。系統(tǒng)的采樣速率取決于模擬信號(hào)的帶寬、數(shù)據(jù)通道數(shù)和最高頻率下每個(gè)周期的采樣數(shù)等。 為了保證數(shù)據(jù)的采樣精度，一般要求：* 在A/D轉(zhuǎn)換前必須設(shè)置抗混疊低通濾波器，以消除信號(hào)中影

5、響采樣頻率的高頻分量；* 采樣頻率應(yīng)該45倍于信號(hào)中可能的最高頻率；* 對(duì)于要直接顯示或記錄的信號(hào)波形，采樣頻率應(yīng)更高一些。 第8頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四（2） 孔徑誤差 A/D完成轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱為孔徑時(shí)間。一個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)在孔徑時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生變化，從而引起輸出的不確定誤差，這個(gè)誤差稱為孔徑誤差。 （3）系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。它由模擬多路選擇器、輸入放大器的穩(wěn)定時(shí)間、采樣/保持電路的采集時(shí)間以及A/D轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)換時(shí)間等來(lái)決定。第9頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四（4） 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換誤差 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度取

6、決于電路中各部分的精度影響之和。影響轉(zhuǎn)換精度的主要器件是模擬多路選擇器的誤差，輸入放大器的誤差，采樣/保持電路的誤差和A/D轉(zhuǎn)換器的誤差等 。一般說(shuō)來(lái)，上述誤差之總和應(yīng)該小于或等于A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差。 總之，影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的因素很多，最關(guān)鍵的是A/D的采樣工作頻率與帶寬、位數(shù)、轉(zhuǎn)換時(shí)間。第10頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四三、采樣的基本概念 采樣（sampling）也稱取樣或抽樣，是數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)。信號(hào)采樣的質(zhì)量將決定信號(hào)處理系統(tǒng)的性能。采樣的一些基本概念如下。 1、 采樣頻率的選取 按照采樣定理，如果信號(hào)本身的頻帶是有限的，而采樣頻率 fs 2f m，則

7、在理論上可以根據(jù)其離散采樣值完全恢復(fù)出原始信號(hào)。實(shí)際上，為了保證信號(hào)質(zhì)量，選用的采樣頻率fs = 410fm。 第11頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 采樣信號(hào)在兩種情況下，將產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象：其一，信號(hào)頻譜為有限帶寬，頻譜混疊是由采樣頻率過(guò)低造成的。這時(shí)，采樣信號(hào)的頻譜猶如在fs / 2處發(fā)生折疊一樣，其示意圖如下圖所示。 fm = fm 2 (fm fs/2) = fs fm 第12頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 對(duì)一個(gè)帶寬為25kHz的系統(tǒng)中的一個(gè)25kHz信號(hào)，如果采樣頻率取為33.3kH z，則采樣恢復(fù)信號(hào)的頻譜中將包含8.3kH

8、 z的頻率成分（差頻）。 雖然原來(lái)信號(hào)并不包含此頻率成分，采樣后卻出現(xiàn)了這一頻率分量，即發(fā)生了混疊現(xiàn)象。第13頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 其二，連續(xù)信號(hào)頻譜為無(wú)限帶寬，頻譜混疊不可避免。要采集一個(gè)信號(hào)波形，當(dāng)包含的頻率分量高于采樣頻率時(shí)，則這些較高的頻率分量就將混入低于采樣頻率的低頻分量中。 對(duì)于頻域無(wú)限信號(hào)，為消除輸入信號(hào)中雜散分量頻率過(guò)高的影響，通?？梢栽诓蓸犹幚砬?，先加一個(gè)截止頻率為fs / 2的低通濾波器，稱為“抗混疊濾波器”，讓輸入的連續(xù)時(shí)間信號(hào)先通過(guò)預(yù)采樣濾波器，把頻域無(wú)限信號(hào)轉(zhuǎn)換為帶限信號(hào)，來(lái)保證輸入信號(hào)不致于超過(guò)規(guī)定的最高頻率。第14頁(yè)，共62頁(yè)

9、，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 如圖所示加預(yù)采樣濾波器的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖。 第15頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四2、 實(shí)時(shí)采樣與變換采樣 有兩種基本的數(shù)字化采樣方式可供選擇：實(shí)時(shí)采樣與變換采樣。變換采樣又可分為時(shí)序變換采樣和隨機(jī)變換采樣 。第16頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四（1 ） 實(shí)時(shí)采樣 在被采樣信號(hào)的一次有效持續(xù)時(shí)間內(nèi)，取出無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)原信號(hào)所必需的全部樣本，這種采樣稱為實(shí)時(shí)采樣。實(shí)時(shí)采樣是在與信號(hào)所在的同一時(shí)間刻度上進(jìn)行的。 實(shí)時(shí)采樣具有如下的特點(diǎn)：* 采樣脈沖的重復(fù)頻率必須比被采樣信號(hào)的重復(fù)頻率高；* 采樣

10、脈沖、樣本的形成是在被采樣信號(hào)的同一時(shí)間刻度上，因此由樣本組成的復(fù)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間與被采樣信號(hào)的時(shí)間值相同。第17頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 實(shí)時(shí)采樣的缺點(diǎn)：* 必須在一次有效的持續(xù)時(shí)間內(nèi)取出足夠多的樣本，因此要求采樣脈沖的重復(fù)頻率必須高，當(dāng)被采樣信號(hào)為窄脈沖時(shí)，高頻采樣脈沖產(chǎn)生困難；* 經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)采樣后，信號(hào)頻譜比原來(lái)的頻譜有增加，因而實(shí)時(shí)采樣對(duì)采樣系統(tǒng)的頻帶要求更加嚴(yán)格。 第18頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四2 、 變換采樣（等效時(shí)間采樣） 變換采樣在周期信號(hào)或在可重現(xiàn)信號(hào)的每一個(gè)信號(hào)上或每隔整數(shù)個(gè)信號(hào)上取出一個(gè)采樣值，由取出的樣品重新

11、組成一個(gè)信號(hào)，新組成的復(fù)現(xiàn)信號(hào)的形狀與原來(lái)信號(hào)形狀相似，并且在時(shí)間刻度上比原信號(hào)增長(zhǎng)了若干倍。 變換采樣可分為順序變換采樣和隨機(jī)變換采樣兩種。在順序采樣中又可分為步進(jìn)采樣、步退采樣和差頻采樣三種。第19頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 如圖為步進(jìn)采樣的示意圖。 采樣脈沖周期 Ts = NT +t 若完成整個(gè)信號(hào)事件采樣需要m個(gè)采樣點(diǎn)，則復(fù)現(xiàn)信號(hào)時(shí)間 tr = mTs = m (NT +t ) 第20頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 順序變換采樣的特點(diǎn)是采樣點(diǎn)沿著時(shí)間軸的正方向或反方向移動(dòng)，有一定的順序性。 隨機(jī)變換采樣從信號(hào)上取出樣本的位置不

12、是按著時(shí)間軸的某一方向順序排列的，而是不定的隨機(jī)排列。 隨機(jī)采樣的采樣脈沖與被測(cè)信號(hào)不相關(guān)，其樣點(diǎn)在信號(hào)波形上的位置是隨機(jī)的，但在信號(hào)復(fù)現(xiàn)時(shí)，必須反映原信號(hào)的變化規(guī)律，因此在采樣過(guò)程中應(yīng)該同時(shí)記錄各采樣點(diǎn)在信號(hào)波形上的相對(duì)位置。第21頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 隨機(jī)采樣的時(shí)間樣本的初始位是可以任意選用的，克服了順序采樣中的固有延遲的限制，避免在采樣系統(tǒng)中采用延遲線，變換采樣系統(tǒng)的頻率響應(yīng)往往由于延遲線的頻率特性不良而受到限制。 隨機(jī)采樣的缺點(diǎn)* 不能采用反饋系統(tǒng)來(lái)穩(wěn)定靈敏度和增加動(dòng)態(tài)范圍；* 由于采樣的隨機(jī)性，使采樣脈沖不能充分利用；* 隨機(jī)采樣主要用于超高頻信

13、號(hào)。第22頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四變換采樣的特點(diǎn)：* 在一個(gè)信號(hào)或多個(gè)信號(hào)上只能取出一個(gè)樣本，因此要取出完整的波形，必須對(duì)重復(fù)比現(xiàn)的信號(hào)進(jìn)行多次采樣；* 樣本所組成的復(fù)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間刻度發(fā)生了變化，使變換時(shí)間增加；* 變換采樣的過(guò)程是一個(gè)同步積累的過(guò)程，因此大大提高了信噪比；* 變換采樣只在采樣的局部裝置上要求頻帶寬度，而在樣本處理部分則是低頻信號(hào)，沒(méi)有更高的頻響要求，因此大大的降低了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的頻率特性的要求。第23頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四變換采樣存在的問(wèn)題：* 變換采樣不適用于非重復(fù)性的單次信號(hào)；* 變換采樣不適用于重復(fù)頻率

14、太低的信號(hào)。第24頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四3 、 數(shù)據(jù)采集過(guò)程的誤差 在模擬信號(hào)的采樣和量化以及轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)的過(guò)程中，誤差是不可避免的。（1） 量化誤差 一個(gè)模擬信號(hào)xa，經(jīng)過(guò)采樣、量化產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字信號(hào)x d。xd一般為n個(gè)二進(jìn)制數(shù)序列，那么這個(gè)數(shù)的最低位代表的數(shù)值就決定了序列的精度。 第25頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 用量化電平Q對(duì)一個(gè)模擬量進(jìn)行比較的過(guò)程稱為量化。比較的結(jié)果分為兩部分：整數(shù)部分：量化電平Q的整倍數(shù)。余下部分：不足一個(gè)Q的部分，即為量化誤差。用數(shù)字表達(dá)式說(shuō)明 ：完整的信號(hào)受二進(jìn)制字長(zhǎng)的限制 忽略的bn+1，b

15、n+2，項(xiàng)表示了量化誤差 。第26頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 量化后的樣本表示為 xd = xa +e (n) 一般可以認(rèn)為量化誤差是隨機(jī)量，在量化誤差范圍內(nèi)，量化誤差的概率分布是均勻分布，量化誤差的均方差為 設(shè)輸入信號(hào)功率為x2，噪聲功率為e2，則信噪比SNR為 第27頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四或表示為 從上式可以看出，若要提高信噪比，除增大x2外，把字長(zhǎng)增加1位，信噪比也可改善6dB。 一般，在量化器前，將信號(hào)乘以衰減因子A（0 A 1），以避免輸入信號(hào)超出量化器的動(dòng)態(tài)范圍而出現(xiàn)限幅現(xiàn)象。這時(shí)輸入信號(hào)將變?yōu)锳X，相應(yīng)的功率為A

16、2x2，此時(shí)信噪比為第28頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四【例5.1】一般語(yǔ)言信號(hào)在0處有峰值，而且采樣的樣本值超過(guò)信號(hào)均方根34倍的很少，因此，一般取A = 1/4x，這時(shí)出現(xiàn)限幅的概率很小。若要求信噪比SNR80dB，求這時(shí)所需的字長(zhǎng)。解： 得：n = 14 （位） 第29頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四（2） 孔徑誤差 如果在A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間TCONV內(nèi)，輸入模擬信號(hào)仍在變化，此時(shí)進(jìn)行量化會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。因此，輸入信號(hào)的最高頻率受到A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間的限制。 數(shù)字化的最高正弦信號(hào)頻率可用下式計(jì)算 如果在A/D前加采樣保持器（SHA），將信

17、號(hào)快速采樣后保持一段時(shí)間。這相當(dāng)于將A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短為孔徑時(shí)間Ta。如在孔徑時(shí)間Ta內(nèi)，輸入模擬信號(hào)仍在變化時(shí)進(jìn)行量化，會(huì)引入一定的誤差，稱其為“孔徑誤差”。 第30頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 對(duì)輸入的正弦信號(hào)采樣，那么對(duì)n位ADC，并采用SHA的數(shù)據(jù)采集器，則數(shù)字化的最大正弦信號(hào)頻率為： 仍以10位分辨率去量化一個(gè)1kHz的正弦 波，可計(jì)算出所需的孔徑時(shí)間為155.4 ns。通過(guò)增加一個(gè)SHA解決了ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)與分辨率要求較短的孔徑時(shí)間的矛盾，其實(shí)質(zhì)是把模擬信號(hào)的離散化與量化分兩步進(jìn)行。SHA先完成模擬信號(hào)的離散化，ADC接著進(jìn)行離散信號(hào)的量化，最終獲

18、得所需要的數(shù)字信號(hào) 。 第31頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四4 、 A/D轉(zhuǎn)換原理 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/D）是把連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為適合數(shù)字系統(tǒng)處理的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的裝置稱為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）；而數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換（D / A）的過(guò)程與之相反，是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換的裝置稱為數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）。 第32頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四（1）A/D的分類及主要技術(shù)指標(biāo) A/D的分類 第33頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四ADC的主要技術(shù)指標(biāo) 二進(jìn)制編碼的權(quán)： n位

19、二進(jìn)制數(shù)可用dn-1dn-2 d2d1d0表示，d0是二進(jìn)制數(shù)的最低位數(shù)字，dn-1是最高位數(shù)字，每一位可取“0”或“1”。每位“1”所表示的數(shù)值的大小稱為該位的權(quán)。 分辨率： 是指變換器所能分辨的最小單位，通常用數(shù)字信號(hào)的位數(shù)表示。 第34頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四MSB和LSB： 分別表示二進(jìn)制數(shù)的最高有效位和最低有效位，LSB也常被用來(lái)表示量化單位。量化誤差： 量化取整過(guò)程中所引起的誤差，也稱變換誤差，通常是1LSB或LSB。 變換速度： 在DAC中常用建立時(shí)間表示，定義為輸出值穩(wěn)定到距離終值LSB所需的時(shí)間的倒數(shù)。在ADC中常用變換時(shí)間表示，定義為完成采

20、樣和變換所需要的時(shí)間。 第35頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四（2） 逐次逼進(jìn)型ADC 利用等分搜索原理，依次按二進(jìn)制遞減規(guī)律減小，從數(shù)字碼的最高位（相當(dāng)于滿刻度值的一半）開始，逐次比較到低位，使輸出量Uo逐次逼進(jìn)輸入模擬量Ux，其原理圖如下圖所示。 第36頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 DAC包括基準(zhǔn)電壓源、電子開關(guān)電路和分壓分流電路組成的解碼網(wǎng)絡(luò)，其功能是將二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。 比如基準(zhǔn)電壓是Us = 2.8V，對(duì)于8位DAC，當(dāng)數(shù)字量是10000000時(shí)，輸入模擬電壓為Uo = (128/256)Us = 1.4V；當(dāng)數(shù)字量是0

21、0000001時(shí)，輸入模擬電壓為Uo = (1/256)Us = 10.94mV。 第37頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四使用這種ADC時(shí)應(yīng)注意：（1）由于輸入信號(hào)直接與參考電壓比較，ADC對(duì)信號(hào)上疊加的噪聲電壓十分敏感，外界干擾對(duì)ADC精度和分辨率的影響較大，也就是說(shuō)它的抗干擾能力較差。為了抑制干擾，通常在輸入端裝有低通濾波器。（2）這種ADC只能根據(jù)前一次比較結(jié)果，對(duì)上一位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，所以當(dāng)輸入信號(hào)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不斷變化時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤逼近。因此在ADC前必須加采樣/保持（S/H），以確保轉(zhuǎn)換的可靠性。 第38頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，

22、星期四（3）積分型ADC 積分型ADC是通過(guò)積分電路把模擬電壓變換成時(shí)間信號(hào)，在這段時(shí)間內(nèi)通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值反映了模擬電壓的大小。由此可見，這種變換是把時(shí)間作為中間變量的，因此是一種間接變換。 第39頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四雙積分式ADC的特點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)換結(jié)果與R、C元件參數(shù)的準(zhǔn)確度無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)，雙積分式ADC不需要精密積分元件就能完成高精度的轉(zhuǎn)換，而且，轉(zhuǎn)換結(jié)果也與時(shí)鐘周期T0無(wú)關(guān)，因而對(duì)時(shí)鐘脈沖的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度要求不高。（2）具有很強(qiáng)的抗串模干擾能力，因?yàn)榉e分器對(duì)輸入信號(hào)具有平均作用，所以若取采樣階段的T1為干擾周期的整數(shù)倍，則

23、可使由干擾引起的誤差減小到最小程度，甚至為零。因此雙積分式ADC具有很強(qiáng)的抗干擾能力。 雙積分式ADC的缺點(diǎn)是速度比較慢，在滿量程情況下，變換要經(jīng)歷2n+1個(gè)時(shí)鐘脈沖才能完成，多積分式ADC就是針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出的。第40頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四（4）并行比較式ADC 并行比較式ADC的結(jié)構(gòu)和原理是比較簡(jiǎn)單的，它是由電阻網(wǎng)絡(luò)、比較器陣列和編碼器組成。如圖是并行比較式ADC的原理圖。 第41頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 每個(gè)比較器的比較電壓從基準(zhǔn)電壓+Ur -Ur經(jīng)分壓而得，它們依次相差1LSB。當(dāng)信號(hào)Ux作用于輸入端時(shí)，若Ux大于某

24、比較電平，則該比較器輸出高態(tài)“1”，反之為低態(tài)“0”。這些比較結(jié)果經(jīng)編碼邏輯電路后輸出n位二進(jìn)制碼，送至輸出寄存器，即為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。 并行比較式ADC的速度取決于比較器、編碼器、寄存器的響應(yīng)速度，與比較器的數(shù)量無(wú)關(guān)。當(dāng)采用高速比較器和數(shù)字電路時(shí)，就可以獲得很高的轉(zhuǎn)換速度。到目前為止，并行比較式ADC是各類ADC中速度最高的一種，有閃爍式（Flash）ADC之稱。但制造高分辨率的并行ADC的難度很大，目前產(chǎn)品化的并行比較式ADC的分辨率為68位。 第42頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四（5）并串式ADC 并串式ADC既吸收了并行式ADC的優(yōu)點(diǎn)，又相對(duì)減少了比較器的數(shù)

25、量，是一種折中方案。如圖是8位并串式ADC的原理框圖。第43頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 并串式ADC所需的比較器個(gè)數(shù)比并行式ADC的比較器要少得多，因此能降低多位ADC的制造難度和成本。但由于存在兩級(jí)A/D，并增加了一級(jí)DAC和一個(gè)減法器，并且它們之間都是串行工作的，因此轉(zhuǎn)換速度要比并行式慢。 第44頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 4種ADC的主要特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。 第45頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四（6）ADC器件的選擇原則a、所需使用ADC的位數(shù) （6、8、10、12、14、16位，最好結(jié)合CPU數(shù)據(jù)線

26、位數(shù)）b、確定ADC的轉(zhuǎn)換速率（1MHz低速、110MHz中速、10100MHz高速、超高速）c、單通道與多通道 （通常有1、2、4、6、8、10、12、16通道，根據(jù)輸入模擬量）d、數(shù)字接口方式 （串行（SPI/I2C）接口與并行接口（P8或P16），根據(jù)系統(tǒng)要求）e、工作電壓和功耗 、封裝（根據(jù)系統(tǒng)要求） 第46頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四5、 數(shù)/模轉(zhuǎn)換原理 數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換是把數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)D/A變換的裝置稱為D/A變換器（DAC）。 第47頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 如果設(shè)DAC的分辨率為n位，輸入數(shù)字量

27、為DN，則輸出電壓為： 電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)是DAC的核心。電阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有不同的形式，使DAC變換的原理也有所不同。 第48頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 下圖為4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的原理圖 輸入信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)DN（d3d2d1d0），DN的每一位控制相應(yīng)的模擬開關(guān)S3S0，例如，當(dāng)d 3 = 1時(shí)，S3合向“1”邊，電流流向io1，否則S3合向“0”邊，電流流向io2。利用簡(jiǎn)單的電阻串并聯(lián)關(guān)系，就能算出電阻網(wǎng)絡(luò)各電阻中流過(guò)電流的大小。 第49頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四網(wǎng)絡(luò)的輸出電流（即運(yùn)放反相端輸入電流）為：輸出電壓為： 同理可

28、推導(dǎo)n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的變換式為 第50頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC具有電阻種類少、變換速度快等優(yōu)點(diǎn)，變換線性度和精度與網(wǎng)絡(luò)中各電阻的阻值誤差有密切關(guān)系，電阻網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)電阻的阻值誤差都不僅影響變換器的線性度，也同時(shí)影響其單調(diào)性。 一般倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)用于12位以下的DAC中，當(dāng)轉(zhuǎn)換精度超過(guò)12位時(shí)，可以采用電壓分段式的DAC。 第51頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 電阻分壓式DAC DAC的變換式為 對(duì)于n位的電阻分壓式DAC，D/A變換式為 第52頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四

29、 電阻分壓式DAC的特點(diǎn)是只需要一種阻值，容易保證制造精度，并且即使阻值有比較大的誤差，也不會(huì)出現(xiàn)非單調(diào)性，但它的缺點(diǎn)是元器件數(shù)量太大，分壓電阻和模擬開關(guān)的數(shù)量都是2n個(gè)，因此實(shí)用價(jià)值不大。 為了解決元器件數(shù)量太多的問(wèn)題，把分壓器設(shè)計(jì)成兩級(jí)，構(gòu)成了電壓分段方式 。 第53頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四如圖為4位電壓分段DAC原理框圖。 第54頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四DAC的最終輸出電壓為下端點(diǎn)電壓與抽頭電壓的和，即 由于段選擇和抽頭選擇都是單調(diào)的，所以最終輸出電壓一定是單調(diào)的。 采用分段的結(jié)果使分壓電阻的數(shù)量從2n減少到2n-1，當(dāng)

30、n比較大時(shí)，效果明顯，模擬開關(guān)的數(shù)量也同樣大大減少。 第55頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四 雙極性輸出 單極性輸出DAC的輸出電壓要么在正電壓范圍，要么在負(fù)電壓范圍。在某些應(yīng)用場(chǎng)合則需要具有雙極性輸出特性，即輸出電壓應(yīng)能包括從負(fù)到正的范圍。最簡(jiǎn)單的方法是在DAC的輸出端加一個(gè)偏壓比例求和電路，如圖所示。 第56頁(yè)，共62頁(yè)，2022年，5月20日，11點(diǎn)54分，星期四其變換特性 ：下表為8位雙極性DAC輸出的十進(jìn)制等效值與輸入數(shù)字量之間的關(guān)系。這種表達(dá)正負(fù)數(shù)的二進(jìn)制編碼被稱為二進(jìn)制偏移碼，其偏移量為2 n-1，偏移碼DN與二進(jìn)制碼Nb 的關(guān)系為： DN = Nb + 10000 = Nb + 2 n-1 第57頁(yè)，