模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換.ppt

1、,3.3 模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換 3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器 AD轉(zhuǎn)換器是一種將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件，通常也稱為ADC。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器的輸出大部分為模擬信號(hào)(電壓、電流)，而計(jì)算機(jī)只能接收數(shù)字量。為此，需要在傳感器與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。因此AD轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到測(cè)量的準(zhǔn)確度、分辨力和轉(zhuǎn)換速度。,AD轉(zhuǎn)換器的類型較多。按其轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)的方式，可分為并行和串行兩種，其中并行又分為8位、10位、14位和16位等；按其轉(zhuǎn)換原理可分為逐次逼近式和雙積分式等。 并行與串行ADC各有其優(yōu)勢(shì)。并行ADC占用較多的

2、數(shù)據(jù)線， 具有輸出速度快的優(yōu)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)換位數(shù)較少時(shí)具有很高的性價(jià)比。 串行ADC占用的數(shù)據(jù)線少，轉(zhuǎn)換速度慢，但它也有自身的優(yōu)點(diǎn)： 一是便于信號(hào)隔離，只需少數(shù)幾路光電隔離器件就可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，在轉(zhuǎn)換位數(shù)較多的情況下具有較高的性價(jià)比；二是其芯片小、引腳少，便于線路板的制作。,AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)特性如下： (1) 分辨力與分辨率。AD轉(zhuǎn)換器的分辨率習(xí)慣上以輸出二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。分辨力為1 LSB (最低有效位數(shù))。 12位AD轉(zhuǎn)換器AD574的分辨率為12位，用百分?jǐn)?shù)表示為,5G14433雙積分式AD轉(zhuǎn)換器的分辨率為3位半。它的滿度字位為1 999，其百分?jǐn)?shù)表示的分辨率為,AD轉(zhuǎn)換器的

3、分辨力(1 LSB)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總分辨力起著決定性作用。 (2) 量化誤差e 在理論上1/2LSB。,(3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間。完成一次AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間TC為AD轉(zhuǎn)換時(shí)間，在這段時(shí)間里輸入AD的模擬電壓數(shù)值應(yīng)穩(wěn)定不變， 否則就會(huì)造成AD轉(zhuǎn)換的誤差。通常轉(zhuǎn)換時(shí)間TC比采樣/保持器的孔徑時(shí)間TAP大，更比孔徑抖動(dòng)TAJ大得多，因此若不加采樣保持器，在保證轉(zhuǎn)換誤差不大于量化誤差e的條件下，AD轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)Vx(t)的最高頻率是很低的，公式(2-2)是轉(zhuǎn)換時(shí)間TC和轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與可采集信號(hào)的最高頻率的關(guān)系：,（2-2）,例如：8位ADC (080X)，n=8，Tc=100s，fH6.3 Hz；12

4、位ADC (AD574)，n=12，Tc=35s，fH1.1 Hz；,例如：8位ADC (080X)，n=8，Tc=100s，fH6.3 Hz；12位ADC (AD574)，n=12，Tc=35s，fH1.1 Hz； 為了對(duì)更高頻率的輸入信號(hào)進(jìn)行模一數(shù)轉(zhuǎn)換，在AD轉(zhuǎn)換器前都要加采樣保持器。 (4) 轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時(shí)間Tc的倒數(shù)，如Tc=20 ns，即轉(zhuǎn)換速率為50MSPS。 (5) 其他參數(shù)如對(duì)電源電壓變化的抑制比(PSRR)、零點(diǎn)和增益溫度系數(shù)、輸入電阻等。 AD轉(zhuǎn)換器除了以上主要技術(shù)特性外，作為一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，它也有測(cè)量環(huán)節(jié)的基本特性(靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性)相對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，如零點(diǎn)

5、、非線性誤差(線性度)、量程等，除廠家給出外，用戶可以自行檢驗(yàn)或標(biāo)定。,1、逐漸逼近式A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法和間接轉(zhuǎn)換法兩大類。 直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。直接A/D轉(zhuǎn)換器有計(jì)數(shù)型、逐次比較型、并行比較型等。 間接法是將取樣后的模擬信號(hào)先轉(zhuǎn)換成中間變量時(shí)間t或頻率f, 然后再將t或f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。間接A/D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。,逐次逼近的方法ADC的內(nèi)部主要由逐次逼近寄存器SAR、DA轉(zhuǎn)換器、電壓比較器

6、和一些時(shí)序控制邏輯電路等組成。其原理框圖如圖1所示：,圖1 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,其工作原理非常類似于用天平稱重。在轉(zhuǎn)換開始前，先將SAR寄存器各位清零，然后設(shè)其最高位為1（對(duì)8位來講，即為10000000B）就像天平稱重時(shí)先放上一個(gè)最重的砝碼一樣，SAR中的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓VC，并與模擬輸入電壓VX進(jìn)行比較，若VXVC，則SAR寄存器中最高位的1保留，否則就將最高位清零(若砝碼比物體輕就要保留此砝碼，否則去掉此砝碼)。然后再使次高位置1，進(jìn)行相同的過程直到SAR的所有位都被確定。轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，SAR寄存器中的二進(jìn)制碼就是ADC的輸出。,ACD1143及其應(yīng)用 AC

7、D1143是一個(gè)16位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。 主要特性： 16位高分辨率 轉(zhuǎn)換時(shí)間 ADC1143J最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為70s ADC1143K最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s 自帶參考電源和時(shí)鐘脈沖 低功耗 當(dāng)VS=15V時(shí)，最大功耗為175mW 當(dāng)VS=12V時(shí)，最大功耗為150mW, 最大非線性 ADC1143J為0.006% ADC1143K為0.003% 動(dòng)態(tài)非線性溫度系數(shù) ADC1143J最大為2 ADC1143K最大為1 供電范圍 VS=11.4V18.0V VD=+3.0V+18.0V,ADC1143由16位CMOS逐次逼近DAC、16位逐次逼近寄存器、低功耗比較器、內(nèi)部時(shí)鐘、低噪聲參考電源

8、以及模擬輸入電阻網(wǎng)絡(luò)和高質(zhì)量耦合電容組成，其功能框圖如圖2所示：,圖2 ADC1143功能框圖,ADC1143的引腳功能： 模擬輸入電壓引腳（2729腳） 模擬電壓范圍可編程,參考電源輸入、輸出（25、26腳） 當(dāng)使用內(nèi)部參考電源時(shí)，將它們之間接一個(gè)100精密電位器 當(dāng)使用外部參考電源時(shí)，按下圖進(jìn)行連接,偏移調(diào)節(jié)引腳（24腳） 零輸出校正。 并行數(shù)據(jù)輸出引腳（419腳）具有數(shù)據(jù)鎖存功能，無三態(tài)驅(qū)動(dòng)，以偏移二進(jìn)制碼輸出。 補(bǔ)碼輸出（3腳） 二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出使用位 模擬地和數(shù)字地（30、2腳）應(yīng)通過外部連接，以一點(diǎn)連接為最佳 狀態(tài)引腳（22腳） ADC1143的工作狀態(tài)信號(hào)。 轉(zhuǎn)換命令引腳（21腳）

9、啟動(dòng)ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在該信號(hào)的下降沿，各內(nèi)部狀態(tài)全部復(fù)位。,(2)ADC1143的工作過程,(3) ADC1143與80C31接口,ADC1143與80C31接口,雙積分型ADC的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓UI轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時(shí)間間隔T，再利用基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過計(jì)數(shù)器將T變換成數(shù)字量。,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,這種A/D轉(zhuǎn)換器具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個(gè)較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。其次，由于輸入信號(hào)積分的時(shí)間較長，且是一個(gè)固定值T1，而T2正比于輸入信號(hào)在T1內(nèi)的平均值，這對(duì)于疊加在輸入信號(hào)上的干擾信號(hào)有

10、很強(qiáng)的抑制能力。最后，這種A/D轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘源，它只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期（T1+T2）內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中。,雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC1443及其應(yīng)用 MC1443是一種CMOS雙積分3 位A/D轉(zhuǎn)換器，其主要特性如下： 轉(zhuǎn)換精度 讀數(shù)的1/2000（相當(dāng)于12位二進(jìn)制數(shù)） 轉(zhuǎn)換速度 810次/s 輸入阻抗 大于100M, 工作電壓 4.5 8V(或916V) 轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出形式 輸出為4位BCD碼,由DS1DS4分時(shí)選通輸出,(1)MC14433引腳功能,電源接入 基準(zhǔn)電壓輸入 被測(cè)信號(hào)輸入 外接積分元件的選取 時(shí)鐘 外

11、接失調(diào)補(bǔ)償電容 轉(zhuǎn)換更新控制 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出,MC14433引腳圖,DS1選通時(shí)Q0Q3的含義,（2）MC14433與8031接口,MC14433的Q0Q3和DS1DS4與8031單片機(jī)的P1口相連，當(dāng)采用連續(xù)變換方式，則8031讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)采用中斷方式，則設(shè)為邊沿觸發(fā)方式。,MC14433與8031的接口,分辨率用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小量變化的敏感程度。,分辨率,分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。 而分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)，n越大，分辨率越高。,1. 分辨率,D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo),D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)可用輸入數(shù)字量的位數(shù)n表示D

12、/A轉(zhuǎn)換器的分辨率； 可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率。,2. 轉(zhuǎn)換精度,D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。,3. 轉(zhuǎn)換速度,從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)定值相差0.5LSB范圍內(nèi)所需要的時(shí)間，稱為建立時(shí)間tset。目前單片集成D/A轉(zhuǎn)換器（不包括運(yùn)算放大器）的建立時(shí)間最短達(dá)到0.1微秒以內(nèi)。,4. 溫度系數(shù),在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。,D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832 （1）DAC0832結(jié)構(gòu)原理及引腳功能,

13、它由一個(gè)8位輸入寄存器、一個(gè)8位DAC寄存器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成。它為20腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)，其邏輯結(jié)構(gòu)及引腳如下圖所示：,2.DAC0832引腳功能,DI7DI0：8位輸入數(shù)據(jù)信號(hào)。,Rfb：反饋電阻（內(nèi)已含一個(gè)反饋電阻）接線端。DAC0832中無運(yùn)放，且為電流輸出，使用時(shí)須外接運(yùn)放。芯片中已設(shè)置了Rfb，只要將此引腳接到運(yùn)放的輸出端即可。若運(yùn)放增益不夠，還須外加反饋電阻。,任何導(dǎo)線都可以被理解成電阻，因此，盡管連在一起的“地”，其各個(gè)位置上的電壓也并非一致的，對(duì)于數(shù)字電路，由于噪聲容限較高，通常是不需要考慮“地”的形式的，但對(duì)于模擬電路而言，這個(gè)不同地方的“地”對(duì)測(cè)量的精度

14、是構(gòu)成影響的，因此，通常是把數(shù)字電路部分的地和模擬部分的地分開布線，只在板中的一點(diǎn)把它們連接起來。,3.DAC0832特性參數(shù),分辨率： 8位 建立時(shí)間： 1s 增益溫度系數(shù)： 20ppm/（ppm-百萬分之一，10-6） 輸入電平： TTL 功耗： 20mW,4.DAC0832工作方式,當(dāng)ILE、CS和WR1同時(shí)有效時(shí)，輸入數(shù)據(jù)DI7DI0進(jìn)入輸入寄存器；并在WR1的上升沿實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。當(dāng)WR2和XFER同時(shí)有效時(shí)，輸入寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入DAC寄存器；并在WR2的上升沿實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。八位D/A轉(zhuǎn)換電路隨時(shí)將DAC寄存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（IOUT1+IOUT2）輸出。 ,（2）DAC0832與MC