AD轉(zhuǎn)換講解PPT學習教案

1、會計學1AD轉(zhuǎn)換講解轉(zhuǎn)換講解分類按速度分：高、中、低按精度分：高、中、低按位數(shù)分：8、10、12、14、16按工作原理分第1頁/共88頁按工作原理分直接比較型 模擬信號直接參考電壓比較，得到數(shù)字量。有逐次比較、連續(xù)比較優(yōu)點：瞬時比較，轉(zhuǎn)換速度快。間接比較 模擬信號與參考電壓先轉(zhuǎn)換為中間物理量，再進行比較。缺點：抗干擾能力差。有雙斜式、積分式、脈沖調(diào)寬優(yōu)點：平均值比較，抗干擾能力強。缺點：轉(zhuǎn)換速度慢。第2頁/共88頁1. 分辨率 分辨率 AD轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬輸入信號的最小變化量。 設AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，滿量程電壓為FSR，則分辨率定義為： 第3頁/共88頁) 16(2nFSR分辨率量化單位就

2、是AD轉(zhuǎn)換器的分辨率。相對分辨率定義為 )26(%10021%100nFSR分辨率相對分辨率第4頁/共88頁表6.1 AD轉(zhuǎn)換器分辨率與位數(shù)之間的關系(滿量程電壓為10V) 位 數(shù) 級 數(shù) 相對分辨率 （1LSB） 分辨率（1LSB） 8 10 12 14 16 256 1024 4096 16384 65536 0.391% 0.0977% 0.0244% 0.0061% 0.0015% 39.1mV 9.77mV 2.44mV 0.61mV 0.15mV 由式（6-1）和式（6-2），可得出AD轉(zhuǎn)換器分辨率與位數(shù)之間的關系 第5頁/共88頁AD轉(zhuǎn)換器分辨率的高低取決于位數(shù)的多少。 因此，目

3、前一般用位數(shù)n來間接表示分辨率。2. 量程 量程 AD轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換模擬信號的電壓范圍。例如：05V，-5V+5V，010V， -10V+10V。 第6頁/共88頁3. 精度絕對精度 絕對精度 對應于輸出數(shù)碼的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。存在問題：在AD轉(zhuǎn)換時，量化帶內(nèi)的任意模擬輸入電壓都能產(chǎn)生同一輸出數(shù)碼。 第7頁/共88頁約定：上述定義的模擬輸入電壓則限定為量化帶中點對應的模擬輸入電壓值。例如：一個12位AD轉(zhuǎn)換器，理論模擬 輸入電壓為5V時，對應的輸出數(shù) 碼為100000000000。 實際模擬輸 入電壓在4.997V4.999V范圍內(nèi) 的都產(chǎn)生這一輸出數(shù)碼，則)mV(2)V(

4、002.05)999.4997.421 （絕對精度第8頁/共88頁絕對誤差一般在 12LSB范圍內(nèi)。 相對精度 相對精度 絕對精度與滿量程電壓值之比的百分數(shù)。 相對精度絕對精度FSR100%第9頁/共88頁 精度和分辨率是兩個不同的概念： 精度是指轉(zhuǎn)換后所得結果相對于實 際值的準確度； 分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬 信號的最小變化值。 第10頁/共88頁4. 轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換時間tCONV 轉(zhuǎn)換時間 按照規(guī)定的精度將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出所需要的時間。 轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換速率 每秒鐘轉(zhuǎn)換的次數(shù)。 第11頁/共88頁下面討論轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換精度、信號頻率的關系。 瞬時值響應的AD轉(zhuǎn)換器

5、 轉(zhuǎn)換時間取決于所要求的轉(zhuǎn)換精度和被轉(zhuǎn)換信號的頻率。 以圖6.1所示的正弦信號為例，討論它們之間的關系。第12頁/共88頁Um2U(t)=sint 設在t0時刻開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換一次所需的時間為tCONV，轉(zhuǎn)換終了的時刻為t1，與tCONV對應信號電壓增量(誤差)為U。tU(t)Um2t0t1tCONVU圖6.1 轉(zhuǎn)換時間對信號轉(zhuǎn)換的影響由于ddmmUttUtfUft( )coscos122第13頁/共88頁在過零點上有最大值過零時，tn |cos|t 1Utf Um第14頁/共88頁 故在過零點處，轉(zhuǎn)換時間所造成的最大電壓誤差為 ) 36(CONVmmtUftUfU由此可知： 當精度一定時，信號

6、頻率，tCONV； 當信號頻率一定， tCONV ，U。第15頁/共88頁平均值響應的轉(zhuǎn)換器 由于被轉(zhuǎn)換的模擬量為直流電壓，而干擾是交變的，因此轉(zhuǎn)換時間 tCONV 越長，其抑制干擾的能力就越強。換言之：平均值響應的轉(zhuǎn)換器是在犧性轉(zhuǎn) 換時間的情況下提高轉(zhuǎn)換精度的。 第16頁/共88頁5. 偏移誤差 偏移誤差 使最低有效位成“ 1 ”狀時，實際輸入電壓與理論輸入電壓之差。 如圖6.2所示。 第17頁/共88頁 該誤差主要是失調(diào)電壓及溫漂造成的。 一般來說，在一定溫度下，偏移電壓是可以通過外電路予以抵消。 Ui輸出數(shù)碼001010011100101110111偏移誤差Ui誤差圖6.2 偏移誤差 (

7、a)(b)第18頁/共88頁但當溫度變化時，偏移電壓又將出現(xiàn)。6. 增益誤差 增益誤差 滿量程輸出數(shù)碼時，實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。 該誤差使傳輸特性曲線繞坐標原點偏離理想特性曲線一定的角度，如圖6.3所示。 第19頁/共88頁K1當K=1時，沒有增益誤差，Ui = FSR，輸出為111。 當K1時，傳輸特性的臺階變窄，在模擬輸入信號達到滿量程值之前，數(shù)碼輸出就已為全“1”狀態(tài)。當K Uf，予以保留此位的“1” 。第27頁/共88頁第二個時鐘脈沖到來時，SAR 置為11000000碼，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生反饋電壓Uf512102427682.V，因Ui Uf ，故保留此位“1”。第

8、28頁/共88頁第三個時鐘脈沖到來時，SAR 狀態(tài)置為11100000，經(jīng)DA 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生反饋電壓Uf7 68102428963.V，因Ui 0ns200ns200ns300ns300ns25s為什么這樣說？ 因為如果 CS和CE先有效， R/C脈沖到來之前的高電平會引起三態(tài)輸出門打開，影響數(shù)據(jù)總線。 當CE=1時，啟動轉(zhuǎn)換。第44頁/共88頁 注意：在啟動轉(zhuǎn)換后，各控制信號不起作用，只有STS信號標志工作狀態(tài)。 讀出數(shù)據(jù) 讀出數(shù)據(jù)也同樣由CE來啟動。第45頁/共88頁圖6.15 AD574 讀數(shù)據(jù)時序CECSR/CA0STSDB0DB11300ns150ns0ns150ns250ns50ns

9、0ns50ns350ns第46頁/共88頁 工作方式選擇工作方式單極性：0 xV， 輸出二進制碼。雙極性：-xV +xV， 輸出偏移二進制碼第47頁/共88頁圖6.16 AD574工作方式的接法1+5V+15V7-15V11159 W20.1KAD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND100K W1100K010V020V(a)(a) 單極性輸入；AD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND151+5V7+15V11-15V9-55V-1010V(b)(b) 雙極性輸入0.1K第48頁/共88頁1. 如何確定AD轉(zhuǎn)換器的

10、位數(shù) 應該考慮靜態(tài)精度動態(tài)精度第49頁/共88頁從靜態(tài)精度考慮要考慮量化誤差對輸出的影響。量化誤差與AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)有關。第50頁/共88頁由圖可知10位以下誤差較大；11位以上誤差減小不明顯。圖6.22 位數(shù)與誤差的關系位數(shù)誤差8 9 10 11 12 13第51頁/共88頁因此，取1011位是合適的。從精度來看由于模擬信號是先測量后轉(zhuǎn)換，因此總誤差測量誤差量化誤差第52頁/共88頁設測量誤差和量化誤差不相關。它們的標準差分別為e M和eq 。則總誤差的標準差為)106(M2q2Meeee式中 )116()(12Mqee第53頁/共88頁由圖6.23可知: , 5 . 0) 1 (Mqee,

11、3 . 0)2(Mqee 變化緩慢， eM減小不多。，eM圖6.23 與 的關系eqeMeqeM0.10.30.50.70.91.01.11.21.31.4因此，取 eeqM為0.3 0.5較為合適。第54頁/共88頁 總之，AD轉(zhuǎn)換器的精度應與測量裝置的精度相匹配。確定位數(shù)量化誤差在總誤差中所占 比例要小。根據(jù)測量裝置的精度水平， 合理提出位數(shù)要求。第55頁/共88頁 目前，大多數(shù)測量裝置的精度值不小于0.1%0.5%，故AD轉(zhuǎn)換器的精度取0.05%0.1%，相應的位數(shù)為1011位，加上符號位，即為1112位。 從動態(tài)平滑性的要求來考慮 位數(shù)不能太多，否則雖然q，但產(chǎn)生高頻小振幅量化噪聲。

12、一般來說，滿足靜態(tài)精度要求的位數(shù)，也能滿足動態(tài)平滑性的要求。 第56頁/共88頁2. 如何確定AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換速率 每秒鐘能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。 其與轉(zhuǎn)換時間的關系： 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換時時間間轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換速速率率1第57頁/共88頁確定轉(zhuǎn)換速率時，應該考慮系統(tǒng)的采樣速率： 若轉(zhuǎn)換時間為100s ，則轉(zhuǎn)換速率為10千次/s。 設一個周期采10個樣點，那么AD轉(zhuǎn)換器最高只能處理1kHz的模擬信號。若轉(zhuǎn)換時間為10s，則轉(zhuǎn)換速率為100千次/s，信號頻率可提高到10kHz。 第58頁/共88頁3. 如何確定是否要加采樣保持器 原則上，采集變化非常緩慢的模擬信號（例如溫度）時，可不用采樣保持器。 其它模擬信

13、號都要加采樣保持器。第59頁/共88頁接口任務轉(zhuǎn)換器收到微機發(fā)出的轉(zhuǎn)換 指令，進行轉(zhuǎn)換。當微機發(fā)出取數(shù)指令時，轉(zhuǎn) 換結果存入微機內(nèi)存。第60頁/共88頁1. 接口設計中的問題 需要解決的問題有以下三個： 數(shù)據(jù)輸出緩沖問題 原因：計算機的數(shù)據(jù)總線是CPU與存儲器、IO設備之間傳送數(shù)據(jù)的公共通道。 要求：AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出端必須通過三態(tài)緩沖器與數(shù)據(jù)總線相連。第61頁/共88頁 當未被選中時，AD轉(zhuǎn)換器的輸出呈高阻抗狀態(tài)，以免干擾數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳送。下面分四種情況予以討論。芯片數(shù)據(jù)輸出端有三態(tài)緩沖器，且有三態(tài)控制端引腳相應芯片有ADC0809，AD7574。它們可以直接和微機數(shù)據(jù)總線相連。 第6

14、2頁/共88頁芯片不具備三態(tài)輸出緩沖器 相應芯片有ADC1210。 這類芯片輸出端不能直接連到數(shù)據(jù)總線，必須外加三態(tài)緩沖器。芯片具有三態(tài)輸出緩沖器，且由片內(nèi)時序控制相應芯片有AD571和AD572。 這類芯片不能直接與數(shù)據(jù)總線相連，需要通過時序調(diào)整接口轉(zhuǎn)換。第63頁/共88頁芯片有三態(tài)輸出緩沖器，且片內(nèi)時序與微機總線時序配合 相應芯片有AD574A， 這類芯片的輸出端可直接和微機數(shù)據(jù)總線相連。 產(chǎn)生芯片選通信號和控制信號 芯片選通信號 地址信號。信號產(chǎn)生：由譯碼器產(chǎn)生地址信號。第64頁/共88頁作用：給出地址信號，就選通了AD芯片。 譯碼器與地址總線連接系統(tǒng)采用內(nèi)存映象IO方式，需要全部地址線

15、參與譯碼。系統(tǒng)采用IO映象方式，用部 分低位地址線參與譯碼。內(nèi)存映象IO不單獨編址。IO映象IO單獨編址。第65頁/共88頁控制信號完成對AD轉(zhuǎn)換器的讀寫控制 不同微機其控制總線不相同： 8031單片機中，控制線共同控、RDWR制AD轉(zhuǎn)換器的讀寫操作。當 0WR時，執(zhí)行寫操作； 當 0RD時，讀操作。 第66頁/共88頁 8088CPU的PC機中，控制線 、IORIOW共同控制AD轉(zhuǎn)換器的讀寫操作。 在利用微機地址總線、控制總線對AD轉(zhuǎn)換器的讀寫進行控制時，要注意時序匹配。時序匹配 微機提供的控制信號的持續(xù)時間和相位關系滿足所用 AD 轉(zhuǎn)換器的控制要求。第67頁/共88頁 在接有采樣保持器的數(shù)

16、據(jù)采集系統(tǒng)中，要考慮采樣保持器、 AD轉(zhuǎn)換器和CPU之間的時序配合問題。 用AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號作為采 樣保持器的模擬開關的控制信號。 保證AD轉(zhuǎn)換與采樣保持器的協(xié)調(diào)。目的：通常做法： 第68頁/共88頁AD轉(zhuǎn)換器的啟動轉(zhuǎn)換脈沖寬度應大于 采樣保持器的孔徑時間。保證在啟動AD轉(zhuǎn)換之前采樣保持器已達到穩(wěn)定狀態(tài)，使AD轉(zhuǎn)換準確。目的：第69頁/共88頁 讀出數(shù)據(jù) 需要解決 的問題AD轉(zhuǎn)換器與CPU的聯(lián)絡 方式。數(shù)據(jù)輸出格式。聯(lián)絡方式聯(lián)絡 CPU與AD轉(zhuǎn)換器傳送信息。 第70頁/共88頁聯(lián)絡方式 查詢方式。 中斷方式。 查詢方式查詢方式 CPU不斷查詢AD轉(zhuǎn)換器的STS腳的電平變化。 因此，要將

17、AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換狀態(tài)STS腳接在微機IO口的某一位上。 第71頁/共88頁傳到D0AD5748031P0.7P0.0.D11D4.D3D0.STSP2.7P2.0.RD+圖6.26 8031與AD574A接口電路中轉(zhuǎn)換狀態(tài)查詢第72頁/共88頁 AD574A的轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號STS經(jīng)三態(tài)緩沖器接到數(shù)據(jù)總線的D0上，在讀狀態(tài)，用一特定地址選定、打開三態(tài)緩沖器，以供CPU檢查轉(zhuǎn)換狀態(tài)：D0 = 0，AD處于轉(zhuǎn)換周期； D1 = 1，AD轉(zhuǎn)換結束。 第73頁/共88頁 中斷方式中斷方式 AD轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號通過中斷輸入線向CPU申請中斷，CPU響應中斷后，轉(zhuǎn)中斷服務程序讀轉(zhuǎn)換結果。 第74頁/共88頁 AD

18、574A的轉(zhuǎn)換結束信號STS經(jīng)反相形成正脈沖去觸發(fā)74LS74 (D)觸發(fā)器，圖6.26 AD574與PC總線中斷聯(lián)絡方式接口電路D Q 74LS074 RS該觸發(fā)器的輸出經(jīng)三態(tài)緩沖器接到 PC 機總線上空閑的中斷請求線上。 D觸發(fā)器的清除和三態(tài)緩沖器的啟動均由可編程IO端口位控制。第75頁/共88頁 在設計接口電路時，究竟是采用查詢還是中斷方式，依據(jù)處理情況而定： 若轉(zhuǎn)換時間長（100s以上）時，且程序要同時完成其它計算，則采用中斷方式。 若轉(zhuǎn)換時間較短（幾十微秒以下）時，且程序不處理其它任務，則采用查詢方式。 第76頁/共88頁數(shù)據(jù)輸出格式數(shù)據(jù)輸出格式 并行輸出 串行輸出 下面一段程序是I

19、BM-PCXT機從12位AD轉(zhuǎn)換器ADC1210讀取數(shù)據(jù)的匯編程序。第77頁/共88頁 ADC1210的數(shù)據(jù)輸出端無三態(tài)緩沖器，故外接緩沖器1（設地址為0101H）用于鎖存高4位數(shù)據(jù)，緩沖器2（地址為0102H）用于鎖存低8位數(shù)據(jù)。程序如下： MOV DX，0101H ；準備高4位數(shù)據(jù)地址 IN AL，DX ；讀入高4位轉(zhuǎn)換結果 MOV AH，AL；送入AH寄存器保存 第78頁/共88頁INC DX ；準備低8位數(shù)據(jù)地址 IN AL，DX ；讀入低8位轉(zhuǎn)換結果 程序執(zhí)行后，8088CPU中的AX寄存器的內(nèi)容即為AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 2. 內(nèi)含三態(tài)緩沖器的AD轉(zhuǎn)換器的接口電路 ADC0809與

20、微機的接口 第79頁/共88頁這部分內(nèi)容留給大家自習。 AD574A與微機的接口 AD574A與8031單片機的接口 ADC0809與8031單片的接口電路如圖6.27所示。第80頁/共88頁Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7A0D11D0CESTS74LS 373+15V-15V滿量程調(diào)整RW1+15V-15VRW2模擬量輸入UccUeeREF INREFOUTBIPOFF10Vin20Vin12/8DGNDAGNDCS.AD574AALEP.WRRDEAUlo+5VR/C8031D0D1D2D3D4D5D6D7GE74LS001001001001000.70.01.0PP圖圖6 6. .2 28 8 A AD D5 57 74 4A A與與8 80 03 31 1的的接接口口第81頁/共88頁 該電路采用單極性輸入方式，可對010V 或020V 模擬信號進行轉(zhuǎn)換。 由于AD574A片內(nèi)有時鐘，故無須外加時鐘信號。因為接地，所以AD轉(zhuǎn)換結果12