AD轉(zhuǎn)換講解PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)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(diǎn)：瞬時(shí)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(jìn)行比較。缺點(diǎn)：抗干擾能力差。有雙斜式、積分式、脈沖調(diào)寬優(yōu)點(diǎn)：平均值比較，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：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(shè)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(guān)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(guān)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(yīng)于輸出數(shù)碼的實(shí)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(shí)，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(diǎn)對應(yīng)的模擬輸入電壓值。例如：一個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換器，理論模擬 輸入電壓為5V時(shí)，對應(yīng)的輸出數(shù) 碼為100000000000。 實(shí)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?jǐn)?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(gè)不同的概念： 精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對于實(shí) 際值的準(zhǔn)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(shí)間和轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換時(shí)間tCONV 轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)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(shí)間與轉(zhuǎn)換精度、信號頻率的關(guān)系。 瞬時(shí)值響應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器

5、 轉(zhuǎn)換時(shí)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(guān)系。第12頁/共88頁Um2U(t)=sint 設(shè)在t0時(shí)刻開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換一次所需的時(shí)間為tCONV，轉(zhuǎn)換終了的時(shí)刻為t1，與tCONV對應(yīng)信號電壓增量(誤差)為U。tU(t)Um2t0t1tCONVU圖6.1 轉(zhuǎn)換時(shí)間對信號轉(zhuǎn)換的影響由于ddmmUttUtfUft( )coscos122第13頁/共88頁在過零點(diǎn)上有最大值過零時(shí)，tn |cos|t 1Utf Um第14頁/共88頁 故在過零點(diǎn)處，轉(zhuǎn)換時(shí)間所造成的最大電壓誤差為 ) 36(CONVmmtUftUfU由此可知： 當(dāng)精度一定時(shí)，信號

6、頻率，tCONV； 當(dāng)信號頻率一定， tCONV ，U。第15頁/共88頁平均值響應(yīng)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(shí)間 tCONV 越長，其抑制干擾的能力就越強(qiáng)。換言之：平均值響應(yīng)的轉(zhuǎn)換器是在犧性轉(zhuǎn) 換時(shí)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(shí)，實(shí)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(dāng)溫度變化時(shí)，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(shí)，實(shí)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(biāo)原點(diǎn)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(dāng)K=1時(shí)，沒有增益誤差，Ui = FSR，輸出為111。 當(dāng)K1時(shí)，傳輸特性的臺階變窄，在模擬輸入信號達(dá)到滿量程值之前，數(shù)碼輸出就已為全“1”狀態(tài)。當(dāng)K Uf，予以保留此位的“1” 。第27頁/共88頁第二個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，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(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，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?yàn)槿绻?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(dāng)CE=1時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。第44頁/共88頁 注意：在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，各控制信號不起作用，只有STS信號標(biāo)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(dòng)。第45頁/共88頁圖6.15 AD574 讀數(shù)據(jù)時(shí)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(jìn)制碼。雙極性：-xV +xV， 輸出偏移二進(jìn)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(yīng)該考慮靜態(tài)精度動(dòng)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(guān)。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(guān)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(shè)測量誤差和量化誤差不相關(guān)。它們的標(biāo)準(zhǔn)差分別為e M和eq 。則總誤差的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(yīng)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(yīng)的位數(shù)為1011位，加上符號位，即為1112位。 從動(dòng)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(dòng)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(shí)間的關(guān)系： 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換時(shí)時(shí)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(shí)，應(yīng)該考慮系統(tǒng)的采樣速率： 若轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s ，則轉(zhuǎn)換速率為10千次/s。 設(shè)一個(gè)周期采10個(gè)樣點(diǎn)，那么AD轉(zhuǎn)換器最高只能處理1kHz的模擬信號。若轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)，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(wù)轉(zhuǎn)換器收到微機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)換 指令，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)微機(jī)發(fā)出取數(shù)指令時(shí)，轉(zhuǎn) 換結(jié)果存入微機(jī)內(nèi)存。第60頁/共88頁1. 接口設(shè)計(jì)中的問題 需要解決的問題有以下三個(gè)： 數(shù)據(jù)輸出緩沖問題 原因：計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線是CPU與存儲器、IO設(shè)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(dāng)未被選中時(shí)，AD轉(zhuǎn)換器的輸出呈高阻抗?fàn)顟B(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(yīng)芯片有ADC0809，AD7574。它們可以直接和微機(jī)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(yīng)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(shí)序控制相應(yīng)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(shí)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(shí)序與微機(jī)總線時(shí)序配合 相應(yīng)芯片有AD574A， 這類芯片的輸出端可直接和微機(jī)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(dú)編址。IO映象IO單獨(dú)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(jī)其控制總線不相同： 8031單片機(jī)中，控制線共同控、RDWR制AD轉(zhuǎn)換器的讀寫操作。當(dāng) 0WR時(shí)，執(zhí)行寫操作； 當(dāng) 0RD時(shí)，讀操作。 第66頁/共88頁 8088CPU的PC機(jī)中，控制線 、IORIOW共同控制AD轉(zhuǎn)換器的讀寫操作。 在利用微機(jī)地址總線、控制總線對AD轉(zhuǎn)換器的讀寫進(jìn)行控制時(shí)，要注意時(shí)序匹配。時(shí)序匹配 微機(jī)提供的控制信號的持續(xù)時(shí)間和相位關(guān)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(shí)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(guān)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(dòng)轉(zhuǎn)換脈沖寬度應(yīng)大于 采樣保持器的孔徑時(shí)間。保證在啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換之前采樣保持器已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，使AD轉(zhuǎn)換準(zhǔn)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(luò) 方式。數(shù)據(jù)輸出格式。聯(lián)絡(luò)方式聯(lián)絡(luò) CPU與AD轉(zhuǎn)換器傳送信息。 第70頁/共88頁聯(lián)絡(luò)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(jī)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(jié)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(yīng)中斷后，轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。 第74頁/共88頁 AD

18、574A的轉(zhuǎn)換結(jié)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(luò)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(jī)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(dòng)均由可編程IO端口位控制。第75頁/共88頁 在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)，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(shí)間長（100s以上）時(shí)，且程序要同時(shí)完成其它計(jì)算，則采用中斷方式。 若轉(zhuǎn)換時(shí)間較短（幾十微秒以下）時(shí)，且程序不處理其它任務(wù)，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(jī)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(shè)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(zhǔn)備高4位數(shù)據(jù)地址 IN AL，DX ；讀入高4位轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV AH，AL；送入AH寄存器保存 第78頁/共88頁INC DX ；準(zhǔn)備低8位數(shù)據(jù)地址 IN AL，DX ；讀入低8位轉(zhuǎn)換結(jié)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(jī)的接口 第79頁/共88頁這部分內(nèi)容留給大家自習(xí)。 AD574A與微機(jī)的接口 AD574A與8031單片機(jī)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U(xiǎn)ccUeeREF 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(jìn)行轉(zhuǎn)換。 由于AD574A片內(nèi)有時(shí)鐘，故無須外加時(shí)鐘信號。因?yàn)榻拥兀訟D轉(zhuǎn)換結(jié)果12