逐位逼近式AD转换原理图一个n位AD转换器的模数转换表达式

2、采样定理
采样频率越高，采样信号 y*(t)越接近原信号 y(t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会 占用大量时间在采样上，从而失去了实时控制的机 会。为了使采样信号y*(t)既不失真，又不会因频率 太高而浪费时间，我们可依据香浓采样定理。 香浓定理指出：为了使采样信号y*(t)能完全 复现原信号y(t)，采样频率f 至少要为原信号最高 有效频率fmax的2倍，即f 2fmax。实际应用中，常 取f （5-10）fmax。
A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和 相对误差来表示。


所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量 A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输 入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误 差，零点误差和非线性误差等。 相对误差是指绝对误差与满刻度值之比， 一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效 值的位数LSB来表示，1LSB = 1／2n 。
①传感器 — 将非电量转换为电信号。
②多路开关（MUX） — 分时切换各路 模拟量与采样／保持器的通路。
系统 ③放大器（IA）— 多为程控放大器， 对模拟信号进行放大。 配置
④采样/保持器（S/H）—保持模拟信号 电压。 ⑤A/D转换器— 将模拟信号转换为数字 信号。 ⑥接口电路 — 将数字信号进行整形电 平调整。
图7-2-2 同时采集
2、分时采集式
每采样一次便进行一次A/D转换并送 入内存后方才对下一采样点采样。具有 通用性、传感器与仪表放大器匹配灵活， 但对MUX的精度要求很高，因为输入的模 拟量往往是μV级的。如图7-2-3所示为 分时采集框图。
图7-2-3 分时采集
3、高速采集式
对多个模拟信号的同时实时测量很 有必要。在各个输入信号以一个公共点 为参考点时，公共点可能与IA和ADC的参 考点处于不同电位而引入干扰电压UN， 从而造成测量误差。如图7-2-4所法为高 速采框图。
能接收数字量。为此，需要在传感器与计算机之间
进行模／数转换，以便将模拟电压信号转换成计算 机能识别的二进制数字信号。因此A／D转换器是数 据采集系统的重要环节，它直接关系到测量的准确 度、分辨力和转换速度。
1、ADC的主要类型

1）逐位逼近式A/D转换原理 2）双积分式A/D转换原理 3）电压/频率式A/D转换原理
y( t ) y( t ) y *( t ) y* (t)

采样器
0 t 0 T T 2T 3T t
采样器或采样开关--执行采样动作的装置； 采样时间或采样宽度τ--采样开关每次闭合的
图2-7 信号的采样过程
时间； 采样周期T--采样开关每次通断的时间间隔 τ<<T, y* (t ) 可近似认为是 y(t ) 在采样开关闭合 时的瞬时值.
采样保持电路（S/H）

由MOS管采样开关T、保持电容Ch和运放构 成的跟随器三部分组成。
Vin
采样控制
T
Ch
S(t)
－
＋
Vout
采样控制信号S(t)=1时，T导通，Vin向Ch充电，Vc和Vout跟
踪Vin变化，即对Vin采样。S(t)=0时，T截止，Vout将保持前一 瞬间采样的数值不变。
1、信号采样的过程
图7-2-4 高速采集
4、差动结构
如图7-2-5所示为差动结构配置方式。
采用差动配置方式可抑制共模干扰，其中 MUX可采用双输出器件，也可用两个MUX并 联。
图7-2-5 差动结构
三、采样/保持器
当某一通道进行A/D转换时，由于 A/D 转换需要一定的时间，如果输入信 号变化较快，就会引起较大的转换误差。 为了保证A/D转换的精度，需要应用采 样保持器。
1）逐位逼近式A/D转换原理

一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位
D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、 输出锁存器等五部分组成。如图为逐次逼 近式A/D转换器的原理图，可以4位A/D转换 器把模拟量9转换为二进制数1001。
反馈电压 VO V IN 模拟量 输 入 启动 CLK 控制时序和 逻辑电路 逐位逼近寄 存 器 (SAR) 比较器 VC D / A转 换 器 数字量 输 出 锁存器 D0 D1 D2 D3

典型的采样保持电路—LF198
30k
D1
R1 D2 S R2
ui uL
A1 L
u 'o
A2 300 Ch
uo
图7-2-6 采样保持电路
四、A/D转换器
A／D转换器是一种将模拟量转换成数字量的器 件，通常也称为ADC。在数据采集系统中，传感器的 输出大部分为模拟信号(电压、电流)，而计算机只
3）转换时间
A/D转换器完成一次转换所需的时间 称为转换时间。如逐位逼近式A/D 转换器 的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换 器的转换时间为毫秒级。

五、模拟多路开关
由于计算机的工作速度远远快于被测参 数的变化，因此一台计算机系统可供几十个 检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接 收一个回路的信号。所以，必须通过多路模 拟开关实现多选1的操作，将多路输入信号依 次地切换到后级。 如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8 路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单 向、单端、16路)等。
3）电压/频率式A/D转换原理
电压/频率式转换器--简称V/F转换器，
是把模拟 电压信号转换成频率信号的器 件。
V/F转换的方法--实现V/F转换的方法很
多，现以常见的电荷平衡V/F转换法说明 其转换原理，如图7-2-8（a）、（b）所 示。
V0
积分器 输出 反充电
充电
t
定时脉冲 （开关S 状态）
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系
第三讲 数据采集
一、数据采集系统组成 二、数据采集系统的结构形式
三、采样保持器
四、A/D转换器
五、模拟多路开关
一、数据采集系统组成
传感器输出的信号经预处理变为模 拟电压信号后，需转换成数字量才能进 行数字显示或送入计算机。这种将模拟 信号数字化的过程称为数据采集。
S闭和 S断开
t
Vfo
频率输出 （三极管 T状态） T截止 T导通
t
T1
T
(a) 电路原理图
(b) 波形图
图7-2-8 电荷平衡式V/F转换原理
由积分器、比较器和整形电路构成的 VFC电路，把模拟电压变换成相应频率的 脉冲信号，其频率正比于输入电压值， 然后用频率计测量。VFC能快速响应，抗 干扰性能好，能连续转换，适用于输入 信号动态范围宽和需要远距离传送的场 合，但转换速度慢。
双积分式A/D转换原理图
双积分型ADC的转换周期有两个单独 的积分区间组成。未知电压在已知时间内 进行定时积分,然后转换为对参比电压反 向定压积分,直至积分输出返回到初始值。 双积分ADC测量的是信号平均值。 此种A/D转换器的常用品种有输出为3 位半BCD码（二进制编码的十进制数）的 ICL7107、MC14433、输出为4位半BCD码的 ICL7135等。
B、A=001时，通道S通；……当C、B、A = 111时，通道S7
选通。其结构图如图7-2-9所示，其真值表如下表所示。
Sm A 译 码 驱 动 电 平 转 换 B C INH
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
组成：逻辑电平转换、二进制译码器及 图2 -3 CD4051结构原理图 8个开关电路。 图7-2-9 CD4051结构图
2、ADC的主要性能指标
1）分辨率 分辨率是指A/D转换器对微小输入 信号变化的敏感程度。分辨率越高，转 换时对输入量微小变化的反应越灵敏。 通常用数字量的位数来表示，如8位、 10位、12位等。分辨率为n，表示它可 以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。 即： 分辨率 = 满刻度值/2n
2）转换精度
在A/D通道中，采样保持器的采样和保 持电平应与后级的A/D转换相配合，该电平 信号既可以由其它控制电路产生，也可以 由A/D转换器直接提供。 总之，保持器在采样期间，不启动A/D 转换器，而一旦进入保持期间，则立即启 动A/D转换器，从而保证A/D 转换时的模拟 输入电压恒定，以确保A/D转换精度。
2）双积分式A/D转换原理
模拟输入 开关
VIN
积分器 基准电源
比较器 斜率固定
时钟 转换开始
控制逻辑 转2 正比于输入电压
Dn-1 ～ D0
( a ) 电路组成框图
( b ) 双积分原理
图7-2-7
图 2 10 双积分式 A/D 转换原理图
多路开关 传感器 传感器 传感器 被 测 物 理 量 传感器 定时与逻辑控制 … … 数字信号 放大 器 采 样 / 保 持 器 A / D 转 换 器 显示器 计 算 机 绘图机
打印机
传感器
传感器
开关信号
接 口
图7-2-1
数据采集系统
二、数据采集系统的结构形式
1、同时采集式
可对各通首传感器输出量进行同时 采样保持、分时转换和存储，可保证获 得各采样点同一时刻的模拟量。如图72-2所示为同时采集的框图。
模拟多路开关CD4051
CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组 成。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0-S7端与 Sm端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过 改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0-S7 中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、
图 2-9 逐位逼近式A/D转换原理图
图7-2-6 逐位逼近式A/D转换原理图

一个 n 位A/D转换器的模数转换表达式是
VIN VR B 2n VR VR

式中 n —— n位A/D转换器； VR+、VR- ——基准电压源的正、负输入； VIN——要转换的输入模拟量； B——转换后的输出数字量。 即当基准电压源确定之后，n位A/D转换 器的输出数字量B与要转换的输入模拟量VIN 呈正比。