第四章数据采集与控制2010

A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从 而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精 度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型、逐次 比较型、并行比较型等。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频 率f, 然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但 转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次 积分型、双积分型等。
R
11U REF 15
量化电平依据有舍有 入划分为7个电平。
R
9U REF 15
量化单位为 Δ =(2/15)UREF
量化误差为
& d1
R ui
7 U REF 15
|ε
max|=
(1/15)UREF
R
5 U REF 15
电压比较器
3U REF 15
R
U+≥U-时，Ci＝1；
U+＜U-时，Ci＝0。
R
1)
当 Uo 的 尾 数 ＜ Δ 时 ， 舍尾取整。这种方法 ε 总 为正值，ε max＝ Δ 。
2)
当 Uo 的尾数＜ Δ/2 时，舍 尾 取 整 ； 当 Uo 的 尾 数 ≥ Δ/2 时，舍尾入整。这种方法ε可 正可负，但是 |ε max|= Δ /2 。 可见，它的误差要小。
A/D转换器的主要电路形式
为10V，则其分辨率为
1 10V 10 V 2.44m V 分辨率= 12 4 096 2
2. 转换时间是指 A/D 转换器从接到转换启动信号开始，到输
出端获得稳定的数字信号所经过的时间。
A/D 转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同 类型A/D转换器的转换速度相差很大。
①双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；
1 LSB 。就表明实际输出的数字量和理 2
例：某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s内对16个热电 偶的输出电压分数进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0～25mV （对应于0～450℃温度范围），需分辨的温度为0.1℃，试问应选择 几位的A/D转换器？其转换时间为多少？ 解： 分辨率= 0.1
输 出 寄 存 器
dn-1(MSB) dn-2 „ n 位并行 d2 数字输出 d1 d0 (LSB)
逐次逼近型A/D转换器原理图
逐次逼近型A/D转换器的工作原理：
①转换开始前先将逐次逼近寄存器SAR清“0”； ②开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成 1 ， 使输出数字为 100„0 。这个数码被 D/A 转换器转换成相应的模 拟电压uo，经偏移 Δ /2 后得到uO′＝ uO－Δ /2 ，并送到比较器中 与uI′进行比较。若uI′＜uo′，说明数字过大，故将最高位的 1 清 除置零；若uI′≥uo′，说明数字还不够大，应将这一位保留。 ③然后，按同样的方法将次高位置成 1 ，并且经过比较以后确 定这个 1 是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位 为止。比较完毕后，SAR中的状态就是所要求的数字量输出。
2.ADC0809工作原理
②发出 A/D 转换启动信号 START ，在START 的上升沿将SAR ①输入 ④转换结束后， ③转换过程在时钟脉冲 3 位地址信号，在 EOC跳为高电平，在 CLK ALE 的控制下进行； 脉冲的上升沿将地址锁存，经 OE端输入高电平，从 清0，转换结束标志EOC变为低电平，在START的下降沿开 而得到转换结果输出。 译码选通某一通道的模拟信号进入比较器； 始转换；
转换的结果为：d3d2d1d0＝1010。
3.双积分型A/D转换器
双积分型A/D转换器原理
双积分型 ADC 的转换 原 理 是 先 将 模 拟 电 压 UI 转换成与其大小成正比 的时间间隔 T ，再利用基 准时钟脉冲通过计数器 将T变换成数字量。
工作过程
1.初始化阶段 CR清零，S2闭合，电容放电 2.第一次积分（经过2n 个脉冲后，即t= 2n *Tc 后，
3.ADC0809引脚功能
IN0～IN7：8路模拟电压输入。
ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信号。
ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。
D7～D0（2-1～2-8）：8位二进制数码输出。
OE ：输出允许信号，高电平有效。即当 OE=1 时，打开输出
锁存器的三态门，将数据送出。
UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端。
能够将数字量转换为 模拟量的器件称为数 模转换器，简称D/A转 换器或DAC。
数据采集系统的输入通道
模数转换器
A/D转换器的基本工作原理 A/D 转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通 过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。 模拟量输入 数字量输出
VI
采样
保持
量化
编码
DO
取样和保持
取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时 间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列 等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。
例：若UREF＝-4V，n＝4。当采样保持电路输出电压uI′=2.49V时，试 列表说明逐次逼近型ADC电路的A/D转换过程。
解：量化单位为 ＝
| U REF | 4 ＝ ＝0.25V n 2 16
偏移电压为Δ /2＝0.125V
CP节拍
SAR的数码值 DAC输出 比较器输入 比较判别 逻辑操作 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 u O ＝D n • Δ u I ′ u O ′＝u O - Δ /2 0 0 0 0 0 清0 1 1 0 0 0 2V 2.49V 1.875V u O ′≤ u I ′ 保留 2 3 4 5 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 3V 2.5V 2.75V 2.5V 2.49V 2.49V 2.49V 取样 2.875V 2.375V 2.625V u O ′> u I ′ u O ′≤ u I ′ u O ′> u I ′ 去除 保留 去除 输出/取样
450
1 4500
1 1 12位ADC的分辨率= 12 2 4096
故需选用13位A/D转换器。
1 62.5 ms 转换时间= 16
模数转换器举例-8位集成ADC0809
ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位八通道逐次逼近型 A/D转换器。
1.ADC0809特性参数 分辨率： 精度： 转换时间： 增益温度系数： 输入电平： 功耗： 8位 8位 100µs 20ppm/℃ TTL 15mW
3.第二次积分
双积分A/D转换器优点
首先，其转换结果与时间常数 RC 无关，从而消除了由于 斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范 围内变化，而不影响转换结果。 其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值 T1 ，而 T2 正比于输入信号在 T1 内的平均值，这对于叠 加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这 种 A/D 转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时 钟源在一个转换周期（ T1+T2）内保持稳定即可。这种 转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要求不高的 仪器中。
第四章 数/模和模/数转换
概述
ADC和DAC的应用：
传感器
(温度、压力、流 量等模拟量）
A/D
能够将模拟量转换为 数字量的器件称为模 数转换器，简称A/D转 换器或ADC。
显示器
计算机
（数字量）
打印机
执行部件
（模拟量控制）
D/A
ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电 路的桥梁，也可称之为两者之间的接口.
1U REF 15
C －0 +
R/2 电压比较器
并行比较型A/D转换器真值表
输入模拟电压 寄存器状态 （编码器输入） Q 6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 数字量输出 （编码器输出） d2 d1 d0
uI
( 0 ~ 1 )UREF 15 1 ( ~ 3 )UREF 15 15 ( 3 ~ 5 )UREF 15 15 ( 5 ~ 7 )UREF 15 15 ( 7 ~ 9 )UREF 15 15 11 9 3.6V～4.4V ( 15 ~ )UREF 15 ( 11 ~ 13 )UREF 15 15 ( 13 ~ 1 )UREF 15
0
0 0
0
0 0
0 0
0 0 0 0
0
0 0
0
0 1
0
1 1
0
0 0
0
0 1
0
1 0
0
0 0 0
0
0 0 1
0 0
0 1 1 1 1 1
1
1 1 1
1
1 1 1
1
1 1 1
0
1 1 1 1
1
0 0 1 1
1
0 1 0 1
1
1
1
1
1
1
1
例如：uI＝4.2V，UREF＝6V。 则数字量输出d2d1d0＝101。
取样过程
输 入 模 拟 信 号
采样脉冲 采 样 输 出 信 号
f s 2 f max
模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度 τ 一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持 所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之 后须加保持电路。
取样保持电路及输出波形
①在采样脉冲S(t)到来的时间τ 内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假 定充电时间常数远小于 τ ，则有：UOC (t) ＝US(t)＝UI(t)。－－采样 场效应管VT为采样门，电容 为保持电容，运算放大器为跟
因此，这种转换器适用于高速， 精度较低的场合。
2. 逐次逼近型A/D转换器