项目6多路数据采集系统的采集与转换课件.ppt

1、 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 概述概述 将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。的模拟电量成正比。Digital-Analog Converter，简称简称 D/A 转换器或转换器或DAC。Analog-Digital Converter，简称简称 A/D 转换器或转换器或ADC。将数字量转换为模拟电量将数字量转换为模拟电量(电压或电流电压或电流)，使输出，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比的模拟电量与输入的数字量成正比。数模转换数模转换：实现数模转换的电路称数模转换器。实现数模转换

2、的电路称数模转换器。模数转换：模数转换：实现模数转换的电路称模数转换器实现模数转换的电路称模数转换器。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换传感器传感器(温度、压力、流温度、压力、流量等量等模拟量模拟量）A/D计算机计算机（数字量）（数字量）显示器显示器D/A执行部件执行部件（模拟量控制）（模拟量控制）打印机打印机 ADCADC和和DACDAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，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也可称之为两者之间的接口.ADCADC和和DACDAC的应用：的应用：项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集

3、与转换压力,温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的模拟信号由DAC转换成模拟量信号的电压和或电流数字计算机工业控制系统示意图数字计算机工业控制系统示意图由计算机依次选通，进入ADC转换成数字量信号经过计算机数据处理，输出为数字量计算机选择某一执行机构，去调节控制对象。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 D/AD/A转换器实质上是一个转换器实质上是一个译码器译码器（解码器）。一般常（解码器）。一般常用的线性用的线性D/AD/A转换器，其输出模拟电压转换器，其输出模拟电压uO O和输入数字量和输入数字量D Dn n之间成之间成正比关系正比关系。U

4、UREFREF为参考电压。为参考电压。一、一、D/AD/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理单元单元1 1 数模转换器数模转换器 D/AD/A转换器是将输入的转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。以电压或电流的形式输出。uo或或 io 输出输出 D/A d0 d1 dn1 输入输入 Dn (LSB)(MSB)uODnUREF 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 将输入的每一位二进制代码将输入的每一位二进制代码按按其其权值权值大小大小转换转换成相应成相应的模拟量，然后将代表各位的的模拟量，然后将代表各位

5、的模拟量相加模拟量相加，则所得的总模，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。的转换。1-n0iREFiiREF00REF11REF2n2nREF1n1nREFnoU2d U2dU2dU2dU2d UDu 1-n0iii00112n2n1n1nn2d2d2d2d2dD即：即：D/AD/A转换器的输出电压转换器的输出电压u uO O，等于代码为，等于代码为1 1的各位所对应的各位所对应的各分模拟电压之和。的各分模拟电压之和。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 D/AD/A转换器一般

6、由转换器一般由数码缓冲寄存器数码缓冲寄存器、模拟电子开关模拟电子开关、参考电压参考电压、解码网络解码网络和和求和电路求和电路等组成。等组成。数码缓冲数码缓冲寄存器寄存器n位数控位数控模拟开关模拟开关解码网络解码网络n位数字位数字量输入量输入模拟量模拟量输出输出求和电路求和电路参考电压参考电压n n 位位D/AD/A转换器方框图转换器方框图 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；关，将在解码网络

7、中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A(MSB)(LSB)dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF(R/2)u0 UREF +I 1.权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 权电阻网络权电阻网络DAC原理图原理图 二、二、D/AD/A转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式权电阻权电阻双向模拟开

8、关双向模拟开关数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器运算放大器 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 集成运算放大器，作为集成运算放大器，作为求和求和权电阻网络的缓冲，并将电流权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。转换为电压输出。Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A(MSB)(LSB)dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF(R/2)u0 UREF +I 00d222,2

9、,21dii11111010iinREFinREFinREFnREFIRURUIUIRUI时，时，权电阻网络权电阻网络DACDAC的原理分析的原理分析 开关开关S Si i的位置受数据锁存器输出的数码的位置受数据锁存器输出的数码d di i控制：控制：当当d di i=1=1时，时，S Si i将对将对应的权电阻接到参考电压应的权电阻接到参考电压U UREFREF上；当上；当d di i=0=0时，时，S Si i将对应的权电阻接地将对应的权电阻接地。i1nREFii1nREFii2R2UdR2UdI 虚短虚短 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 1-n0i

10、ii1-nREFi-1-nREF1-n0ii1-n0ii0122n1n2dR2UR2UdI IIIIII虚断虚断运算放大器总的输入电流为运算放大器总的输入电流为 运算放大器输出电压为运算放大器输出电压为 1n0iii1nREFFFO2dR2URIRu令令 R RF F=R/2=R/2，则，则nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现，从而实现了从数字量到模拟量的转换。了从数字量到模拟量的转换。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换因而因而u uO O

11、的变化范围是的变化范围是 REFnnU2120 当当Dn=Dn-1D0=0时，时，uO=0；当当Dn=Dn-1D0=111时，时，。REFnnOU212u 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器的特点转换器的特点优点：结构简单，电阻元件数较少；优点：结构简单，电阻元件数较少；缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 A(MSB)(LSB)dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF(R)u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R +2.倒

12、倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 电阻解码网络中，电阻只有电阻解码网络中，电阻只有R R和和2R2R两种，并构成倒两种，并构成倒T T型电阻网型电阻网络。当络。当d di i=1=1时，相应的开关时，相应的开关S Si i接到求和点；当接到求和点；当d di i=0=0时，相应的开时，相应的开关关S Si i接地。但由于接地。但由于虚短虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻向，电阻2R2R总是与地相连总是与地相连。这样，倒。这样，倒T T型网络的各节点型网络的各节点向上看向上看和和向右看向右看的

13、等效电阻都是的等效电阻都是2R2R，整个网络的等效输入电阻为整个网络的等效输入电阻为R R。求和点求和点倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器原理图转换器原理图 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 A(MSB)(LSB)dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF(R)u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2I 2I 2I 2I 2I n1-n2-n21 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R n1-n2-n212I 2I 2I 2I 2I I +I 参考电压参考电压UREF供出的总电流为：供出的总电流为：RUIREF 00d222

14、,2,21dii1100iinREFininnIRUIIIIII时，时，inREFiinii2R2Ud2IdI 分流：分流：流入求和点的各支路电流为：流入求和点的各支路电流为：项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 1n0iiinREF1n0iiin00112n2n1n1nnn01n122n11n012-n1-n2dR2U2d2I2d2d2d2d2I2Id2Id2Id2IdIIIII)(流入求和点的电流为：流入求和点的电流为：虚断虚断，运算放大器的输出电压为：，运算放大器的输出电压为：1n0iiinREFFFO2dR2URIRu 项目项目5：多路数据采集系统的采

15、集与转换：多路数据采集系统的采集与转换倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器的特点：转换器的特点：优点：电阻种类少，只有优点：电阻种类少，只有R和和2R，提高了制造精度；而，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。应用：它是目前集成应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如较多的一种，如8位位D/A转换器转换器DAC0832，就是采用倒，就是采用倒T型电型电阻网络阻网络。令令 R RF F=R=R，则，则nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电

16、压即：输出的模拟电压u uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现了从，从而实现了从数字量到模拟量的转换。数字量到模拟量的转换。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换分辨率用于表征分辨率用于表征D/AD/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转换器对输入微小量变化的敏感程度。121UUnm 分辨率分辨率 分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高越大，分辨率越高。1.分辨率分辨率 三、三、D/AD/A转

17、换器的主要技术指标转换器的主要技术指标D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输入数字量的入数字量的位数位数n表示表示D/A转换器的分辨率；转换器的分辨率；可用可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压转换器的最小输出电压与最大输出电压之比之比来表来表示分辨率。示分辨率。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换76543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(V)DD/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图

18、示是输入为间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的位二进制数时的D/A转换器的转换器的转换特性。理想的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=KuD或输出或输出模拟电流模拟电流io=KiD。其中。其中Ku或或Ki为电压或电流转换比例系数，为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制位二进制数数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：，则输出模拟电压为：)2222(00112211oddd

19、dKunnnnu 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换2.转换精度转换精度 D/AD/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想实际值与理想值之差值之差，即指当输入数码为全，即指当输入数码为全1 1时所对应实际输出电压与电路时所对应实际输出电压与电路理论值之差。理论值之差。即最大静态转换误差。它是一个综合性误差，包括基准电的漂即最大静态转换误差。它是一个综合性误差，包括基准电的漂移误差、运放漂移误差、比例系数误差以及非线性误差等。移误差、运放漂移误差、比例系数误差以及非线性误差等。3.转换速度转换速度 从输入的数字量发生

20、突变开始，从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差到输出电压进入与稳定值相差0.5LSB0.5LSB范围内所需要的时间，称为范围内所需要的时间，称为建立时间建立时间t tsetset。目前单片集成。目前单片集成D/AD/A转换转换器（不包括运算放大器）的建立时间器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到最短达到0.10.1微秒以内。微秒以内。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换1.DAC08321.DAC0832结构框图结构框图 四、四、8 8位集成位集成DAC0832DAC08328位位输入输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换

21、器转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&RFB 它由一个它由一个8 8位输入寄存器位输入寄存器、一个、一个8 8位位DACDAC寄存器寄存器和一个和一个8 8位位D/AD/A转换转换器器三大部分组成，三大部分组成，D/AD/A转换器采用转换器采用了倒了倒T T型型R R-2-2R R电阻网络电阻网络。LELE1 1，跟随，跟随 0 0，锁存，锁存 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换2.DAC08322.DAC0832引脚功能引脚功能 DIDI7 7DIDI0 0：8 8位输入数据信号

22、。位输入数据信号。I IOUT1OUT1：DACDAC输出电流输出电流1 1。当。当DACDAC锁存器中为全锁存器中为全1 1时，时，I IOUT1OUT1最大（满最大（满量程输出）；为全量程输出）；为全0 0时，时，I IOUT1OUT1为为0 0。I IOUT2OUT2：DACDAC输出电流输出电流2 2。它作为运算放大器的另一个差分输入信。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足号（一般接地）。满足 I IOUT1OUT1+I+IOUT2 OUT2 满量程输出电流。满量程输出电流。R Rfbfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。

23、DAC0832DAC0832中无运中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了R Rfbfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。外加反馈电阻。ILEILE：输入锁存允许信号，高电平有效。：输入锁存允许信号，高电平有效。CSCS：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。WRWR1 1：输入数据选通信号，低电平有效。（：输入数据选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）上升沿锁存）XFERXFER：数据传送选通信号，低电平有效。：数据传送选通信号，低

24、电平有效。WRWR2 2：数据传送选通信号，低电平有效。（：数据传送选通信号，低电平有效。（上升沿锁存）上升沿锁存）项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地地”的形式的，但对的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的于模拟电路而言，这个不同地方的“地地”对测量的精度是构成对测量的精度是构成影响的

25、，因此，影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线开布线，只在板中的一点把它们连接起来。，只在板中的一点把它们连接起来。DGNDDGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。AGNDAGND：模拟地，是放大器、：模拟地，是放大器、A/DA/D和和D/AD/A转换器中模拟电路的零电位。转换器中模拟电路的零电位。U UREFREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。基准源。U UREFREF可在可在-10V-10V至至+10

26、V+10V范围内选择。范围内选择。U UCCCC：电源输入端（一般取：电源输入端（一般取+5V+5V+15V+15V）。）。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换3.DAC08323.DAC0832特性参数特性参数 分辨率：分辨率：8 8位位建立时间：建立时间：1 1 s s增益温度系数：增益温度系数：20ppm/20ppm/（ppm-ppm-百万分之一，百万分之一，1010-6-6）输入电平：输入电平：TTLTTL功耗：功耗：20mW20mW4.DAC08324.DAC0832工作方式工作方式 当当ILEILE、CSCS和和WRWR1 1同时有效时，输入数据同

27、时有效时，输入数据DIDI7 7DIDI0 0进入输入进入输入寄存器；并在寄存器；并在WRWR1 1的上升沿实现数据锁存。当的上升沿实现数据锁存。当WRWR2 2和和XFERXFER同时有同时有效时，输入寄存器的数据进入效时，输入寄存器的数据进入DACDAC寄存器；并在寄存器；并在WRWR2 2的上升沿实的上升沿实现数据锁存。八位现数据锁存。八位D/AD/A转换电路随时将转换电路随时将DACDAC寄存器的数据转换为寄存器的数据转换为模拟信号（模拟信号（I IOUT1OUT1+I IOUT2OUT2）输出。）输出。DAC0832 DAC0832 的使用有的使用有双缓冲器型双缓冲器型、单缓冲器型单

28、缓冲器型和和直通型直通型三种三种工作方式。工作方式。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换DAC0832DAC0832的三种工作方式的三种工作方式 （b b）单缓冲方式单缓冲方式：适合在不要求多片：适合在不要求多片D/AD/A同时输出时。此时只需一次写操同时输出时。此时只需一次写操作，就开始转换，提高了作，就开始转换，提高了D/AD/A的数据吞吐量。的数据吞吐量。（a a）双缓冲方式双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道据，提高了转换速度

29、；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/AD/A的的同步转换输出。同步转换输出。（c c）直通方式直通方式：输出随输入的变化随时转换。：输出随输入的变化随时转换。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 A/DA/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过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、量化和编码取样、保持、量化和编码四个步骤完成。一般前两步由四个步骤完成。一般前两步由采采样保持电路样保持电路完成，完成，量化和编码由量化和编码由ADCADC来完成。来完成。单元单元2 2 模数转换器模数转换器一、一、A/DA/D转换器的基本工作原理转

30、换器的基本工作原理采样采样保持保持量化量化编码编码VIDO模拟量输入模拟量输入数字量输出数字量输出 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时转换为时间上离散的信号间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列，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。等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。1.1.取样和保持取样和保持 取样过程取样过程 采样脉冲采样脉冲 输输入入模模拟拟信信号号 采采样样输输出出信信号号 max2 ffs采

31、样定理：项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换uI(t)tuO(t)t00 采样过程的实质就是将连续变化的模拟信采样过程的实质就是将连续变化的模拟信号变成一串等距不等幅的脉冲。号变成一串等距不等幅的脉冲。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 模拟信号经采样后，得到一系列模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲样值脉冲。采样脉冲宽度。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持一般是很短暂的，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，在取样电路之所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换

32、。因此，在取样电路之后须加后须加保持电路保持电路。在采样脉冲在采样脉冲S(tS(t)到来的时间到来的时间内，内，VTVT导通，导通，U UI I(t t)向电容向电容C C充电，假充电，假定充电时间常数远小于定充电时间常数远小于，则有：则有：U UO O(t)(t)U US S(t)(t)U UI I(t)(t)。采样采样采样结束，采样结束，VTVT截止，而电容截止，而电容C C上电压保持充电电压上电压保持充电电压U UI I(t)(t)不变，直到不变，直到下一个采样脉冲到来为止。下一个采样脉冲到来为止。保持保持 场效应管场效应管VTVT为为采样门采样门，电容，电容C C为为保持电容保持电容，

33、运算放大器为，运算放大器为跟跟随器随器，起缓冲，起缓冲隔离隔离作用。作用。取样保持电路及输出波形取样保持电路及输出波形 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波阶梯波。而该阶。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n n位数字量只能表示位数字量只能表示2 2n n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于似于四舍五入的近似问题。四舍五入的近似问题。2.2.量化和编码量化

34、和编码 在在A/D转换器中转换器中,将模拟电压转换成数字信号将模拟电压转换成数字信号,其数字信其数字信号最低位号最低位LSB=1所对应的模拟电压的大小称为量化单位所对应的模拟电压的大小称为量化单位S。在进行在进行A/D转换时转换时,必须把采样电压化为这个量化单位必须把采样电压化为这个量化单位S的整数倍的整数倍,这个转化过程称为量化。一般被转换的模拟电压这个转化过程称为量化。一般被转换的模拟电压不可能被不可能被S整除整除,这种因素引起的误差称为量化误差。这种因素引起的误差称为量化误差。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换量化的方法一般有两种：量化的方法一般有两种

35、：只舍不入法只舍不入法和和有舍有入法有舍有入法。把量化的结果用把量化的结果用二进制代码二进制代码来表示各个量化电平的过程来表示各个量化电平的过程称为称为编码。编码。这些代码就是这些代码就是A/D转换的输出数字量，而量化及转换的输出数字量，而量化及编码电路即为编码电路即为A/D转换器电路。转换器电路。取样保持后未量化的取样保持后未量化的Uo值与量化电平值与量化电平Uq值通常是不值通常是不相等的，其差值称为量化误差相等的，其差值称为量化误差，即，即=Uo-Uq。代码位数。代码位数越多，量化等级越细，越多，量化等级越细，就越小，但相应的编码电路就越小，但相应的编码电路也就越复杂。也就越复杂。项目项目

36、5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换1)1)只舍不入法只舍不入法 当当U Uo o的尾数的尾数 S S时，舍时，舍尾取整。尾取整。这种方法这种方法总为总为正值，正值，maxmax S S。2)2)有舍有入法有舍有入法 当当U Uo o的尾数的尾数 S S/2/2时，舍时，舍尾取整；当尾取整；当U Uo o的尾数的尾数 S S/2/2时，舍尾入整。时，舍尾入整。这种方法这种方法可可正可负，但是正可负，但是|maxmax|=|=S S/2/2。可见，它的误差要小。可见，它的误差要小。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换0000000010

37、00100011111110101101011011010001编码等级01234567801234567 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换 A/DA/D转换器有转换器有直接转换法直接转换法和和间接转换法间接转换法两大类。两大类。直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较比较，从，从而而直接直接将模拟量将模拟量转换转换成数字量。其特点是成数字量。其特点是工作速度高工作速度高，转换精，转换精度容易保证，调准也比较方便。度容易保证，调准也比较方便。直接直接A/DA/D转换器有计数型、逐次转换器有计数型、逐次比较型、

38、并行比较型比较型、并行比较型等。等。间接法是将取样后的模拟信号先转换成间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量中间变量时间时间t t或频或频率率f f,然后再将然后再将t t或或f f转换成数字量。其特点是转换成数字量。其特点是工作速度较低工作速度较低，但，但转换精度可以做得较高转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。，且抗干扰性强。间接间接A/DA/D转换器有单次转换器有单次积分型、双积分型积分型、双积分型等。等。二、二、A/DA/D转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换（一）逐次逼近型（一）逐次逼近型A/DA/D转换器

39、转换器 它是一种常用它是一种常用A/DA/D转换方式转换方式,转换速率比双积分型快转换速率比双积分型快,每秒钟采样高达几十万次每秒钟采样高达几十万次,逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换的过程与转换的过程与用天平称物体质量的过程相似。用天平称物体质量的过程相似。先在砝码盘上加上先在砝码盘上加上128g128g砝码，经天平比较结果，砝码，经天平比较结果，重物重物149g128g149g128g，则此砝码保留，即相当于最高位数，则此砝码保留，即相当于最高位数码码D7记为记为1 1。再加再加64g64g砝码，经天平比较，重物砝码，经天平比较，重物149g(128+64)g149g0,所以所以uO0。

40、S1接通接通a点点积分器对积分器对 uI 积分积分1G开放，开放，CP进入计进入计数器开始计数。数器开始计数。积分器输出为：积分器输出为：u u()TIOIuTtdtuCRRC 11101nCITuRC 2 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换第二次积分第二次积分Qn=1,S1接通b电容有初始电压进行反积分电容有初始电压进行反积分,计数器在计数器在Qn=1的基础上的基础上,在最低在最低位位Q0=0开始计数开始计数.当电压上电容为当电压上电容为0,UC=0,封锁了封锁了G，计数器停止计数。，计数器停止计数。u u()()tREFOOtVtdtu tCR21211

41、0 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换nCITuRC2u u()()tREFOOtVtdtutCR 212110将将T2=t2 t1=NTC 及及 代入代入nCCREFINTTVuRCRC20nIREFNuV2属于属于 V-T 型型 ADC若取若取 VREF=2 n 则则 N=u I即计数值表示为被转换的输入电压即计数值表示为被转换的输入电压 u I 数值数值 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换mVVV44.2096410101221分辨率分辨率=1.1.分辨率分辨率 分辨率指分辨率指A/DA/D转换器对输入模拟信号的分辨

42、能力。从理论转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个上讲，一个n n位二进制数输出的位二进制数输出的A/DA/D转换器应能区分输入模拟电转换器应能区分输入模拟电压的压的2 2n n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的（满量程输入的1/21/2n n）。）。FSRn21（三）（三）A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标例如，例如，A/DA/D转换器的输出为转换器的输出为1212位二进制数，最大输入模拟信号位二进制数，最大输入模拟信号为为10V10V，则其分辨率为，则其分辨率为 项目项目5：多路数据采集系统的采集

43、与转换：多路数据采集系统的采集与转换2.2.转换时间转换时间 转换时间是指转换时间是指A/DA/D转换器从接到转换启动信号开始，到输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。出端获得稳定的数字信号所经过的时间。A/DA/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型类型A/DA/D转换器的转换速度相差很大。转换器的转换速度相差很大。双积分型双积分型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最慢最慢，需，需几百毫秒几百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度较快较快，需，需几

44、十微秒几十微秒；并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最快最快，仅需，仅需几十纳秒几十纳秒时间。时间。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换3.3.转换误差转换误差 它表示它表示A/DA/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用之间的差别。常用最低有效位的倍数最低有效位的倍数表示。表示。例如，转换误差例如，转换误差 。就表明实际输出的数字量和理。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。L

45、SB21例：某信号采集系统要求用一片例：某信号采集系统要求用一片A/DA/D转换集成芯片在转换集成芯片在1s1s内对内对1616个热电个热电偶的输出电压分数进行偶的输出电压分数进行A/DA/D转换。已知热电偶输出电压范围为转换。已知热电偶输出电压范围为0 025mV25mV（对应于（对应于0 0450450温度范围），需分辨的温度为温度范围），需分辨的温度为0.10.1，试问应选择几，试问应选择几位的位的A/DA/D转换器？其转换时间为多少？转换器？其转换时间为多少？解：解：4500145010.分辨率分辨率=409612112 12位位ADC的分辨率的分辨率=故需选用故需选用1313位位A/

46、DA/D转换器。转换器。ms562161.转换时间转换时间=项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换（三）（三）8 8位集成位集成ADC0809 ADC0809 1.ADC08091.ADC0809特性参数特性参数 分辨率：分辨率：8 8位位精度：精度：8 8位位转换时间：转换时间：100100 s s增益温度系数：增益温度系数：20ppm/20ppm/输入电平：输入电平：TTLTTL功耗：功耗：15mW15mW ADC0809ADC0809是采用是采用CMOSCMOS工艺制成的工艺制成的8 8位位八通道八通道逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器。转换器。项目项

47、目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换发出发出A/DA/D转换转换启动信号启动信号STARTSTART，在，在STARTSTART的的上升沿上升沿将将SARSAR清清0 0，转换结束标志，转换结束标志EOCEOC变为低电平，在变为低电平，在STARTSTART的的下降沿开下降沿开始转换始转换；2.ADC08092.ADC0809工作原理工作原理转换结束后，转换结束后，EOCEOC跳为高电平跳为高电平，在，在OEOE端输入高电平，从端输入高电平，从而得到转换结果输出。而得到转换结果输出。输入输入3 3位地址信号，在位地址信号，在ALEALE脉冲的脉冲的上升沿上升沿将将地

48、址锁存地址锁存，经，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；转换过程在时钟脉冲转换过程在时钟脉冲CLKCLK的控制下进行；的控制下进行；项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换ININ0 0ININ7 7：8 8路模拟电压输入。路模拟电压输入。ADDADDC C、ADDADDB B、ADDADDA A：3 3位地址信号。位地址信号。ALEALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。：地址锁存允许信号输入，高电平有效。D D7 7D D0 0（2 2-1-12 2-8-8）：）：8 8位二进制数码输出。位二进制数码输出。OEOE：

49、输出允许信号，高电平有效。即当：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1OE=1时，打开输出时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。锁存器的三态门，将数据送出。U UR(+)R(+)和和U UR(-)R(-)：基准电压的正端和负端。：基准电压的正端和负端。3.ADC08093.ADC0809引脚功能引脚功能 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换CLKCLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz500kHz的时钟信号。的时钟信号。STARTSTART：A/DA/D转换启动信号转换启动信号，为一，为一正脉冲正脉冲。在在STARTST

50、ART的上升的上升沿将逐次比较寄存器沿将逐次比较寄存器SARSAR清清0 0，在其下降沿开始，在其下降沿开始A/DA/D转换过转换过程。程。EOCEOC：转换结束标志输出信号。在：转换结束标志输出信号。在STARTSTART信号上升沿之后信号上升沿之后 EOCEOC信号变为低电平；当转换结束后，信号变为低电平；当转换结束后，EOCEOC变为高电平。变为高电平。此此信号可作为向信号可作为向CPUCPU发出的中断请求信号。发出的中断请求信号。项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据采集系统的采集与转换第第7 7章章 小结小结1.1.熟练掌握典型熟练掌握典型A/DA/D、D/AD/A转换器