1、第第9讲讲 数据采集系统设计数据采集系统设计1 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式2 采样保持器采样保持器3 多路模拟开关多路模拟开关4 A/D转换器转换器5 数据采集系统的电器隔离数据采集系统的电器隔离1 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式A.数据采集系统的基本结构数据采集系统的基本结构B.多路分时采集单端输入系统多路分时采集单端输入系统C.多路同步采集分时输入系统多路同步采集分时输入系统D.多路同步采集多路转换系统多路同步采集多路转换系统数据采样系统基本结构数据采样系统基本结构多路分时采集单端输入系统多路分时采集单端输入系统多路同步采集分时输入系统多路同步采集分时输入系
2、统多路同步采集多路转换系统多路同步采集多路转换系统2 采样保持器采样保持器A.采样保持器基本原理采样保持器基本原理B.采样保持器基本参数采样保持器基本参数C.集成采样保持器集成采样保持器LF398采样保持器基本原理采样保持器基本原理采样保持器基本参数采样保持器基本参数1.捕获时间：采样命令起，输出从原保持值到当前捕获时间：采样命令起，输出从原保持值到当前输入信号值所需时间，一般在输入信号值所需时间，一般在350ns15 s。2.孔径时间：保持命令起，到开关断开的时间，孔径时间：保持命令起，到开关断开的时间，10200ns。3.孔径抖动：孔径时间的变化范围。孔径抖动：孔径时间的变化范围。4.保持
3、建立时间：开关断开后，输出达到稳定的时保持建立时间：开关断开后，输出达到稳定的时间。间。5.衰减率：保持时间内，输出下降的速度。衰减率：保持时间内，输出下降的速度。6.传导误差：保持时间内，由于寄生电容，输入信传导误差：保持时间内，由于寄生电容，输入信号引起输出信号的变化。号引起输出信号的变化。捕获捕获时间时间孔径孔径时间时间孔径孔径抖动抖动保持建保持建立时间立时间传导传导误差误差集成采样保持器集成采样保持器LF398捕获时间小于捕获时间小于10 sLF398连接连接3 多路模拟开关多路模拟开关A.多路开关的主要技术指标多路开关的主要技术指标B.多路模拟开关芯片举例多路模拟开关芯片举例C.多路
4、模拟开关的扩展多路模拟开关的扩展多路开关的主要技术指标多路开关的主要技术指标1.RON:导通电阻；导通电阻；2.RONVS:导通电阻温度漂移；导通电阻温度漂移；3.IC:开关接通电流；开关接通电流；4.IS:开关断开时的泄漏电流；开关断开时的泄漏电流；5.CS:开关断开时，开关对地电容；开关断开时，开关对地电容；6.COUT:开关断开时，输出端对地电容；开关断开时，输出端对地电容；7.tON:开关接通时的延迟时间；开关接通时的延迟时间；8.tOFF:开关断开时的延迟时间；开关断开时的延迟时间；9.tOPEN:从一个通道的接通状态到另一个通道的从一个通道的接通状态到另一个通道的接通状态所用时间。
5、接通状态所用时间。导通电阻导通电阻与电源电与电源电压的关系压的关系 导通电阻导通电阻与温度的与温度的关系关系 CMOS型模拟开关的导通电阻曲线型模拟开关的导通电阻曲线 4 A/D转换器转换器A.A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标B.A/D转换器的分类转换器的分类C.积分式积分式A/D转换器转换器D.逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器E.-A/D转换器转换器F.并行比较式并行比较式A/D转换器原理转换器原理A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标1.分辨率，一般以位数表示，如分辨率，一般以位数表示，如12位位AD；2.量化误差，一般为量化误差，一般为 1/2LSB；3.转换
6、速率，每秒转换的次数，转换速率，每秒转换的次数，1MSPS=1兆次兆次/秒秒。ADC的量化过程就是用离散值近似表示连续值的过程的量化过程就是用离散值近似表示连续值的过程量化单位：量化单位：NLSBq2/11量化误差：量化误差：12/2/*NrefrefVqVe1.偏移误差，又称零值误差，即输入零时输出不为偏移误差，又称零值误差，即输入零时输出不为零，可用电位器调至最小；零，可用电位器调至最小；2.满刻度误差，即增益误差；满刻度误差，即增益误差；3.线性度，实际转移特性与理想直线的最大偏差；线性度，实际转移特性与理想直线的最大偏差；AD转换器的分类转换器的分类1.按转换机理分：按转换机理分：积分
7、式（双积分式、多斜积分式、电荷平积分式（双积分式、多斜积分式、电荷平衡式）、逐次比较式、并行式、多级式、衡式）、逐次比较式、并行式、多级式、-式式2.按转换精度分：按转换精度分：低精度、中等精度、高精度、超高精度低精度、中等精度、高精度、超高精度3.按转换速度分：按转换速度分：低速、中速、高速、超高速低速、中速、高速、超高速ADC使用的关键问题使用的关键问题 1。如何确定ADC的位数 整个测控系统的精度受多种因素影响，要求比总精度要求的最低分辨率高1位 接口电路的要求 并行接口与后续MCU匹配 串行接口ADC使用的关键问题使用的关键问题 2.如何确定ADC的转换速率（MSPS）积分型、电荷平衡
8、型、跟踪比较型ADC速度慢，约几ms到几十ms 逐次比较型中等：几us100us 全并行、串并行型：20ns100ns 转换速率的确定主要取决于信号的最高频率转换速率的确定主要取决于信号的最高频率例：例：100us的的ADC，只能处理低于，只能处理低于2kHz的信号的信号ADC使用的关键问题使用的关键问题 3.如何决定是否要加如何决定是否要加S/H 实际操作时，由分辨率、转换时间、信号带宽决定原则：在转换时间内，原则：在转换时间内，信号变化信号变化要小于要小于量化误差量化误差用用12位位ADC（100us、10.24Vref）对一个幅值的正弦波信号采样对一个幅值的正弦波信号采样ftfVdtdv
9、f2cos2tfVVf2maxmVLSBE25.1224.10*5.05.012mVEV25.1maxHztEVff5.021maxftVvf2sin不加采样保持器不加采样保持器加采样保持器（加采样保持器（us）kHzTfs7.410*)5100(21216max积分式积分式A/D转换器原理转换器原理对对-uI积分，积分，计数计数2n-1个个对基准电压对基准电压积分，计数积分，计数N个个RniuNu12 积分式积分式ADC芯片芯片举例举例（ICL7135）主要指标：主要指标：1、在每次、在每次A/D转换前转换前,内部电路内部电路都自动进行调零操作都自动进行调零操作 2、在、在2000字字(2V
10、满量程满量程)范范围内围内,保证转换精度保证转换精度1字字 3、具有自动极性转换功能、具有自动极性转换功能 4、输出电流典型值、输出电流典型值1PA 6、有过量程、有过量程(OR)和欠量程和欠量程(UR)标志信号输出标志信号输出,可用作自动可用作自动量程转换的控制信号量程转换的控制信号 7、输出为动态扫描、输出为动态扫描BCD码码 ICL7135积分式积分式ADC的工作过程的工作过程如何进一步提高测量效率和精度？多斜ADC积分型积分型ADCADC的特点：的特点：抗干扰能力强。抗干扰能力强。(与与Vi平均值成正比平均值成正比)精度高。精度高。(两次积分用同一个积分器，两次积分用同一个积分器，积分
11、器本身的误差能抵消。积分器本身的误差能抵消。)速度较慢。速度较慢。一般用于工业现场仪表。一般用于工业现场仪表。STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF.D D7 7D D0 0输入的输入的模拟量模拟量逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7
12、 7D D0 03.4375V3.4375V1000 00001000 00002.5V2.5V逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时1000 00001000 0000D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7 7D D0 03.4375V3.4375V2.5V2.5V低低1100 00001100 00003.75V3.75V逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控
13、制与定时1100 00001100 0000D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7 7D D0 03.4375V3.4375V3.75V3.75V高高3.125V3.125V1010 00001010 0000逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时1010 00001010 0000D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7 7D D0 03.4375V3.4375V3.125V3
14、.125V低低3.4375V3.4375V1011 00001011 0000逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时1011 00001011 0000D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7 7D D0 03.4375V3.4375V3.4375V3.4375V相等相等逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时1011 00001011 0000D/AD/A转
15、换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7 7D D0 03.4375V3.4375V3.4375V3.4375V相等相等1 10 01 11 1 0 00 00 00 0逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理逐次逼近式逐次逼近式ADC芯片芯片举例举例逐次逼近型逐次逼近型ADCADC的特点：的特点：速度较高速度较高精度较高精度较高转换时间固定（如转换时间固定（如4位位ADC需需4个个CP脉冲）。脉冲）。一般输出带有缓冲器，便于与微机接口。应用较一般输出带有缓冲器，便于与微机接口。应用较广泛。广泛。并行数模转换器并行数模转换器 闪烁型ADC
16、00000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV111111115151513RRVVRV151RV153RV155RV157RV159RV1511RV1513量化2、特点、特点*快，快，CP触发信号到达触发信号到达到输出稳定建立只需到输出稳定建立只需几十几十ns*精度，受参考电压、分精度，受参考电压、分压网络等因素影响压网络等因素影响*有存储器，不需要有存储器，不需要S/H电路电路*电路规模，电路规模，n位
17、需要位需要2n-1比较器，触发器。比较器，触发器。*n大于大于10时，电路的规时，电路的规模很大，功耗也很大模很大，功耗也很大，限制了它的使用范，限制了它的使用范围。围。应用中应注意的几个问题应用中应注意的几个问题（1）闪烁式转换器的输出问题AD9688与AD9000的输出方式AD9002的输出方式（2）闪电式转换器的误差问题 大多数闪电式大多数闪电式ADC都对编码命令脉冲的工作都对编码命令脉冲的工作比和频率有点敏感，因为微分和积分的非线性的比和频率有点敏感，因为微分和积分的非线性的变化和时钟频率以及工作比有关，特别是当转换变化和时钟频率以及工作比有关，特别是当转换器工作在规定的最高采样速率时
18、，微分与积分非器工作在规定的最高采样速率时，微分与积分非线性的变化尤为明显。线性的变化尤为明显。在高摆动率的信号输入时，比较器亚稳态引在高摆动率的信号输入时，比较器亚稳态引起的假信号码可能会出现，及所谓的起的假信号码可能会出现，及所谓的“沸腾沸腾”现现象，即比较器群温度计码中出现象，即比较器群温度计码中出现0的现象。这可通的现象。这可通过精心设计比较器减少这个现象的发生。过精心设计比较器减少这个现象的发生。参考梯形电阻失配、比较器输入失调电压和参考梯形电阻失配、比较器输入失调电压和偏置电流等也会引起非线性误差。偏置电流等也会引起非线性误差。（3）闪电式转换器的驱动问题 加到闪电工加到闪电工AD
19、C上的视频信号通常来自低阻信号源，上的视频信号通常来自低阻信号源，其源阻抗为其源阻抗为50、75或或93欧，信号可以是单极性也可以是双欧，信号可以是单极性也可以是双极性的。当极性的。当ADC的输入范围与信号不适合时，就要增加一的输入范围与信号不适合时，就要增加一宽带运算放大器，它的增益和偏置均可调，以适合宽带运算放大器，它的增益和偏置均可调，以适合ADC。限流电阻，但太大影响带宽540欧肖特基二极管 如：如：AD9611驱动驱动放大器增益带宽积为放大器增益带宽积为280MHz，转换速率，转换速率达到达到2100V/uS，调整，调整时间是时间是13nS(至至0.1%)。（4）参考电压问题 闪烁式
20、闪烁式ADC中的电阻网络阻值一般不高，因而参考电压源中的电阻网络阻值一般不高，因而参考电压源必须要有相当的电流输出能力。必须要有相当的电流输出能力。如参考电压源如参考电压源AD580输出输出2.500V +0.4%，长期稳定性，长期稳定性为为250uV(25uV/月月)，输出电流为，输出电流为10mA。可适用于。可适用于812位位ADC。旁路电容，采样速率大于旁路电容，采样速率大于20MHz时必须用，尽量靠时必须用，尽量靠近近ADC的的VREF引脚引脚（5）闪电式转换器的用法）闪电式转换器的用法-以以AD9002为例为例AD9002是是8位闪烁式位闪烁式ADC，速率达，速率达150MPS，它有
21、，它有256个快速比较器，这些比个快速比较器，这些比较器的滞后值可以调节，当较器的滞后值可以调节，当滞后控制电压由滞后控制电压由-5.2V调到调到期期-2.2V时，滞后值由时，滞后值由0mV调到调到100mV。Vm为电阻网络的中点为电阻网络的中点抽头。抽头。AD9011混合电路增加电流反馈放大电路，有三种不同增益（增加电流反馈放大电路，有三种不同增益（-1、-2、-4）的输）的输入，以适应不同的模拟量输入范围；钳位电路保护输入端；入，以适应不同的模拟量输入范围；钳位电路保护输入端；提高采样速率方法两个闪电式转换器交替工作可以提高采样速率。但两个闪电式转换器交替工作可以提高采样速率。但要注意延迟
22、与带宽的匹配，以免使动态特性变坏。要注意延迟与带宽的匹配，以免使动态特性变坏。多级型模数转换器两级模数转换器多级型模数转换器行波传送型模数转换器多级型模数转换器流水线型模数转换器-模拟模拟/数字转换器（周五结束）数字转换器（周五结束）-A/D转换器是目前精度最高的转换器是目前精度最高的A/D转换器。转换器。它由它由-调制器和数字滤波器组成。调制器包括一个积调制器和数字滤波器组成。调制器包括一个积分器和比较器，以及含有一个分器和比较器，以及含有一个1位位D/A转换器的反馈环；调转换器的反馈环；调制器具有噪声整形功能，制器具有噪声整形功能，将量化噪声从基带内搬移到基带将量化噪声从基带内搬移到基带外
23、的更高频段，从而提高了信噪比外的更高频段，从而提高了信噪比。而且，调制器以远高。而且，调制器以远高于于Nyquist采样率的频率对模拟信号进行采样，可减少基带采样率的频率对模拟信号进行采样，可减少基带范围内的噪声范围内的噪声功率，使转换精度功率，使转换精度进一步提高。经调进一步提高。经调制器输出的是制器输出的是1位的位的高速高速-数字流，数字流，包含大量高频噪声，包含大量高频噪声，因此需要数字滤波因此需要数字滤波器，滤除高频噪声，器，滤除高频噪声，降低抽样频率。降低抽样频率。采样差动放大器输出积分器输出比较器输出DAC输出10.80.81+12-0.20.61+13-0.20.41+14-0.
24、20.21+15-0.200-161.81.81+17-0.21.61+18-0.21.41+19-0.21.21+110-0.21.01+111-0.20.81+112-0.20.61+113-0.20.41+114-0.20.21+115-0.200-1例：令输入VI=0.8V，VREF=1V，各点输出如下表。-A/D转换器原理说明转换器原理说明UI=0V输入为输入为0V时，时，0和和1的个数相等的个数相等输入为输入为0V时，时，斜率相等斜率相等+UR-UR(a)0 1 0 1 0 1 0 184+UR-URABCD-A/D转换器原理说明转换器原理说明UI=1/4UR输入为输入为1/4UR
25、时，时，1的个数比的个数比0的个数多的个数多输入为输入为1/4UR时时，斜率不等，斜率不等(b)85RU45RU430 1 1 0 1 1 0 1+UR-URABCD-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）优点：优点：1、是目前精度最高的、是目前精度最高的A/D转换器；转换器；2、具有极其优越的线性度、无需微调；、具有极其优越的线性度、无需微调；3、更低的防混淆。、更低的防混淆。缺点：缺点：1、过采样技术要求采样频率远高于输入信号频、过采样技术要求采样频率远高于输入信号频率，从而限制了输入信号带宽；率，从而限制了输入信号带宽；2、随着过采样率的提高，功耗会大大增加；、随着过采样率的提高，功
26、耗会大大增加；3、数字滤波电路复杂。、数字滤波电路复杂。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）-ADC中采用以下几种技术以提高转换精度：中采用以下几种技术以提高转换精度：1、过采样技术过采样技术：用用fN来表示来表示Nyquist调制器工作时的采样率，调制器工作时的采样率，所谓过采样，就是指采样速度所谓过采样，就是指采样速度fs远大于远大于fN。这里称。这里称M=fs/fN为为“过采样比过采样比”。在。在-ADC的设计中，的设计中，M远大于远大于1，且取为，且取为2的整数次幂的整数次幂(如如32、64等等)。过采样带来的好处为压缩基带内量化噪声，过采样带来的好处为压缩基带内量化噪声，降低
27、对输入端模拟滤波器的要求等。降低对输入端模拟滤波器的要求等。但是，光凭过采样来压缩基带内噪声是低效率但是，光凭过采样来压缩基带内噪声是低效率的，提高的，提高4倍采样率可相当于提高倍采样率可相当于提高1bit分辨率，及分辨率，及分辨率要提高分辨率要提高N位，必须用位，必须用 倍的过采样率倍的过采样率，所以用过采样提高分辨率是有限的。，所以用过采样提高分辨率是有限的。22Nk 可以用频域分析方法来讨论过采样问题：可以用频域分析方法来讨论过采样问题：对一个输入信号，它的量化过程就是和阶梯电压比较获对一个输入信号，它的量化过程就是和阶梯电压比较获取数值过程，误差在间隔区间取数值过程，误差在间隔区间 上
28、是一个随机量，并上是一个随机量，并且是等概率的（且是等概率的（q是相邻两个阶梯电压的差值，即是相邻两个阶梯电压的差值，即1个个LSB的的电压宽度），由此可以推导出噪声能量为电压宽度），由此可以推导出噪声能量为 ，进，进一步可以得到一步可以得到噪声能量的谱密度函数噪声能量的谱密度函数为为 ，其中，其中fs为采样速度，噪声能量均匀分布在奈奎斯特频带从直流到为采样速度，噪声能量均匀分布在奈奎斯特频带从直流到fs/2范围内，如下图所示。（模拟低通滤波器将滤除范围内，如下图所示。（模拟低通滤波器将滤除fs/2以以上的噪声）。上的噪声）。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）221 2eq(,)22
29、qq2()12sqNff量化噪声2()12sqNff 如用如用Kfs的采样速率对输入信号进行采样（的采样速率对输入信号进行采样（K为过采为过采样倍率），柰奎斯特频率增至样倍率），柰奎斯特频率增至Kfs/2，整个量化噪声位于直，整个量化噪声位于直流到流到Kfs/2之间，其有效值降为原来的之间，其有效值降为原来的 ，如下图所示。，如下图所示。由于模拟低通滤波器只需滤除由于模拟低通滤波器只需滤除Kfs/2以上的噪声，因此降低以上的噪声，因此降低了对模拟滤波器的整体要求。又由于系统的通带频率仍为了对模拟滤波器的整体要求。又由于系统的通带频率仍为fa，所以可在，所以可在ADC之后加一个数字低通滤波器滤除
30、之后加一个数字低通滤波器滤除fa至至Kfs/2之间的无用信号而又不影响有用信号，从而提高了信之间的无用信号而又不影响有用信号，从而提高了信噪比，实现了用低分辨率噪比，实现了用低分辨率ADC达到高分辨率的效果。达到高分辨率的效果。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）1K过采样量化噪声数字滤波模拟滤波量化噪声-模拟模拟/数字转换器（续数字转换器（续continue）2、噪声整形技术噪声整形技术：光凭过采样来压缩基带内噪声是低效率的，光凭过采样来压缩基带内噪声是低效率的，提高提高4倍倍采样率才相当于提高采样率才相当于提高1bit分辨率分辨率。为了更有效地衰减基带。为了更有效地衰减基带内量化噪
31、声，应在过采样条件下进一步加入噪声整形内量化噪声，应在过采样条件下进一步加入噪声整形(noise shaping)技术。最基本的一阶噪声成形器即所谓的技术。最基本的一阶噪声成形器即所谓的一阶一阶-调制器如下图所示。调制器如下图所示。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）SSYSXSY1)()()(用用S域方法分析一阶域方法分析一阶-ADC，则一阶，则一阶-ADC的模的模型如图：型如图：当当N(S)=0时，信号的传输特性为：时，信号的传输特性为：整理得整理得11111)()(SSSSXSY所以对信号相当于是低通滤波器。所以对信号相当于是低通滤波器。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续
32、）)(1)()(SNSSYSY 当当X(S)=0时，量化噪声的传输特性时，量化噪声的传输特性为：为：整理得整理得1111)()(SSSSNSY所以对量化噪声相当于高通滤波器。所以对量化噪声相当于高通滤波器。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）所以，实际上所以，实际上-调制器对输入信号具有低通滤波作用调制器对输入信号具有低通滤波作用，而对量化噪声分量具有高通滤波作用，因此可将调制器的，而对量化噪声分量具有高通滤波作用，因此可将调制器的模拟滤波器的作用看作一种噪声整形滤波器，整形后的量化模拟滤波器的作用看作一种噪声整形滤波器，整形后的量化噪声分布如图所示。噪声分布如图所示。-模拟模拟/数字
33、转换器（续）数字转换器（续）所以，一阶所以，一阶-调制器的噪声谱对比图：调制器的噪声谱对比图：-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）-调制器对量化噪声整形之后，将量化噪声移到所调制器对量化噪声整形之后，将量化噪声移到所关心的频带以外，然后对整形的量化噪声进行数字滤波。关心的频带以外，然后对整形的量化噪声进行数字滤波。3、数字滤波和采样抽取数字滤波和采样抽取：数字滤波器的作用有两个：数字滤波器的作用有两个：1、相对于最终采样速率、相对于最终采样速率fs，它必须起到抗混叠滤波器，它必须起到抗混叠滤波器的作用；的作用；2、它必须滤除、它必须滤除-调制器在噪声整形过程中产生的高调制器在噪声整形过
34、程中产生的高频噪声。频噪声。数字滤波器既可用有限脉冲响应（数字滤波器既可用有限脉冲响应（FIR）滤波器，也可）滤波器，也可用无限脉冲响应（用无限脉冲响应（IIR）滤波器或者是两者的组合。）滤波器或者是两者的组合。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）采样抽取：采样抽取：由于数字滤波器降低了带宽，所以输出数据由于数字滤波器降低了带宽，所以输出数据速率要低于原始采样速率速率要低于原始采样速率，直至满足奈奎斯特定理。降低输，直至满足奈奎斯特定理。降低输出数据速率的方法是通过对每输出出数据速率的方法是通过对每输出M个数据抽取个数据抽取1个的数字个的数字重采样方法实现的。这种方法称作输出速率降为重
35、采样方法实现的。这种方法称作输出速率降为1/M的采样的采样抽取（抽取（decimation）。这种采样抽取方法不会使信号产生）。这种采样抽取方法不会使信号产生任何损失，它实际上是去除过采样过程中产生的多余信号的任何损失，它实际上是去除过采样过程中产生的多余信号的一种方法。一种方法。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）习惯上习惯上,定义调制器中含有的积分器个数为调制器的阶定义调制器中含有的积分器个数为调制器的阶数数L，量化器的个数为级数。实现高阶调制器的方案分两，量化器的个数为级数。实现高阶调制器的方案分两大类：多阶串接和多阶并接。大类：多阶串接和多阶并接。4、高阶高阶-AD的结构：的结
36、构：多阶串接的优点在于分析方便、电路实现简单，不要多阶串接的优点在于分析方便、电路实现简单，不要求各阶电路之间保持严格匹配，但它的最大弱点在于难于求各阶电路之间保持严格匹配，但它的最大弱点在于难于保持稳定（当阶数超过三阶时尤其如此）。保持稳定（当阶数超过三阶时尤其如此）。多阶并接的优点在于能保证高阶调制器的稳定，但它多阶并接的优点在于能保证高阶调制器的稳定，但它的不足之处在于各阶电路参数之间的严格匹配。的不足之处在于各阶电路参数之间的严格匹配。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）正如一般的模拟滤波器，滤波器的阶数越高其滤波性能正如一般的模拟滤波器，滤波器的阶数越高其滤波性能越好。因此，
37、高阶的越好。因此，高阶的-调制器可以获得更低的信号带内噪调制器可以获得更低的信号带内噪声，如下图所示，但却产生了更多的信号带外噪声。声，如下图所示，但却产生了更多的信号带外噪声。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）下图给出了下图给出了-调制器的信噪比与阶数和过采样倍率之间调制器的信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系，其中的关系，其中SNR为信噪比，为信噪比，K为过采样倍率，例如，当为过采样倍率，例如，当K=64，一个理想的二阶系统的信噪比大约，一个理想的二阶系统的信噪比大约80dB，分辩率大，分辩率大约相当于约相当于13位的位的ADC。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）二阶串接
38、二阶串接-ADC原理图原理图-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）六阶的-ADC采用串并组合结构，采用三采用串并组合结构，采用三级并接结构，每级内由二阶串接来实现。级并接结构，每级内由二阶串接来实现。二阶二阶-A/D转换器转换器-A/D转换器的特点转换器的特点1.转换精度高：由先进的原理保证。转换精度高：由先进的原理保证。2.转换速度低：过采样转换速度低：过采样-调制实现调制实现A/D转换，牺牲速度换取精度。转换，牺牲速度换取精度。3.由于采用由于采用过采样过采样-调制，所以调制，所以ADC前端不需要加抗混迭滤波器。前端不需要加抗混迭滤波器。-ADC芯片芯片举例举例ADS1210ADS1
39、211比比ADS1210增加了增加了多路转换开关多路转换开关ADS1210/1211的主要指标的主要指标1.有效分辨率：有效分辨率：10Hz时时24位，位，1kHz时时20位（加速模式）位（加速模式）2.数据输出速度：最高数据输出速度：最高15.6kHz3.PGA增益：增益：1,2,4,8,164.参考电压输出：参考电压输出：2.5V，25ppm/C5.偏置电压输出：偏置电压输出：3.3V。6.时钟频率：最高时钟频率：最高10MHz7.电源：电源：5VADS1210的管脚功能的管脚功能1.AINP：同相输入：同相输入2.AINN：反相输入：反相输入3.AGND：模拟地：模拟地4.ABIAS：偏
40、置电压输出：偏置电压输出3.3V5./CS：片选输入：片选输入6./DSYNC：同步输入信号：同步输入信号7.XIN：系统时钟输入：系统时钟输入8.XOUT：系统时钟输出端（接晶振）：系统时钟输出端（接晶振）9.DGND：数字地：数字地10.DVDD：数字电源，：数字电源，5VADS1210的管脚功能的管脚功能11.SCLK:数据传送时钟输入数据传送时钟输入/输出输出12.SDIO：串行数据输入（也可作输出）：串行数据输入（也可作输出）13.SDOUT：串行数据输出：串行数据输出14.DRDY：数据准备就绪：数据准备就绪15.MODE：模式控制信号，：模式控制信号，H主控模式，主控模式，L从从
41、动模式动模式16.模拟电源：模拟电源：+5V17.REFOUT:参考电压输出参考电压输出+2.5V18.REFIN:参考电压入参考电压入ADS1210的结构框图的结构框图ADS1210的加速模式的加速模式ADS1210的输入偏置的输入偏置信号直接输入时，差分电压范围为信号直接输入时，差分电压范围为05V外加偏置可改变输入范围，输入范围也与外加偏置可改变输入范围，输入范围也与PGA增益有关增益有关ADS1210的标定方式的标定方式自标定：输入短路标零位，输入接参考标满度自标定：输入短路标零位，输入接参考标满度ADS1210的标定方式的标定方式系统零位标定：输入接差分输入端，标零位系统零位标定：输
42、入接差分输入端，标零位ADS1210的标定方式的标定方式系统满度标定：输入接差分输入端，标满值系统满度标定：输入接差分输入端，标满值ADS1210的标定方式的标定方式系统准标定：输入接差分输入端，标零位；输入系统准标定：输入接差分输入端，标零位；输入接参考标满度接参考标满度ADS1210的标定方式的标定方式系统后台标定：系统后台标定：短路标零位短路标零位正正常转换常转换接参考标满度接参考标满度正常转换正常转换（循环再做）（循环再做）ADS1210的主模式和从模式的主模式和从模式主模式：主模式：MODE=H，时钟由，时钟由ADS1210内部提内部提供，供，SCLK为输出。为输出。从模式：从模式：
43、MODE=L，时钟由外部主控制器设，时钟由外部主控制器设定，定，SCLK为输入，大多数系统使用从模式。为输入，大多数系统使用从模式。睡眠模式：命令寄存器模式位写入睡眠模式：命令寄存器模式位写入110，模拟，模拟电路和大部分数字电路被关断。写入新模式电路和大部分数字电路被关断。写入新模式可以重新激活。可以重新激活。ADS1210内部寄存器内部寄存器ADS1210指令寄存器指令寄存器INSR命令串行口对寄命令串行口对寄存器进行读或写存器进行读或写n个字节个字节ADS1210命令寄存器命令寄存器CMR控制转换器的所有功能控制转换器的所有功能命令寄存器的各位命令寄存器的各位（输出数据的范围）（输出数据
44、的范围）命令寄存器的各位命令寄存器的各位作用同输入端作用同输入端/DSYNC命令寄存器的各位命令寄存器的各位命令寄存器的各位命令寄存器的各位加速模式控制位，控制输入电容采样频率和调制速率加速模式控制位，控制输入电容采样频率和调制速率控制抽取率：数字滤波器中计算单个输出结果所用的调制个数控制抽取率：数字滤波器中计算单个输出结果所用的调制个数ADS1210数据输出寄存器数据输出寄存器DOR存放最新的存放最新的转换结果转换结果ADS1210零偏标定寄存器零偏标定寄存器OCR存放零位标存放零位标定结果定结果ADS1210满度标定寄存器满度标定寄存器FCR存放满度标存放满度标定结果定结果三线接口从动模式
45、三线接口从动模式从动模式接地四线接口从动模式四线接口从动模式ADS1210应用应用并行比较式并行比较式ADC原理原理(1/2)VR/256(3/2)VR/256(511/2)VR/256只有一个为12n线线/n线输出线输出分级式分级式ADC结构结构又称流水线式又称流水线式ADC或多级式或多级式ADC（subranging，pipelined，multistep）如：由两级如：由两级4位并行式位并行式ADC构成构成8位分级式位分级式ADC分级式分级式ADC举例举例AD9480尺寸尺寸12121.2mmAD9480功能框图功能框图AD9480管脚管脚AD9480管脚管脚AD9480管脚管脚AD94
46、80管脚管脚AD9480主要参数主要参数分辨率分辨率8位；位；转换速率转换速率250MSPS；非线非线性性0.5LSB；差分输入电压范围；差分输入电压范围 0.5V；共模电压共模电压2V；输入电阻；输入电阻10k；输入电容；输入电容4pF；内部参考电压内部参考电压1V；电源电源3.3V；功；功耗耗452mW；温度范围；温度范围-40+85C5 数据采集系统的电器隔离数据采集系统的电器隔离A.被测信号共地时的隔离方法被测信号共地时的隔离方法B.被测信号不共地、共模较小时的隔被测信号不共地、共模较小时的隔离方法离方法C.被测信号不共地、共模较大时的隔被测信号不共地、共模较大时的隔离方法离方法隔离可以消除信号中的共模量或共模干扰隔离可以消除信号中的共模量或共模干扰信号共地时的隔离方法信号共地时的隔离方法信号不共地时的隔离方法信号不共地时的隔离方法1适合共模适合共模电压较小电压较小信号不共地时的隔离方法信号不共地时的隔离方法2适合共模适合共模电压较大电压较大
