模拟量与数字量之间的转换.ppt

3.3 模拟量与数字量之间的转换 3.3.1 A/D转换器 AD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AD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。 AD转换器的类型较多。按其转换输出数据的方式，可分 为并行和串行两种，其中并行又分为8位、10位、14位和16位 等；按其转换原理可分为逐次逼近式和双积分式等。 并行与串行ADC各有其优势。并行ADC占用较多的数据线， 具有输出速度快的优点，在转换位数较少时具有很高的性价比 。 串行ADC占用的数据线少，转换速度慢，但它也有自身的优 点： 一是便于信号隔离，只需少数几路光电隔离器件就可以 实现电气隔离，在转换位数较多的情况下具有较高的性价比； 二是其芯片小、引脚少，便于线路板的制作。 AD转换器的主要技术特性如下： (1) 分辨力与分辨率。AD转换器的分辨率习惯上以输出 二进制位数或BCD码位数表示。分辨力为1 LSB (最低有效位数 )。 12位AD转换器AD574的分辨率为12位，用百分数表示为 5G14433双积分式AD转换器的分辨率为3位半。它的 满度字位为1 999，其百分数表示的分辨率为 AD转换器的分辨力(1 LSB)对数据采集系统的总分辨力 起着决定性作用。 (2) 量化误差e 在理论上1/2LSB。 (3) 转换时间。完成一次AD转换的时间TC为AD转换 时间，在这段时间里输入AD的模拟电压数值应稳定不变， 否则就会造成AD转换的误差。通常转换时间TC比采样/保持 器的孔径时间TAP大，更比孔径抖动TAJ大得多，因此若不加采 样保持器，在保证转换误差不大于量化误差e的条件下，AD 转换器直接转换输入信号Vx(t)的最高频率是很低的，公式(2-2) 是转换时间TC和转换器的位数与可采集信号的最高频率的关系 ： （2-2） 例如：8位ADC (080X)，n=8，Tc=100s，fH6.3 Hz；12位 ADC (AD574)，n=12，Tc=35s，fH1.1 Hz； 例如：8位ADC (080X)，n=8，Tc=100s，fH6.3 Hz；12 位ADC (AD574)，n=12，Tc=35s，fH1.1 Hz； 为了对更高频率的输入信号进行模一数转换，在AD转换 器前都要加采样保持器。 (4) 转换速率是转换时间Tc的倒数，如Tc=20 ns，即转换速率 为50MSPS。 (5) 其他参数如对电源电压变化的抑制比(PSRR)、零点和增 益温度系数、输入电阻等。 AD转换器除了以上主要技术特性外，作为一个测量系 统中的一个环节，它也有测量环节的基本特性(静态特性、动 态特性)相对应的技术指标，如零点、非线性误差(线性度)、量 程等，除厂家给出外，用户可以自行检验或标定。 1、逐渐逼近式A/D转换器 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。 逐次逼近的方法ADC的内部主要由逐 次逼近寄存器SAR、DA转换器、电压比 较器和一些时序控制逻辑电路等组成。其 原理框图如图1所示： 图1 逐次逼近式A/D转换器 其工作原理非常类似于用天平称重。在转换 开始前，先将SAR寄存器各位清零，然后设其最 高位为1（对8位来讲，即为10000000B）就像 天平称重时先放上一个最重的砝码一样，SAR中 的数字量经D/A转换器转换为相应的模拟电压VC ，并与模拟输入电压VX进行比较，若VXVC，则 SAR寄存器中最高位的1保留，否则就将最高位清 零(若砝码比物体轻就要保留此砝码，否则去掉此 砝码)。然后再使次高位置1，进行相同的过程直 到SAR的所有位都被确定。转换过程结束后， SAR寄存器中的二进制码就是ADC的输出。 ACD1143及其应用 ACD1143是一个16位逐次逼近式A/D转换器。 主要特性： 16位高分辨率 转换时间 ADC1143J最大转换时间为70s ADC1143K最大转换时间为100s 自带参考电源和时钟脉冲 低功耗 当VS=15V时，最大功耗为175mW 当VS=12V时，最大功耗为150mW 最大非线性 ADC1143J为0.006% ADC1143K为0.003% 动态非线性温度系数 ADC1143J最大为2 ADC1143K最大为1 供电范围 VS=11.4V18.0V VD=+3.0V+18.0V ADC1143由16位CMOS逐次逼近DAC 、16位逐次逼近寄存器、低功耗比较器、 内部时钟、低噪声参考电源以及模拟输入 电阻网络和高质量耦合电容组成，其功能 框图如图2所示： 图2 ADC1143功能框图 ADC1143的引脚功能： 模拟输入电压引脚（2729脚） 模拟电压范围 可编程 模拟电拟电 压压范围围 V 输输出电压电压模拟电压拟电压 引 入脚 26脚连连接情 况 20脚连连接情 况 +5二进进制27、28 29 开断2 +10二进进制27、28开断2、29 +20二进进制27开断2、28、29 5偏移二进进制、 二进进制补码补码 29272、28 10偏移二进进制、 二进进制补码补码 28272、29 参考电源输入、输出（25、26脚） 当使用内部参考电源时，将它们之间接一个100精 密电位器 当使用外部参考电源时，按下图进行连接 偏移调节引脚（24脚） 零输出校正。 并行数据输出引脚（419脚）具有数据锁存功能，无三 态驱动，以偏移二进制码输出。 补码输出（3脚） 二进制补码输出使用位 模拟地和数字地（30、2脚）应通过外部连接，以一点 连接为最佳 状态引脚（22脚） ADC1143的工作状态信号。 转换命令引脚（21脚）启动ADC进行A/D转换，在该信 号的下降沿，各内部状态全部复位。 (2)ADC1143的工作过程 (3) ADC1143与80C31接口 ADC1143与80C31接口 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。 双积分型A/D转换器 这种A/D转换器具有很多优点。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。 双积分A/D转换器MC1443及其应用 MC1443是一种CMOS双积分3 位A/D转换器， 其主要特性如下： 转换精度 读数的1/2000（相当于12位二进制 数） 转换速度 810次/s 输入阻抗 大于100M 工作电压 4.5 8V(或916V) 转换结束输出形式 输出为4位BCD码,由 DS1DS4分时选通输出 (1)MC14433引脚功能 电源接入 基准电压输入 被测信号输入 外接积分元件的选取 时钟 外接失调补偿电容 转换更新控制 转换结果输出 MC14433引脚图 DS1选通时Q0Q3的含义 DS1Q3Q2Q1Q0输输出结结果状态态 110千位数为为0 100千位数为为1 110输输出结结果为为正值值 100输输出结结果为负值为负值 101输输入信号过过量程 111输输入信号欠量程 （2）MC14433与8031接口 MC14433的Q0Q3和DS1DS4与8031单片 机的P1口相连，当采用连续变换方式， 则8031读取A/D转换结果，当采用中断 方式，则设为边沿触发方式。 MC14433与8031的接口 分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。 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 。 而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高 。 1. 分辨率 D/A转换器的主要性能指标 D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输 入数字量的位数n表示D/A转换器的分辨率； 可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表 示分辨率。 0 5/7 5 001010011100 101110111 vo/V D000 2. 转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想 值之差，即最大静态转换误差。 3. 转换速度 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 0.5LSB范围内所需要的时间，称为 建立时间tset。目前单片集成D/A转换 器（不包括运算放大器）的建立时间 最短达到0.1微秒以内。 4. 温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变 化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变 化的百分数作为温度系数。 D/A转换器DAC0832 （1）DAC0832结构原理及引脚功能 它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个 8位D/A转换器三大部分组成。它为20脚双列直插式封装 结构，其逻辑结构及引脚如下图所示： 2.DAC0832引脚功能 DI7DI0：8位输入数据信号。 IOUT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大 （满量程输出）；为全0时，IOUT1为0。 IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分 输入信号（一般接地）。满足 IOUT1+IOUT2 常数。 ILE：输入锁存允许信号，高电平有效。 CS：片选信号，低电平有效。 WR1：输入数据选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁 存） XFER：数据传送选通信号，低电平有效。 WR2：数据传送选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁 存） Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832 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Rfb，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。 UREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的 电压基准源。UREF可在-10V至+10V范围内选择。 UCC：电源输入端（一般取+5V+15V）。 DGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。 AGND：模拟地，是放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零 电位。 任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的 “地”，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“地”的形式的，但对 于模拟电路而言，这个不同地方的“地”对测量的精度是构成 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 开布线，只在板中的一点把它们连接起来。 3.DAC0832特性参数 分辨率： 8位 建立时间： 1s 增益温度系数： 20ppm/（ppm-百万分之一，10-6） 输入电平： TTL 功耗： 20mW 4.DAC0832工作方式 当ILE、CS和WR1同时有效时，输入数据DI7DI0进入 输入寄存器；并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR2和 XFER同时有效时，输入寄存器的数据进入DAC寄存器；并 在WR2的上升沿实现数据锁存。八位D/A转换电路随时将 DAC寄存器的数据转换为模