第章 多路开关采样AD转换误差计算ppt课件.ppt

都由传感器 模拟信号调理电路 采样电路三部分组成 1 模拟多路开关 Analogswitches 也称多路转换器 Multiplexer 主要用于信号的切换 是输入通道的重要元件之一 当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时 常常利用模拟多路开关将各路模拟量分时与放大器 A D转换器等接通 利用一片A D转换器可完成多个模拟输入信号的依次转换 提高硬件电路的利用率 节省成本 分类 为机械触点式和集成模拟电子开关 2 4模拟多路开关 2 双极性晶体管开关 场效应晶体管开关 电子式类型 结型 绝缘栅型 集成电路开关 多路开关的工作原理及主要技术指标 1 多路开关工作原理 双极型晶体管开关 其工作原理如下 设选择第1路模拟信号 则令通道控制信号UC1 0 晶体管T1 截止 集电极为高电平 晶体管T1导通 输入信号电压Ui1被选中 同理 当令通道控制信号UC2 0时 则选中第2路模拟信号 UO Ui2 注意 在控制信号UC1 UC8中不能同时有两个或两个以上为0 优点 缺点 电流控制器件 功耗大 集成度低 一个方向传送信号 漏电流大 开路电阻小 导通电阻大 开关速度快 2 场效应管开关 结型场效应晶体管开关 工作原理如下 设选择第1路信号 则令通道控制信号UC1 1 则开关控制管T1 导通 集电极为低电平 场效应管T1导通 UO Ui1 当UC1 0时 T1 截止 T1也截止 第1路输入信号被切断 优点 缺点 开关切换速度快 导通电阻小 可两个方向传送信号 为分立元件 需专门的电平转换电路驱动 使用不方便 其工作原理与结型场效应管多路开关类似 绝缘栅场效应管开关 优点 缺点 3 集成电路开关 集成电路开关 将多路开关 计数器 译码器制造在一个芯片上 开关切换速度快 导通电阻小 且随信号电压变化波动小 易于和驱动电路集成 衬底要有保护电压 工作原理如下 设选择第1路输入信号 则计算机输出一个4位二进制码 把计数器置成0001状态 经四 十六线译码器后 第1根线输出高电平 场效应管T1导通 UO Ui1 选中第1路信号 如果要连续选通第1路到第3路的信号 可以在计数器加入计数脉冲 每加入一次脉冲 计数器加1 状态依次变为0001 0010 0011 2 4 1模拟多路开关的性能指标 1 通道数量 集成模拟开关通常包括多个通道 通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的影响 通道数量越多 寄生电容和泄漏电流越大 2 泄漏电流 指开关断开时流过模拟开关的电流 一个理想的开关要求导通时电阻为零 断开时电阻趋于无限大 漏电流为零 但由于实际开关断开时电阻不为无限大 导致泄漏电流不为零 一般希望泄漏电流越小越好 3 导通电阻 指开关闭合时的电阻 导通电阻会损失信号 使精度降低 尤其是当开关串联的负载为低阻抗时损失会更大 因此 导通电阻的一致性越好 系统在采集各路信号时由开关引起的误差越小 11 4 开关速度 指开关接通或断开的速度 对于频率较高的信号 要求模拟开关的切换速度快 同时还应考虑与后级采样保持器 A D转换器的速度相适应 从而以最优的性能价格比选择器件 除上述指标外 芯片的电源电压范围也是一个重要参数 它与开关的导通电阻和切换速度等有直接关系 电源电压越高 切换速度越快 导通电阻越小 反之 导通电阻越大 2 4 2集成模拟多路开关 目前已有多种型号的集成模拟多路开关 如CD4051 双向 8路 CD4052 单向 差动4路 AD7501 单向 8路 AD7506 单向 16路 等 它们功能相似 仅在某些参数和性能指标上有所差异 12 多路开关集成芯片 芯片中无译码器 四个通道开关都有各自的控制端 多路开关集成芯片 优点 每一个开关可单独通断 也可同时通断 使用方式比较灵活 缺点 引脚较多 使得片内所集成的开关较少 当巡回检测点较多时 控制复杂 2 有译码器的多路开关 AD7501 AD7503 2 八通道单向模拟多路开关AD7501 AD7501是一种8路输入 一路输出的CMOS集成芯片 导通电阻为170 300 漏电流为0 2 2nA 导通截止时间典型值为0 8 s 其内部结构和引脚如图2 25所示 AD7501内部结构和引脚图 15 多路开关集成芯片 表3 1AD7501真值表 多路开关集成芯片 AD7503除EN端的控制逻辑电平相反外 其它与AD7501相同 AD7502 表3 2AD7502真值表 2 八通道双向模拟多路开关CD4051 CD4051为8通道单刀结构形式 允许双向使用 可用于多到一的切换输出 也可用于一到多的切换输出 图2 26CD4051内部结构及引脚图 下页 上页 返回 19 3 3多路开关集成芯片 CD4501真值表 20 其中VEE是负电源端 用于电平移位 当VSS 0V时 使得在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制开关 切换幅度在VEE到VDD之间的模拟信号 最大峰 峰值达15V 典型电平移位连接方法如图2 27所示 图2 27典型电平移位连接图 下页 上页 返回 21 3 双四路模拟开关CD4052 CD4052相当于一个双刀四掷开关 内部结构和引脚功能如图2 28所示 图2 28CD4052内部结构及引脚图 下页 上页 返回 22 表3 4CD4502真值表 2 4 3模拟开关的通道扩展 实际使用中 有时输入模拟信号数量较多 一片模拟开关不够用 需要使用多个集成模拟开关进行通道扩展 以满足使用要求 图2 29为利用两片CD4051将8路开关扩展成16路开关的原理图 图2 29模拟开关通道扩展连接图 下页 上页 返回 24 2 5 1采样保持器原理 采样是对模拟信号周期性的抽取样值 使模拟信号变成时间上离散的脉冲串 采样值的大小取决于采样时间内输入模拟信号的大小 采样定义 下页 上页 返回 2 5采样保持器 25 单片机6 4 2采样 保持电路 26 一 香农采样定理 为了能正确无误地用取样信号vs表示模拟信号vI 取样信号必须有足够高的频率 可以证明 为了保证从取样信号将原来的被取样信号恢复 必须满足 26 6 4 2采样 保持电路 27 二 取样 保持电路 取样控制信号vL为高电平时T导通 输入信号vI经RI和T向CH充电 取R1 RF 则充电结束后vO vC vI 当vL返回低电平后 T截止 CH上的电压在一段时间内基本保持不变 取样结果被保存下来 27 下页 上页 返回 A为理想运算放大器 CH为保持电容 T为场效应管 常见的采样 保持电路 28 下页 上页 返回 当S为高电平 S 1 时 场效应管T导通 输入模拟信号Vi对保持电容CH充电 当S 1的持续时间tw远远大于电容CH的充电时间常数时 在tw时间内 CH上的电压Vc跟随输入电压Vi的变化 使输出电压Vo Vc Vi 这段时间为采样时间 当S为低电平 S 0 时 场效应管T截止 由于电压跟随器的输入阻抗很高 存储在上CH的电荷不会泄露 CH上的电压Vc保持不变 使输出电压Vo能保持采样结束瞬时的电压值 这段时间为保持时间 采样 保持电路工作过程 29 下页 上页 返回 采样和保持电路输出随输入变化波形 采样脉冲的频率即采样频率fs越高 采样越密 采样值越多 采样信号的包络线越接近输入信号的波形 30 下页 上页 返回 将采样保持电路的元器件集成在一片芯片上可构成集成采样保持器 SampleandHolder 集成采样保持器种类很多 常用的集成芯片有LF198 298 398 AD582等 其中LF198 298 398这三种芯片工作原理相同 仅参数有所差异 2 5 2集成采样保持器 31 下页 上页 返回 两个运算放大器接成电压跟随器 S是模拟开关 当逻辑控制端IN 为 1 时S闭合 输出跟随输入变化 处于采样状态 当IN 为 0 时 S断开 输出不随输入而变化 呈保持状态 LF398内部结构 32 LF398的典型连接方法 2脚接1k 电阻 用于调节漂移电压 7脚接地 8脚接控制信号 当控制信号大于1 4V时 LF398处于采样状态 当控制信号为低电平时 处于保持状态 33 下页 上页 返回 6脚外接保持电容保持电容可选用漏电流小的聚苯乙烯电容 云母电容或聚四氟乙烯电容 其数值直接影响采样时间及保持精度 增加保持电容CH的容量可提高精度 但会使采样时间加长 当精度要求不高 1 而速度要求较高时 CH可小至100pF 当精度要求高 0 01 如与12位A D相配合时 为减小下降误差和干扰 应取CH 1000pF LF398的典型连接方法 34 下页 上页 返回 2 5 3采样保持器主要性能指标 当采样 保持器从保持状态转到跟踪状态时 采样 保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的时间 如图2 34所示 捕捉时间tAC AcquisitionTime 保持指令发出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间 是由模拟开关从闭合到完全断开需要一定的时间 当接到保持指令时 采样 保持器的输出并不保持在指令发出瞬时的输入值上 而会跟着输入变化一段时间 孔径时间tAP ApertureTime 35 下页 上页 返回 孔径时间的变化范围 即孔径时间不是恒定的 而是在一定范围内随机变化的 开关断开时 CH上的值不稳定 在tAP后 输出还有一段波动 经过一段稳定时间 tST 后才保持稳定 为了量化的准确 应在发出保持指令后延迟一段时间 延迟时间应 稳定时间 再启动A D转换 孔径不定时间 tAP ApertureJitter 孔径误差 采样 保持器实际保持的输出值与理想输出值之差 36 下页 上页 返回 在保持状态下 由于保持电容器上电荷的泄漏而使保持电压下降 在集成芯片中 通常用泄漏电流来表示 也可用电压下降率来表示 保持电压的下降率计算公式为 保持电压下降率 37 第三节A D转换器及接口技术 A D转换器是将模拟量转换为数字量的器件 这个模拟量泛指电压 电阻 电流 时间等参量 但在一般情况下 模拟量是指电压而言的 在数字系统中 数字量是离散的 一般用一个称为量子Q的基本单位来度量 38 图3 15量化特性及量化误差 39 图3 16理想ADC的传输特性和量化误差 40 A D转换器常用技术指标 1 分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量 一般都简单地用A D转换器输出数字量的位数n表示 最低有效位值1LSB 一个n位的A D转换器可分辨出输入变量的满量程值的1 2n 1 2n称为1LSB LeastSignificantBit 是数字量的最低有效位所表示的模拟量 系统满刻度值的百分数 FSR 等于1LSB 41 2 转换时间A D转换器完成一次转换所需的时间定义为A D转换时间 是转换速率的倒数 采用同种电路技术的A D转换器 转换时间与分辨率有关 一般地 分辨率越高 转换时间越长 转换时间越短 A D转换器适应输入信号快速变化的能力越强 各种类型A D转换时间有所不同 最短的是全并行型A D转换器 其转换时间为5 50ns 其次是逐次比较型A D转换器 其转换时间为0 4 s左右 再次是逐次逼近型A D转换器 较慢的是双积分型A D转换器 42 4 转换精度A D转换精度可以用两种方式来表示 1 绝对精度 在一个转换器中 任何数码所对应的实际模拟电压与其理想电压值之差都不是一个常数 把这个差的最大值定义为绝对精度 对于A D转换而言 可以在每一个阶梯的水平中心点进行测量 用最低有效位 LSB 的倍数表示 如等 2 相对精度 与绝对精度相似 所不同的是把这个最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数 或者用二进制数来表示相对应的数字量 通常用绝对精度除以满量程值的百分数来表示相对精度 43 5 线性度线性度有时又称为非线性度 Non Linearity 它是指转换器实际的输入 输出特性与理想的输入 输出特性的最大偏移量与满刻度输出之比 与线性度误差直接关联的一个A D转换的常用术语是失码 MissingCode 或跳码 SkippedCode 也叫做非单调性 所谓失码 就是有些数字码不可能在A D转换器的输出端出现 即被丢失 或跳过 了 例如 当A D转换器的传输特性如图4 2所示时 011码被丢失 A D转换的线性度误差的来源及特性与转换器采用的电路技术有关 它们是难以用外电路加以补偿的 44 图4 2A D转换的失码现象 45 6 温度对误差的影响环境温度的改变会造成偏移 增益和线性度误差的变化 当A D转换器必须工作在温度变化的环境中时 这些误差的温度系数将是一个重要的技术参数 温度系数是指温度改变1 时误差的改变量与满量程输入模拟电压的比值 常用10 6 表示 46 常用AD转换器介绍1 ADC0809的工作原理及应用ADC0809是8路模拟量输入 8位数字量输出的逐次比较式A D转换芯片 芯片的主要部分是一个8位的逐次比较型A D转换器 47 图4 3ADC0809的原理结构图 为了能实现8路模拟信号的分时采集 在芯片内部设置了多路模拟开关 通道地址锁存和译码电路 能对多路模拟信号进行分时采集和转换 48 ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A D转换器 CMOS工艺 可实现8路模拟信号的分时采集 片内有8路模拟选通开关 以及相应的通道地址锁存用译码电路 其转换时间为100 s左右 ADC0809工作原理 49 ADC0809工作原理 IN0 IN7 模拟量输入通道 要求信号单极性 电压范围0 5V 信号过小需放大 转换过程中其值不应变化 对速度快的信号要加采样保持电路 50 地址线ABC C为高位 A为低位 按大小顺序从小到大依次对应选择的通道IN0 IN7 ADC0809工作原理 51 ALE 地址锁存允许信号 对应ALE上跳沿 ABC地址状态送入地址锁存器中 ADC0809工作原理 52 START 转换启动信号 START上跳沿时 所有内部寄存器清 0 START下跳沿时 开始进行A D转换 转换期间 START保持低电平不变 ADC0809工作原理 53 D7 D0 数据输出线 三态缓冲形式 可与单片机直接相连 D7是最高位 D0是最低位 ADC0809工作原理 54 OE 输出允许信号 控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 OE 0 输出数据线呈高阻态 OE 1 输出转换得到的数据 ADC0809工作原理 55 CLK 时钟信号 需提供500kHz的时钟信号才能工作 ADC0809工作原理 56 EOC 转换结束信号 EOC 0 正在进行转换 EOC 1 转换结束 使用中 该状态信号既可以作为查询的状态标志 又可以作为中断请求信号使用 57 VCC 5V电源 VREF参考电源 VREF 为 5V VREF 为0V ADC0809工作原理 58 2 AD574A的工作原理及应用AD574A是12位A D转换器 按逐次逼近式工作 最大转换时间为25ps 片内具有4位三段三态门输出 可直接挂在8位或16位微机的数据总线上 AD574A可以在较宽的温度范围内保持线性并不丢码 内有高稳定时钟及齐纳二极管稳定电源 Veer 10V 采用28引脚塑料或陶瓷双列直插式封装 功耗较低 390mW 59 三 型ADC高精度的A D变换器 1 采用了过采样技术和 调制技术 2 采用数字滤波和采样抽取技术 增加了系统中数字电路的比例 减少了模拟电路的比例 并且易于与数字系统实现单片集成 能够以较低的成本实现高精度的A D变换器 适应了VLSI技术发展的要求 60 如CS5360芯片 是一种高性能24位立体声音频A D转换芯片 三 型ADC高精度的A D变换器 61 V F转换器也称为压控振荡电路 电压 频率转换是一种模拟量和数字量之间的转换技术 当模拟信号 电压或电流 转换为数字信号时 转换器的输出是一串频率正比于模拟信号幅值的矩形波 显然数据是串行的 这与目前通用的模数转换器并行输出不同 然而其分辨率却可以很高 串行输出的模数转换在数字控制系统中很有用 可把模拟量误差信号变成与之成正比的脉冲信号 以驱动步进式伺服机构用来精密控制 V F转换器是青岛晶体管研究所生产的电路 电压频率转换也可称为伏频转换 把电压信号转换为脉冲信号后 可以明显地增强信号的抗干扰能力 也利于远距离的传输 通过和单片机的计数器接口 可以实现AD转换 四 V F型ADC 62 四 V F型ADC如芯片V F F VAD650 在现场信号检测中 为保证单片机系统安全 经常遇到信号隔离传送问题 如图 现场信号经传感器检测放大后 送入AD650组成的V F转换部分 变为幅度稳定的脉冲信号 经光电耦合器隔离传送 该脉冲再经AD650组成的F V转换部分将模拟电压复原 再送入单片机系统 63 第五节数据采集系统设计及举例 一 系统设计考虑的因素二 A D转换器的选择要点三 采样保持器S H的选择四 多路测量通道的串音问题五 主放大器的设置六 数据采集系统实例 64 一 采集系统设计考虑的主要因素 输入信号的特性对数据采集系统性能的要求接口特性 65 输入信号的特性 信号的数量信号的输入方式 单端 差动 单极性 双极性 接地 浮地 信号的强弱及动态范围信号的频带宽度信号是周期还是瞬态信号中的噪声共模电压大小信号源的阻抗 66 对数据采集系统性能的要求 系统的采样速率系统的分辨率系统的精度 主机 PC MCU DSP 并行 串行 总线数据的编码格式 接口特性 67 二 A D转换器的选择要点 1 A D转换位数2 转换速度3 环境条件4 接口 68 1 A D转换位数m需同时满足动态范围和精度要求 系统精度指标 的10倍原则 69 2 A D转换速度的确定 转换速率f tc 转换时间 to 休止时间 N 模拟输入通道数 C 截