提高模数转换器的精度和降低系统的成本

1、提高模数转换器的精度和降低系统的成本在数据采集系统中，模数转换器是其中至关重要的环节，模数转换器的精度以及系统的成本挺直影响到系统的有用性，因此，如何提高模数转换器的精度和降低系统的成本是衡量系统是否具有实际应用价值的标准。普通来说，想提高模数转换器的精度，势必会引起成本的增强，这就要求我们根据详细的精度要求合理的设计模数转换器，来达到详细的要求和降低系统的成本。在精度要求不是很高的场合，我们常常利用嵌入微控制器片内的a/d转换器来实现模数转换，以此来降低系统的成本，但由此又产生了另外的问题，模数转换器是否具有所要求的精度，若超出测量范围如何与测量举行接口，以及如何减小微控制器的电磁干扰提高嵌

2、入式模数转换器的精度问题。这都要求我们实行不同的措施来提高嵌入式模数转换器的精度。1 精度与辨别率的精度和辨别率是两个不同的概念。精度是指转换器实际值与理论值之间的偏差；辨别率是指转换器所能辨别的模拟信号的最小变幻值。adc 辨别率的凹凸取决于位数的多少。普通来讲，辨别率越高，精度也越高，但是影响转换器精度的因素无数，辨别率高的adc，并不一定具有较高的精度。精度是偏移误差、增益误差、积分线性误差、微分线性误差、温度漂移等综合因素引起的总误差。因量化误差是模拟输入量在量化取整过程中引起的，因此，辨别率挺直影响量化误差的大小，量化误差是一种原理性误差，只与辨别率有关，与信号的幅度，采样速率无关，

3、它只能减小而无法彻低消退，只能使其控制在一定的范围之内，普通在±12lsb范围内。1.1 偏移误差偏移误差是指实际模数转换曲线中数字0的代码中点与抱负转换曲线中数字0的代码中点的最大差值。这一差值电压称作偏移电压，普通以满量程电压值的百分数表示。在一定温度下，多数转换器可以通过对外部电路的调节，使偏移误差减小到临近于零，但当温度变幻时，偏移电压又将浮现，这主要是因为输入失调电压及温漂造成的。普通来说，温度变幻较大时，要补偿这一误差是很困难的。1.2 增益误差增益误差是转换器输出全“1”时，实际模拟输入电压与抱负模拟输入电压之差。它使传输特性曲线绕坐标原点偏离抱负特性曲线一定的角度，即

4、增益误差表示模数转换特性曲线的实际斜率与抱负斜率的偏差，它的数值普通用满量程的百分比来表示。adc的抱负传输函数的关系式是（1）式中un是没有量化时的标准模拟电压，因为存在增益误差，式（1）变为（2）式中的k为增益误差因子。当kl时，没有增益误差。当k1时，传输特性曲线的斜率变大，台阶变窄，在输入模拟信号达到满量程值之前，数字输出就己全“l”状态。当k1时，传输特性曲线的斜率变小，台阶变宽，输入模拟信号己超满量程值时，数字输出还未达到全“1”状态输出。在一定温度下，可通过外部电路的调节使kl，从而消退增益误差。1.3 线性误差线性误差又称积分线性误差，是指在没有偏移误差和增益误差的状况下，实际

5、传输曲线与抱负传输曲线之差。线性误差普通不大于12lsb。由于线性误差是由adc特性随输入信号幅值变幻而引起的，因此线性误差是不能举行补偿的，而且线性误差的数值会随温度的上升而增强。1.4 微分线性误差微分线性误差是指实际代码宽度与抱负代码宽度之间的最大偏差，以lsb为单位，微分线性误差也常用无失码辨别率表示。因为时光和温度的变幻，电源可能会有一定的变幻，有时可能是造成影响adc精度的主要缘由，因此在要求比较高的场合，必需保证电源的稳定性，使其随温度和时光的变幻量在所允许的范围之内，但在普通的场合，往往可以不考虑其对系统的影响。2 嵌入式模数转换器的结构及影响转换的缘由和消退办法所谓嵌入式模数

6、转换器是指将模拟多路开关、采样保持、a/d转换、微控制器集成在一个芯片上，常常采纳逐次比较型举行a/d转换，模拟输入信号普通为非负单极性，且输入信号的电压范围为0ef，a/d转换器具有自立的模拟电源与参考电压。在实际应用中，因为输入信号的输出不同，假如输出电阻过大，会引起实际测量的电压分压过小，因而引起测量值较实际值偏小；或者因为输入信号为双极性模拟信号，不能挺直与嵌入式微控制器相连，必需实行特别措施，使双极性模拟信号转换为可以挺直测量的非负单极性信号；还有假如输入信号幅值过大，以至于超过参考电压，也必需引入将压环节，使输入电压低于参考电压，等等，下面向以上影响逐一举行分析。2.1 模拟输入信

7、号阻抗对采样的影响采样过程是采样充电，跟踪输入模拟信号电压的过程，因为采样电路存在模拟多路开关阻抗、采样开关阻抗和输入信号源阻抗，因此，其转换时光受模拟多路开关阻抗、采样开关阻抗与输入信号源阻抗的影响，模拟多路开关与输入信号源的阻抗越大则其转换时光越长。逐次比较型a/d的输入端等效电路如下图所示：图1 逐次比较型a/d的输入端等效电路其中，rin为输入模拟信号内阻，vs为输入模拟电压信号，rsh为模拟多路开关与采样开关的等效电阻，vsh为采样电容的充电电压，由等效电路可以看出，输入模拟信号内阻越大，则采样电容充电时光越长，因此，对于采样频率要求越高的场合，要求模拟输入信号内阻必需越小，在应用时

8、必需首先估算在规定的采样频率下，对模拟输入信号内阻的要求。由电路理论可以求得rin所允许的最大值（假设采样时光为t）：假如信号源内阻达不到要求，则需用法一个输出阻抗很小的缓冲器，例如可以用法电压尾随器，使信号源的输出阻抗达到a/d转换器所要求的输入阻抗的范围之内。2.2 模拟信号极性及幅值的变换在数据采集系统中，采集的模拟信号并非都是非负单极性信号，常常是双极性信号，因此在用法嵌入式a/d转换器的时候，需要对模拟输入信号举行极性转换，我们可以采纳运算组成的线性网络来对其极性及幅值举行转换，但须注重的是在引入线性网络的同时，又引入了一定量的非线性误差，其线性网络原理图可用下图表示：图2 线性网络

9、原理图只要转变电阻r1、r2、r3的大小以及它们的比例关系便可调节模拟输入信号的大小使其符合测量要求。下面介绍一种常用的芯片at90s8535关于其ad转换器用法时应当注重的状况。at90s8535是atmel公司生产的一款基于avr risc结构的，低功耗的8位，其内部集成有模数转换器，模数转换器具有以下特点：10位辨别率；±2lsb精确度；0.5lsb集成线性度；65260s转换时光；8通道；自由运行模式和单次转换模式；adc转换结束中断；休眠模式噪声消退。at90s8535具有10位辨别率的逐次靠近型ad转换器。adc与一个8通道模拟多路器相连，这样就允许a口作为adc的输入引

10、脚。adc包含一个采样保持放大器，adc框图如下所示：图3adc框图adc可以工作于两种模式单次转换和自由运行。在单次转换模式下，用户必需启动每一次转换，而在自由运行模式下，adc会延续采样并更新adc数据寄存器。ad的adfr位用于挑选ad转换器的运行模式。因为模拟通道的转换总是要延迟到转换的结束，因此，自由运行模式可以用来扫描多个通道，而不中断转换器。普通来说，adc转换结束中断用于修改通道，但需考虑一下因素；结果一旦预备好，中断就被触发，在自由运行模式，中断一被触发，则下一次转换马上开头。假如中断触发过后，模拟通道转变，而下一次转换已经开头，则照旧用法以前设置。3.1 adc噪声消退技术

11、at90s8535的内外部数字电路会产生电磁干扰，从而影响模拟测量精度。假如要求测量精度较高，则应实行如下技术以削减噪声：1)at90s8535的模拟部分及其他的模拟器件在板上要有自立的地线层。模拟地与数字地单点相连；2)使模拟信号通路尽量短。使模拟走线在模拟地上通过，并尽量保持远离高速数字通路的走线；3)avcc要通过一个rc网络衔接到vcc；4)利用adc的噪声消退功能减小来自cpu的噪声；5)假如a口的一些引脚作数字输出口，则在adc转换过程中，这些口不要转变其状态。3.2 adc噪声消退功能的实现adc可以在cpu空闲模式下举行转换，这一特征使得可以抑制来自cpu的噪声。为了实现这一特性，需实行一下措施：a)必需挑选单次转换模式，adc的转换结束中断必需使能；aden=1;adsc=0;adfr=0;e=1;b)进入空闲模式。一旦cpu停止，则adc将开头转换；c)假如在adc转换结束之前没有发生其它中断，则adc中断将唤醒并执