项目6：多路数据采集系统的采集与转换ppt课件

1、工程工程5 5：多路数据采集系：多路数据采集系统的采集与转换统的采集与转换 单元单元1：数字信号转换为：数字信号转换为模拟信号的电路制造模拟信号的电路制造 单元单元2：模拟信号转换为：模拟信号转换为数字信号的电路制造数字信号的电路制造 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

2、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、温度、压力、流量等模拟流量等模拟量量A/D计算机计算机数字数字量量显示器显示器D/A执行部件执行部件模拟量控模拟量控制制打印机打

3、印机 ADC ADC和和DACDAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为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两者之间的接口. .ADCADC和和DACDAC的运用：的运用： 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与转换压力, 温度,流量,液位等经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表示图数字计算机工业控制系统表示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置，输出为数字量计算机选择某一执行机构，去调理控制对象。 项目项目5：多路数据采集系统的采集与转换：多路数据

4、采集系统的采集与转换 D/A D/A转换器本质上是一个译码器解码器。普通常转换器本质上是一个译码器解码器。普通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uOuO和输入数字量和输入数字量DnDn之间成正比关系。之间成正比关系。UREFUREF为参考电压。为参考电压。一、一、D/AD/A转换器的根本任务原理转换器的根本任务原理单元单元1 1 数模转换器数模转换器 D/A D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的方式输出。以电压或电流的方式输出。 uo或或io 输输出出 D/A d0 d1 dn1 输输入

5、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按其权值大小转换成相应将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，那么所得的总的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，那么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的转换。量的转换。 1-n0iREFiiREF00REF11REF2n2nREF1n1nREFnoU2d U2dU2dU2dU2d UDu 1-n0iii00112n2n1n1nn2

6、d2d2d2d2dD即：即：D/AD/A转换器的输出电压转换器的输出电压uOuO，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/A D/A转换器普通由数码缓冲存放器、模拟电子开关、转换器普通由数码缓冲存放器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。参考电压、解码网络和求和电路等组成。 数码缓冲数码缓冲存放器存放器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

7、器方框图转换器方框图 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲存数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲存放器中；存放器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开放器中；存放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

8、-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转换器的主要电路方式转换器的主要电路方式权电阻权电阻双向模拟开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 权电阻的陈列顺序和权值的陈列顺序相反。权电阻的陈列顺序和权值的陈列顺序相反。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，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流集成运算放大器，作为求和权

9、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 00d222,2,21dii11111010iinREFinREFinREFnREFIRURUIUIRUI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SiSi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didi控制：当控制：当di=1di=1时，时，SiSi将将对应的

10、权电阻接到参考电压对应的权电阻接到参考电压UREFUREF上；当上；当di=0di=0时，时，SiSi将对应的权电阻接将对应的权电阻接地。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-n0iii1-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 RF=R/2 RF=R/2 ，那么，那么nnREF1n0

11、iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压uOuO正比于输入的数字量正比于输入的数字量DnDn，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此因此uOuO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：构造简单，电阻元件数较少；优点：构造简单，电阻元件数较少；缺陷：阻值相差较大，制造工艺复杂。缺陷：

12、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，电阻只需电阻解码网络中，电阻只需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di=1di=1时，相应的开关时，相应的开关SiSi接到求和点；当接到求和点；当di

13、=0di=0时，相应的开时，相应的开关关SiSi接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转接地。但由于虚短，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。这样，倒总是与地相连。这样，倒T T型网络的各节点向上看和型网络的各节点向上看和向右看的等效电阻都是向右看的等效电阻都是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)

14、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 00d222,2,21dii1100iinREFininnIRUIIIIII时，时，inREFiinii2R2Ud2IdI 分流：流入求和点的各支路电流为：分流：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 1n0iiinREF1n0iiin00112n2n1

15、n1nnn01n122n11n012-n1-n2dR2U2d2I2d2d2d2d2I2Id2Id2Id2IdIIIII)(流入求和点的电流为：流入求和点的电流为：虚断，运算放大器的输出电压为：虚断，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，只需优点：电阻种类少，只需R和和2R，提高了制造精，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。换速度。 运

16、用：它是目前集成运用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且转换器中转换速度较高且运用较多的一种，如运用较多的一种，如8位位D/A转换器转换器DAC0832，就是采，就是采用倒用倒T型电阻网络。型电阻网络。令令 RF=R RF=R ，那，那么么nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压uOuO正比于输入的数字量正比于输入的数字量DnDn，从而实现了，从而实现了从数字量到模拟量的转换。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

17、。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响越灵敏。分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反响越灵敏。 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转换器的主要技术目的转换器的主要技术目的D/A转换器模拟输出电压能够被分别的等级数可用输转换器模拟输出电压能够被分别的等级数可用输入数字量的位数入数字量的位数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之比来表转换器的最小输出电压与最

18、大输出电压之比来表示分辨率。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

19、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。假设输入为为输入二进制数所代表的十进制数。假设输入为n位二进制位二进制数数dn-1dn-2d1d0，那么输出模拟电压为：，那么输出模拟电压为：)2222(00112211oddddKunnnnu 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/A D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实践值与理想转换器的转换精度是指输出模拟电压的实践值与理想值之差，即指当输入数码为全值之差，即指当输入数码为全1 1时

20、所对应实践输出电压与电路时所对应实践输出电压与电路实际值之差。实际值之差。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突变开场，从输入的数字量发生突变开场，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范围内所需求的时间，称为范围内所需求的时间，称为建立时间建立时间tsettset。目前单片集成。目前单片集成D/AD/A转转换器不包括运算放大器的建立时换器

21、不包括运算放大器的建立时间最短到达间最短到达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构造框图构造框图 四、四、8 8位集成位集成DAC0832DAC08328位位输入输入存放器存放器8位位DAC存放器存放器8位位D/A转换器转换器UREFIOUT2RfbAGNDV CCDGNDDI7DI0CSW R1W R2XFERILELELEI O UT1&RFB 它由一个它由一个8 8位输入存放器、一个位输入存放器、一个8 8位位DACDAC存放器和一个存放器和一个8 8位位D/AD/A转换器三大转换器三

22、大部分组成，部分组成，D/AD/A转换器采用了倒转换器采用了倒T T型型R-2RR-2R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 DI7DI7DI0DI0：8 8位输入数据信号。位输入数据信号。IOUT1IOUT1：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，IOUT1IOUT1最大最大满量程输出；为全满量程输出；为全0 0时，时，IOUT1IOUT1为为0 0。 IOUT2IOUT2：DACDAC

23、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。它作为运算放大器的另一个差分输入信号普通接地。满足信号普通接地。满足 IOUT1+IOUT2 IOUT1+IOUT2 满量程输出电流。满量程输出电流。RfbRfb：反响电阻内已含一个反响电阻接线端。：反响电阻内已含一个反响电阻接线端。DAC0832DAC0832中无中无运放，且为电流输出，运用时须外接运放。芯片中已设置了运放，且为电流输出，运用时须外接运放。芯片中已设置了RfbRfb，只需将此引脚接到运放的输出端即可。假设运放增益不够，还只需将此引脚接到运放的输出端即可。假设运放增益不够，还须外加反响电阻。须外加反响电阻。ILEILE：

24、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。 WR1WR1：输入数据选通讯号，低电平有效。：输入数据选通讯号，低电平有效。 上升沿锁存上升沿锁存XFERXFER：数据传送选通讯号，低电平有效。：数据传送选通讯号，低电平有效。 WR2WR2：数据传送选通讯号，低电平有效。：数据传送选通讯号，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 任何导线都可以被了解成电阻，因此，虽然连在一同的任何导线都可以被了解成电阻，因此，虽然连在一同的“地，其各个位置上的电压也并非

25、一致的，对于数字电路，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，通常是不需求思索由于噪声容限较高，通常是不需求思索“地的方式的，但对地的方式的，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“地对丈量的精度是构成地对丈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衔接起来。开布线，只在板中的一点把它们衔接起来。 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

26、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。 UREFUREF：参考电压输入。普通此端外接一个准确、稳定的电压：参考电压输入。普通此端外接一个准确、稳定的电压基准源。基准源。UREFUREF可在可在-10V-10V至至+10V+10V范围内选择。范围内选择。UCCUCC：电源输入端普通取：电源输入端普通取+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： 1s 1s增益温度系数：增益

27、温度系数： 20ppm/ 20ppm/ppm-ppm-百万分之一，百万分之一，10-610-6输入电平：输入电平： TTL TTL功耗：功耗： 20mW 20mW4.DAC08324.DAC0832任务方式任务方式 当当ILEILE、CSCS和和WR1WR1同时有效时，输入数据同时有效时，输入数据DI7DI7DI0DI0进入输入进入输入存放器；并在存放器；并在WR1WR1的上升沿实现数据锁存。当的上升沿实现数据锁存。当WR2WR2和和XFERXFER同时有同时有效时，输入存放器的数据进入效时，输入存放器的数据进入DACDAC存放器；并在存放器；并在WR2WR2的上升沿实的上升沿实现数据锁存。八

28、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存放器的数据转换为存放器的数据转换为模拟信号模拟信号IOUT1+IOUT2IOUT1+IOUT2输出。输出。 DAC0832 DAC0832 的运用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型三种的运用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型三种任务方式。任务方式。 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的三种任务方式的三种任务方式 b b单缓冲方式：适宜在不要求多片单缓冲方式：适宜在不要求多片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，就开场转换，提高了作

29、，就开场转换，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：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时任务时，实现多通道据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时任务时，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：输出随输入的变化随时转换。直通方式：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/D A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程经过转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程经过取样

30、、坚持、量化和编码四个步骤完成。普通前两步由采取样、坚持、量化和编码四个步骤完成。普通前两步由采样坚持电路完成，量化和编码由样坚持电路完成，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转换器的根本任务原理转换器的根本任务原理采样采样坚持坚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延续变化的信号，转换为时取样也称采样是将时间上延续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上延续变化的模拟量转换为一系列间上离散的信号，即将时

31、间上延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.取样和坚持取样和坚持 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 采样过程的本质就是将延续变化的模拟信采样过程的本质就是将延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，得到一系列样值脉冲

32、。采样脉冲宽度模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度普通是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时坚持普通是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时坚持所获得的样值脉冲幅度，以便进展转换。因此，在取样电路之所获得的样值脉冲幅度，以便进展转换。因此，在取样电路之后须加坚持电路。后须加坚持电路。在采样脉冲在采样脉冲S(t)S(t)到来的时间到来的时间内，内，VTVT导通，导通，UI(t)UI(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，那么有：，那么有：UO(t)UO(t)US(t)US(t)UI(t)UI(t)。采样。采样采样终了，采样终了，V

33、TVT截止，而电容截止，而电容C C上电压坚持充电电压上电压坚持充电电压UI(t)UI(t)不变，直到不变，直到下一个采样脉冲到来为止。坚持下一个采样脉冲到来为止。坚持 场效应管场效应管VTVT为采样门，电容为采样门，电容C C为坚持电容，运算放大器为跟为坚持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。随器，起缓冲隔离作用。取样坚持电路及输出波形取样坚持电路及输出波形 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坚持后，得到的是阶梯波。而该阶输入的模拟电压经过取样坚持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以延续取值的模拟量，但梯波仍是一个可以延

34、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2n2n个数值。因此，用数字量来表示延续变化的模拟量时就有一个类个数值。因此，用数字量来表示延续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。似于四舍五入的近似问题。2.2.量化和编码量化和编码 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 。 在进展在进展A/D转换时转换时,必需把采样电压化为这个量化单位必需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。普通被转换的模拟

35、电压这个转化过程称为量化。普通被转换的模拟电压不能够被不能够被S整除整除,这种要素引起的误差称为量化误差。这种要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普通有两种：只舍不入法和有舍有入法。量化的方法普通有两种：只舍不入法和有舍有入法。 把量化的结果用二进制代码来表示各个量化电平的过程把量化的结果用二进制代码来表示各个量化电平的过程称为编码。这些代码就是称为编码。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。 取样坚持后未量化的取样坚持后未量化的Uo值

36、与量化电平值与量化电平Uq值通常是值通常是不相等的，其差值称为量化误差不相等的，其差值称为量化误差，即，即=Uo-Uq。代码。代码位数越多，量化等级越细，位数越多，量化等级越细， 就越小，但相应的编码电就越小，但相应的编码电路也就越复杂。路也就越复杂。 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1)1)只舍不入法只舍不入法 当当UoUo的尾数的尾数 S S时，时，舍尾取整。这种方法舍尾取整。这种方法总总为正值，为正值，maxmax S S 。 2)2)有舍有入法有舍有入法 当当UoUo的尾数的尾数 S /2 S /2时，时，舍尾取整；当舍尾取整；当UoUo的尾数的尾

37、数 S S /2/2时，舍尾入整。这种方法时，舍尾入整。这种方法可正可负，但是可正可负，但是| max|= | max|= S /2S /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000000001000100011111110101101011011010001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/D A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。转换器有直接转换法和间接转换法两大类。 直接法是经过一套基准电压与取样坚持电压进展比较，从直接

38、法是经过一套基准电压与取样坚持电压进展比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是任务速度高，转换精而直接将模拟量转换成数字量。其特点是任务速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接度容易保证，调准也比较方便。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、并行比较型等。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间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间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。其特点是任务速度较低，但转换成数字量。其特点是任务速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接转换精度可以做

39、得较高，且抗干扰性强。间接A/DA/D转换器有单次转换器有单次积分型、双积分型等。积分型、双积分型等。二、二、A/DA/D转换器的主要电路方式转换器的主要电路方式 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一逐次逼近型一逐次逼近型A/DA/D转换器转换器 它是一种常用它是一种常用A/DA/D转换方式转换方式, ,转换速率比转换速率比双积分型快双积分型快, ,每秒钟采样高达几十万次每秒钟采样高达几十万次, ,逐逐次逼近型次逼近型A/DA/D转换的过程与用天平称物体转换的过程与用天平称物体质量的过程类似。质量的过程类似。 先在砝码盘上加上先在砝码盘上加上128g128g

40、砝码，经天砝码，经天平比较结果，重物平比较结果，重物149g128g149g128g，那么此，那么此砝码保管，即相当于最高位数码砝码保管，即相当于最高位数码D7D7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,uI 0,所以所以uO0uO0。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场计数。数器开场计数。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

41、二次积分第二次积分Qn=1,S1接通b电容有初始电压进展反积分电容有初始电压进展反积分,计数器在计数器在Qn=1的根底上的根底上,在最低在最低位位Q0=0开场计数开场计数.当电压上电容为当电压上电容为0,UC=0,封锁了封锁了G，计数器停顿计数。，计数器停顿计数。u u ( )( )tREFOOtVtdtu tCR212110 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

42、型 ADC假设取假设取 VREF = 2 n 那么那么 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才干。从实际转换器对输入模拟信号的分辨才干。从实际上讲，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2n2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差别为个不同量级，能区分

43、输入模拟电压的最小差别为 满量程输入的满量程输入的1/2n1/2n。 FSRn21三三A/DA/D转换器的主要技术目的转换器的主要技术目的例如，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，那么其分辨率为，那么其分辨率为 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场，到输转换器从接到转换启动信号开场，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/D A/D转换

44、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转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换速度较快，需几十微秒；转换器的转换速度较快，需几十微秒；并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。 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/

45、D转换器实践输出的数字量和实际上输出的数字量转换器实践输出的数字量和实际上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如，转换误差例如，转换误差 。就阐明实践输出的数字量和实。就阐明实践输出的数字量和实际上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。际上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。LSB21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展偶的输出电压分数进展A/DA/D转换。知热电偶输出电压范围为转换。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，试问应选择几位的几位的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/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