项目6：多路数据采集系统的采集与转换课件

项目5：多路数据采集系统的采集与转换

概述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。

Digital-AnalogConverter，简称

D/A转换器或DAC。

Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。

将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。

数模转换：实现数模转换的电路称数模转换器。模数转换：实现模数转换的电路称模数转换器。传感器(温度、压力、流量等模拟量）A/D计算机（数字量）显示器D/A执行部件（模拟量控制）打印机

ADC和DAC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.ADC和DAC的应用：D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压uO和输入数字量Dn之间成正比关系。UREF为参考电压。一、D/A转换器的基本工作原理单元1数模转换器D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。uO＝DnUREF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，则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量的转换。即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应的各分模拟电压之和。D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。数码缓冲寄存器n位数控模拟开关解码网络n位数字量输入模拟量输出求和电路参考电压n位D/A转换器方框图数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存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；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。权电阻网络DAC的原理分析开关Si的位置受数据锁存器输出的数码di控制：当di=1时，Si将对应的权电阻接到参考电压UREF上；当di=0时，Si将对应的权电阻接地。虚短虚断运算放大器总的输入电流为运算放大器输出电压为令RF=R/2，则即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。因而uO的变化范围是当Dn=Dn-1…D0=0时，uO=0；当Dn=Dn-1…D0=11…1时，。权电阻网络D/A转换器的特点①优点：结构简单，电阻元件数较少；②缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。参考电压UREF供出的总电流为：分流：流入求和点的各支路电流为：流入求和点的电流为：虚断，运算放大器的输出电压为：倒T型电阻网络D/A转换器的特点：

①优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。②应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。令RF=R，则即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。转换特性D/A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3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压uo=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。其中Ku或Ki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。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：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，即指当输入数码为全1时所对应实际输出电压与电路理论值之差。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。1.DAC0832结构框图四、8位集成DAC08328位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFB

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，D/A转换器采用了倒T型R-2R电阻网络。LE＝1，跟随＝0，锁存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。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。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）。3.DAC0832特性参数分辨率：8位建立时间：1µs增益温度系数：20ppm/℃（ppm----百万分之一，10-6）输入电平：TTL功耗：20mW4.DAC0832工作方式当ILE、CS和WR1同时有效时，输入数据DI7～DI0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拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。DAC0832的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型三种工作方式。DAC0832的三种工作方式（b）单缓冲方式：适合在不要求多片D/A同时输出时。此时只需一次写操作，就开始转换，提高了D/A的数据吞吐量。（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。（c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连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。1.取样和保持取样过程采样脉冲输入模拟信号采样输出信号采样过程的实质就是将连续变化的模拟信号变成一串等距不等幅的脉冲。量化的方法一般有两种：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称为编码。这些代码就是A/D转换的输出数字量，而量化及编码电路即为A/D转换器电路。取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差ε，即ε=Uo-Uq。代码位数越多，量化等级越细，ε

就越小，但相应的编码电路也就越复杂。1)只舍不入法

当Uo的尾数＜S时，舍尾取整。这种方法ε总为正值，εmax＝S

。2)有舍有入法

当Uo的尾数＜S

/2时，舍尾取整；当Uo的尾数≥S

/2时，舍尾入整。这种方法ε可正可负，但是|ε

max|=S

/2。可见，它的误差要小。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。二、A/D转换器的主要电路形式（一）逐次逼近型A/D转换器

它是一种常用A/D转换方式,转换速率比双积分型快,每秒钟采样高达几十万次,逐次逼近型A/D转换的过程与用天平称物体质量的过程相似。

先在砝码盘上加上128g砝码，经天平比较结果，重物149g>128g，则此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为1。

再加64g砝码，经天平比较，重物149g<(128+64)g，则舍下64g砝码，即相当于数码记为0。逐一添加比较，凡砝码总质量小于物体质量的砝码留下，否则舍去。保留的砝码为128g+16g+4g+1g=149g相当于转换的数码为D7—D0=10010101逐次逼近型A/D转换器被保留的电压相当于天平所称的物体质量，而所转换的数字量相当于在天平上逐次添加砝码所保留下来的砝码质量。1、逐次逼近型A/D转换器的基本电路比较器C3位D/A转换器数码寄存器环形右移寄存器转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原理框图基本原理为了提高ADC转换精度,在输出端加负的偏移电压=0.5V,作为量化误差修正,送入比较器的电压为uO‘=uO

-,使精度提高一倍。3位D/A转换器输出的相当于砝码值的电压,根据D/A转换器原理可知,若VREF=8V,则3位DAC能分辨的最小电压为S==×8V=1V

在CP时钟脉冲作用下，QA~QE逐个循环产生脉宽与CP周期相同的节拍脉冲2、工作原理设定：5.9V时时转换开始前，先将FF2FF1、FF0清零。设QAQBQCQDQE

=10000G变为高电平以后，转换开始。Q2=1应保留5.9V10000第一个节拍1003.5V001000Q1=1应保留Q2=Q1

=1应保留5.9V第二个节拍1100010005.5V00100Q2=Q1

=1应保留5.9V第三个节拍11116.5V00100Q0=1不应保留000105.9V第四个节拍11005.5VQ0=1不应保留00010Q2=Q1

=1应保留00001打开1105.9V第五个节拍10000被封锁01000例1：一个四位逐次逼近型ADC电路，输入满量程电压为5V,现加入的模拟电压Ui=4.58V。求：（1）ADC输出的数字是多少？（2）误差是多少？解：（1）第一步：使寄存器的状态为1000，送入DAC,由DAC转换为输出模拟电压因为Uo＜Ui,所以寄存器最高位的1保留。第二步：寄存器的状态为1100，由DAC转换输出的电压Uo=因为Uo＜Ui,所以寄存器次高位的1也保留。第三步：寄存器的状态为1110，由DAC转换输出的电压Uo=因为Uo＜Ui,所以寄存器第三位的1也保留。第四步：寄存器的状态为1111，由DAC转换输出的电压Uo=因为Uo＞Ui，所以寄存器最低位的1去掉，只能为0。所以，ADC输出数字量为1110。(2)转换误差为4.58-4.38=0.2V逐次逼近型ADC的数码位数越多，转换结果越精确，但转换时间也越长。这种电路完成一次转换所需时间为(n+2)TCP。式中，n为ADC的位数，TCP为时钟脉冲周期。例2：若UREF＝-4V，n＝4。当采样保持电路输出电压uI′=2.49V时，试列表说明逐次逼近型ADC电路的A/D转换过程。解：量化单位为偏移电压为Δ/2＝0.125V转换的结果为：d3d2d1d0＝1010。(二)双积分式A/D转换器双积分ADC转换器电路图A/D转换前，控制电路对计数器清零,并将S2闭合使C放电后,S2再断开-VREF第一次积分第一次积分时间

由于uI

>0,所以uO<0。S1接通a点积分器对uI积分1G开放，CP进入计数器开始计数。积分器输出为：第二次积分Qn=1,S1接通b电容有初始电压进行反积分,计数器在Qn=1的基础上,在最低位Q0=0开始计数.当电压上电容为0,UC=0,封锁了G，计数器停止计数。将T2=t2–t1=NTC及代入属于V-T型ADC若取VREF=2n

则N=uI即计数值表示为被转换的输入电压u

I数值

分辨率=1.分辨率分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为（满量程输入的1/2n）。（三）A/D转换器的主要技术指标例如，A/D转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V，则其分辨率为

2.转换时间转换时间是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。①双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；②逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，需几十微秒；③并行比较型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。3.转换误差

它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如，转换误差≤。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。例：某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s内对16个热电偶的输出电压分数进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0～25mV（对应于0～450℃温度范围），需分辨的温度为0.1℃，试问应选择几位的A/D转换器？其转换时间为多少？解：分辨率=12位ADC的分辨率=故需选用13位A/D转换器。转换时间=（三）8位集成ADC08091.AD