第6章数据采集与处理

第6章数据采集与处理第一页，共97页。6.1A／D转换器的分类第6章模／数转换器分类按速度分：高、中、低按精度分：高、中、低按位数分：8、10、12、14、16按工作原理分第二页，共97页。6.1A/D转换器的分类按工作原理分直接比较型—模拟信号直接参考电压比较，得到数字量。有逐次比较、连续比较···优点：瞬时比较，转换速度快。间接比较—模拟信号与参考电压先转换为中间物理量，再进行比较。缺点：抗干扰能力差。有双斜式、积分式、脉冲调宽···优点：平均值比较，抗干扰能力强。缺点：转换速度慢。第三页，共97页。第6章模／数转换器6.2A／D转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率—

A／D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。

设A／D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则分辨率定义为：第四页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标量化单位就是A／D转换器的分辨率。相对分辨率定义为第五页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标表6.1A／D转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为10V)

位数

级数

相对分辨率（1LSB）

分辨率（1LSB）

810121416

256102440961638465536

0.391%0.0977%0.0244%0.0061%0.0015%

39.1mV9.77mV2.44mV0.61mV0.15mV

由式（6-1）和式（6-2），可得出A／D转换器分辨率与位数之间的关系第六页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标A／D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。因此，目前一般用位数n来间接表示分辨率。2.量程

量程—

A／D转换器能转换模拟信号的电压范围。例如：0～5V，-5V～+5V，0～10V，

-10V～+10V。第七页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标3.精度绝对精度

绝对精度—

对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。存在问题：在A／D转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码。

第八页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标约定：上述定义的模拟输入电压则限定为量化带中点对应的模拟输入电压值。例如：一个12位A／D转换器，理论模拟输入电压为5V时，对应的输出数码为1。实际模拟输入电压在4.997V～4.999V范围内的都产生这一输出数码，则第九页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标绝对误差一般在范围内。相对精度相对精度—

绝对精度与满量程电压值之比的百分数。第十页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标

精度和分辨率是两个不同的概念：

①精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度；②分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。第十一页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标4.转换时间和转换速率

转换时间tCONV

转换时间—

按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。转换速率转换速率—

每秒钟转换的次数。第十二页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标下面讨论转换时间与转换精度、信号频率的关系。瞬时值响应的A／D转换器

转换时间取决于所要求的转换精度和被转换信号的频率。

以图6.1所示的正弦信号为例，讨论它们之间的关系。第十三页，共97页。Um2U(t)=sinωt6.2A／D转换器的主要技术指标

设在t0时刻开始转换，转换一次所需的时间为tCONV，转换终了的时刻为t1，与tCONV对应信号电压增量(误差)为△U。tU(t)Um2t0t1tCONV△U图6.1转换时间对信号转换的影响由于第十四页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标在过零点上有最大值∵过零时，∴第十五页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标

故在过零点处，转换时间所造成的最大电压误差为由此可知：①当精度一定时，信号频率↑tCONV↓；②当信号频率一定，

tCONV

↓，△U↓。第十六页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标平均值响应的转换器

由于被转换的模拟量为直流电压，而干扰是交变的，因此转换时间

tCONV

越长，其抑制干扰的能力就越强。换言之：平均值响应的转换器是在牺性转换时间的情况下提高转换精度的。第十七页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标5.偏移误差

偏移误差—

使最低有效位成“1”状时，实际输入电压与理论输入电压之差。如图6.2所示。第十八页，共97页。偏移实际曲线6.2A／D转换器的主要技术指标

该误差主要是失调电压及温漂造成的。

一般来说，在一定温度下，偏移电压是可以通过外电路予以抵消。Ui输出数码001010011100101110111偏移误差Ui误差图6.2偏移误差(a)(b)理想曲线第十九页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标但当温度变化时，偏移电压又将出现。6.增益误差

增益误差—

满量程输出数码时，实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。

该误差使传输特性曲线绕坐标原点偏离理想特性曲线一定的角度，如图6.3所示。第二十页，共97页。K=1K<1K>16.2A／D转换器的主要技术指标当K=1时，没有增益误差，Ui=FSR，输出为111。当K>1时，传输特性的台阶变窄，在模拟输入信号达到满量程值之前，数码输出就已为全“1”状态。当K<1时，传输特性台阶变宽，模拟输入信号已超满量程时，数码输出还未达到全“1”状态。图6.3增益误差Ui输出数码001010011100101110111FSR增益误差第二十一页，共97页。6.2A／D转换器的主要技术指标

在一定温度下，可通过外部电路的调整使K=1，从而消除增益误差。但当温度变化时，增益误差又将出现。7.线性误差

线性误差—

在没有增益误差和偏移误差的条件下，实际传输特性曲线与理想特性曲线之差。第二十二页，共97页。实际曲线理想曲线6.2A／D转换器的主要技术指标

线性误差是由A／D转换器特性随模拟输入信号幅值变化而引起的，因此，线性误差是不能进行补偿的。Ui001010011100101110111输出数码图6.4线性误差线性误差第二十三页，共97页。6.3逐次逼近式A／D转换器

1.工作原理第6章模／数转换器模拟输入Ui+

-A去码/留码逻辑环形计数器数据寄存器时序与逻辑控制D／A转换器数字量输出锁存器基准电源UREFUf=UREF

(a12-1

+

a22-2

+

…

+

an2-n)并行数字量输出图6.5逐次逼近式A／D转换器结构SAR比较器第二十四页，共97页。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

组成逐次逼近寄存器SAR去/留码逻辑环形计数器数据寄存器D/A转换器比较器基准电源时序与逻辑控制电路数字量输出锁存器第二十五页，共97页。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

工作原理：设定在SAR中的数字量经D／A转换器转换成反馈电压Uf；SAR

顺次逐位加码控制

Uf的变化；Uf与等待转换的模拟量Ui进行比较，大则弃，小则留，逐次逼近；最终留在SAR

的数据寄存器中的数码作为数字量输出。第二十六页，共97页。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

2.工作过程

设逐次逼近寄存器SAR

是8位，基准电压10.24V，模拟输入电压8.3V，转换成二进制数码。工作过程如下：转换开始之前，先将SAR清零；第二十七页，共97页。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

转换开始，第一个时钟脉冲到来时，SAR的状态置为，经D／A转换器转转换成反馈电压V，反反馈到比较器与Ui比较。因为，Ui>Uf，予以保留此位的“1”。第二十八页，共97页。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

第二个时钟脉冲到来时，SAR置为码，经过D／A转换器产生反馈电压V，因Ui>Uf

，故保留此位“1”。第二十九页，共97页。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

第三个时钟脉冲到来时，SAR状态置为，经D／A转换器产生反馈电压V，因Ui<Uf

，SAR

此位应置“

0”。SAR

状态改为。第四个时钟脉冲到来时，SAR状态又置为，......。第三十页，共97页。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

tU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V时钟脉冲12345678图6.6逐次逼近比较过程脉冲1SAR置为2345678逐次逼近式A／D转换的过程可用表6.2说明之。第三十一页，共97页。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

表6.28位逐次逼近A／D转换过程

次数

SAR中的数码D/Ａ产生的

(V)

去／留码判断

本次操作后SAR

中的数码

12345678

1000000111000001101000011001000110011001100111011001111

5.127.688.968.328.08.168.248.28

，留1

，留1

，留0

，留0

，留1

，留1

，留1

，留1

11000000110000001100000011001000110011001100111011001111第三十二页，共97页。

6.3

逐次逼近式A／D转换器

由表6.2可见：

经过8

次比较之后，SAR的数据寄存器中所建立的数码即为转换结果。

数码对应的反馈电压Uf=8.28V，它与输入的模拟电压Ui=8.3V相差0.02V，不过两者的差值已小于1LSB所对应的量化电压0.04V。

逐次逼近式A／D转换器的转换结果通过数字量输出锁存器并行输出。第三十三页，共97页。

6.4

双斜积分式A／D转换器

工作原理：

双斜积分式A/D转换器是一种间接比较型A/D转换器，它主要由积分器、电压比较器、计数器、时钟发生器和控制逻辑等部分组成。首先利用两次积分将输入的模拟电压转换成脉冲宽度，然后再以数字测时的方法，将此脉冲宽度转换成数码输出。。第三十四页，共97页。

6.4

双斜积分式A／D转换器

结构图：第三十五页，共97页。

6.4

双斜积分式A／D转换器

工作过程：1、预备阶段开始工作前，控制电路令开关K4和开又K5闭合，使电容C放掉电荷，积分器输出为零，同时使汁数器复零。2、采样阶段控制电路将开关Kl接通，模拟信号Ui接入A/D电路，被积分器积分，同时打开控制门，让计数器计数，当被采样信号电压为直流电压或变化缓慢的电压时，积分器将输出一斜变电压。

第三十六页，共97页。

6.4

双斜积分式A／D转换器

工作过程：2、采样阶段

经过一个固定时间后，计数器达到其满量限N1值，计数器复零而送出一个溢出脉冲。此溢出脉冲使控制电路发出信号，将K2接通，接入基准电压+UREF，（若UI为正，则接通K3)，至此采样阶段结束。当t＝t1时，积分器输出电压为：第三十七页，共97页。

6.4

双斜积分式A／D转换器

第三十八页，共97页。

6.4

双斜积分式A／D转换器

3、编码阶段当开关K2接通(模拟开关总是接向与UI极性相反的基淮电压)，+Uref接入电路，积分器向相反方向积分，即积分器输出由原来的Uox值向零电平方向斜变，斜率恒定，与此同时，计数器又从零开始计数。当积分器输出电平为零时，比较器有信号输出，控制电路收到比较器信号后发出关门信号，积分器停止积分，计数器停止计数，并发出记忆指令，将此阶段计得数字N2记忆下来并输出。第三十九页，共97页。

6.4

双斜积分式A／D转换器

3、编码阶段这一阶段被积分的电压是固定的基准电压UREF，所以积分器输出电压的斜率不变，与所计数字N2对应的t2称为反向积分时间。这个阶段常称为定值积分阶段。定恒积分结束时得到数字N2便是转换结果，积分器最终输出为：第四十页，共97页。

6.4

双斜积分式A／D转换器

由于UREF为常数，因此：第四十一页，共97页。第6章模／数转换器6.5单片集成A／D转换器

1.8位A／D转换器芯片ADC0809第四十二页，共97页。第四十三页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

2.12位A／D转换器芯片AD574A⑴特点芯片内部包含微机接口逻辑和三态输出缓冲器，可以直接与8位、12位或16位微处理器的数据总线相连。输出可以是12位一次读出或分两次读出：

先读高8位，再读低4位。

第四十四页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

对外可提供一个+10V基准电压，最大输出电流1.5mA。有较宽的温度使用范围。⑵芯片内部结构

输入电压可有单极性和双极性两种。第四十五页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

第四十六页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

组成模拟芯片10V基准12位D/A转换数字芯片SAR比较器时钟、逻辑控制三态输出缓冲第四十七页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

⑶芯片引脚功能引脚布置如图6.13所示。芯片引脚功能如下：D0～D1112位数据输出。数据模式选择高电平，12位一次输出；低电平，12位分两次输出：

先高8位，后低4位。

第四十八页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

A0：字节地址／短周期。在读数状态：若若

为高电平，则的状态不起作用。在转换状态：

当A0=0时，产生12位转换，转换周期为25s；

当A0=1时，产生8位转换，转换周期为16s。当A0=0时，输出高8位数；当A0=1时,输出低4位数，禁止高8位输出；为低电平第四十九页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

芯片选择。当

时，芯片被选中。读／转换信号：当

时，允许读取A／D转换结果；当时，允许启动A／D转换。CE芯片允许。CE=1允许转换或读A／D转换结果。第五十页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

REF

OUT基准电压输出。REF

IN基准电压输入。

如果REF

OUT通过电阻接至REF

IN，则可用来调量程。BIPOFF双极性补偿。

若输入信号为双极性信号，则使用此脚；此脚还可用于调零点。第五十一页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

10VIN10V量程输入端。20VIN20V量程输入端。表6.4AD574A控制信号组合的作用CE工作状态0*11111

**00111****111****接+5V接地接地**01*01不工作不工作启动12位转换启动8位转换并行输出12位数字并行输出高8位数字并行输出低4位数字第五十二页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

⑷工作时序

AD574A工作状态启动转换数据读出启动转换过程第五十三页，共97页。CE上升沿6.5

单片集成A／D转换器

①在CE上升沿之前，先有

和这是比较好的启动方式。图6.14启动转换时序CECSR/CA0STSDB0～DB11≥300ns≥300ns≥250ns>0ns≥200ns≥200ns≥300ns<300ns25s为什么这样说？

因为如果和CE先有效，脉冲到来之前的高电平会引起三态输出门打开，影响数据总线。②当CE=1时，启动转换。 第五十四页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

注意：在启动转换后，各控制信号不起作用，只有STS信号标志工作状态。读出数据

读出数据也同样由CE来启动。第五十五页，共97页。低电平CE上升沿6.5

单片集成A／D转换器

图6.15AD574读数据时序CECSR/CA0STSDB0～DB11≥300ns≥150ns≥0ns≥150ns250ns≥50ns≥0ns≥50ns<350ns有效数据第五十六页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

⑸工作方式选择工作方式单极性：0～xV，输出二进制码。双极性：-xV～+xV，输出偏移二进制码第五十七页，共97页。6.5

单片集成A／D转换器

图6.16AD574工作方式的接法1+5V+15V7-15V11159W20.1KΩAD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND100KΩW1100KΩ0～10V0～20V(a)(a)单极性输入；AD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND151+5V7+15V11-15V9-5～5V-10～10V(b)(b)双极性输入0.1KΩ第五十八页，共97页。第6章模／数转换器6.6面对设计如何选择和使用A／D转换器1.如何确定A／D转换器的位数

应该考虑静态精度动态精度第五十九页，共97页。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器⑴从静态精度考虑要考虑量化误差对输出的影响。量化误差与A／D转换器位数有关。第六十页，共97页。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器由图可知10位以下误差较大；11位以上误差减小不明显。图6.22位数与误差的关系位数误差8910111213第六十一页，共97页。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器因此，取10～11位是合适的。从精度来看由于模拟信号是先测量后转换，因此总误差测量误差量化误差第六十二页，共97页。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器设测量误差和量化误差不相关。它们的标准差分别为eM和eq

。则总误差的标准差为式中第六十三页，共97页。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器由图6.23可知:ξ变化缓慢，eM减小不多。ξ↑，eM↓图6.23ξ与的关系eqeMeqeMξ0.10.30.50.70.91.01.11.21.31.4因此，取为0.3～0.5较为合适。第六十四页，共97页。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器

总之，A／D转换器的精度应与测量装置的精度相匹配。确定位数①量化误差在总误差中所占比例要小。②根据测量装置的精度水平，合理提出位数要求。第六十五页，共97页。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器

目前，大多数测量装置的精度值不小于0.1%～0.5%，故A／D转换器的精度取0.05%～0.1%，相应的位数为10～11位，加上符号位，即为11～12位。⑵从动态平滑性的要求来考虑

位数不能太多，否则虽然q↓，但产生高频小振幅量化噪声。

一般来说，满足静态精度要求的位数，也能满足动态平滑性的要求。第六十六页，共97页。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器2.如何确定A／D转换器的转换速率

转换速率—

每秒钟能完成的转换次数。其与转换时间的关系：第六十七页，共97页。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器确定转换速率时，应该考虑系统的采样速率：若转换时间为100s，则转换速率为10千次/s。

设一个周期采10个样点，那么A／D转换器最高只能处理1kHz的模拟信号。若转换时间为10s，则转换速率为100千次/s，信号频率可提高到10kHz。第六十八页，共97页。6.6

面对设计如何选择和使用A／D转换器3.如何确定是否要加采样／保持器

原则上，采集变化非常缓慢的模拟信号（例如温度）时，可不用采样／保持器。其它模拟信号都要加采样／保持器。第六十九页，共97页。第6章模／数转换器6.7A／D转换器与微机接口

接口任务①转换器收到微机发出的转换指令，进行转换。②当微机发出取数指令时，转换结果存入微机内存。第七十页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

1.接口设计中的问题

需要解决的问题有以下三个：⑴数据输出缓冲问题原因：计算机的数据总线是CPU与存储器、I／O设备之间传送数据的公共通道。

要求：A／D转换器的数据输出端必须通过三态缓冲器与数据总线相连。第七十一页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

当未被选中时，A／D转换器的输出呈高阻抗状态，以免干扰数据总线上的数据传送。下面分四种情况予以讨论。芯片数据输出端有三态缓冲器，且有三态控制端引脚相应芯片有ADC0809，AD7574。它们可以直接和微机数据总线相连。第七十二页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

芯片不具备三态输出缓冲器相应芯片有ADC1210。

这类芯片输出端不能直接连到数据总线，必须外加三态缓冲器。芯片具有三态输出缓冲器，且由片内时序控制相应芯片有AD571和AD572。

这类芯片不能直接与数据总线相连，需要通过时序调整接口转换。第七十三页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

芯片有三态输出缓冲器，且片内时序与微机总线时序配合相应芯片有AD574A，

这类芯片的输出端可直接和微机数据总线相连。⑵产生芯片选通信号和控制信号

芯片选通信号—

地址信号。信号产生：由译码器产生地址信号。第七十四页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

作用：给出地址信号，就选通了A／D芯片。译码器与地址总线连接①系统采用内存映象I／O方式，需要全部地址线参与译码。②系统采用I／O映象方式，用部分低位地址线参与译码。内存映象——I／O不单独编址。I／O映象——I／O单独编址。第七十五页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

控制信号完成对A／D转换器的读写控制

不同微机其控制总线不相同：①8031单片机中，控制线共同控制A／D转换器的读／写操作。当时，执行写操作；当时，读操作。第七十六页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

②8088CPU的PC机中，控制线

共同控制A／D转换器的读／写操作。

在利用微机地址总线、控制总线对A／D转换器的读／写进行控制时，要注意时序匹配。时序匹配—

微机提供的控制信号的持续时间和相位关系满足所用

A／D转换器的控制要求。第七十七页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

在接有采样／保持器的数据采集系统中，要考虑采样／保持器、

A／D转换器和CPU之间的时序配合问题。①用A／D转换器的转换状态信号作为采

样／保持器的模拟开关的控制信号。保证A／D转换与采样／保持器的协调。目的：通常做法：第七十八页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

②A／D转换器的启动转换脉冲宽度应大于采样／保持器的孔径时间。保证在启动A／D转换之前采样／保持器已达到稳定状态，使A／D转换准确。目的：第七十九页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

⑶读出数据

需要解决的问题①A／D转换器与CPU的联络方式。②数据输出格式。联络方式联络—

CPU与A／D转换器传送信息。第八十页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

联络方式①查询方式。②中断方式。①查询方式查询方式

—CPU不断查询A／D转换器的STS脚的电平变化。

因此，要将A／D转换器的转换状态STS脚接在微机I／O口的某一位上。第八十一页，共97页。传到D0三态缓冲器AD57480316.7A／D转换器与微机接口

P0.7P0.0...D11D4...D3D0...STSP2.7P2.0...地址译码器RD+图6.268031与AD574A接口电路中转换状态查询第八十二页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

AD574A的转换状态信号STS经三态缓冲器接到数据总线的D0上，在读状态，用一特定地址选定、打开三态缓冲器，以供CPU检查转换状态：D0=0，A／D处于转换周期；D1=1，A／D转换结束。第八十三页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

②中断方式中断方式—

A／D转换状态信号通过中断输入线向CPU申请中断，CPU响应中断后，转中断服务程序读转换结果。第八十四页，共97页。三态缓冲器6.7A／D转换器与微机接口

AD574A的转换结束信号STS经反相形成正脉冲去触发74LS74(D)触发器，图6.26AD574与PC总线中断联络方式接口电路来自AD574

的STSDQ74LS074RS复位信号端口位X端口位Y至PC总线IRQ2该触发器的输出经三态缓冲器接到PC机总线上空闲的中断请求线上。D触发器的清除和三态缓冲器的启动均由可编程I／O端口位控制。第八十五页，共97页。6.7A／D转换器与微机接口

在设计接口电路时，究竟是采用查询还是中断方式，依据处理情况而定：若转换时间长（100s以上）时，且程序要同