「按工作原理分:」
「直接比较型」 —— 模拟信号直接与参考电压比较,得到数字量。
「类型有:」 逐次比较、连续比较
「优点:」 瞬时比较,转换速度快。
「缺点:」 抗干扰能力差。
「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。
「类型有:」 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。
「分辨率:」 转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。
设 转换器的位数为 ,满量程电压为 ,则分辨率定义为:
由”量化“的知识可知,相对分辨率定义为:
由式(1)和式(2),可得出 转换器分辨率与位数之间的关系:「 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 来间接表示分辨率。
「量程」 —— 转换器能转换模拟信号的电压范围。
「例如:」 ~ 、 ~ 、 ~ 、 ~ 。
「1. 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出电压之差。
「存在问题:」 在 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。
「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。
「例如:」 一个 位 转换器,理论模拟输入电压为 时,对应的输出数码为 。实际在 ~ 范围内的模拟输入电压都产生这一输出数码,则
「2. 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。
「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。
「1. 转换时间 」
「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。
「2. 转换速率」
「转换速率」 —— 每秒钟转换的次数。
下面讨论 与转换精度、信号频率的关系。
「瞬时值响应的 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1所示的正弦信号为例,讨论它们之间的关系。
由于
而过零时,
所以在过零点上有最大值
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 , ;
② 当信号频率一定, , 。
「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 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。」
「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。
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。但当温度变化时,偏移电压又将出现。
「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。
为没有量化误差时候的标准模拟电压,由于存在增益误差,使 变为
在一定温度下,可通过外部电路的调整使 ,从而消除增益误差。但当温度变化时,增益误差又将出现。
「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。
线性误差是由 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。
「工作原理:」
设逐次逼近寄存器 是 位,基准电压为 ,模拟输入电压 ,转换成二进制数码。工作过程如下:
转换开始之前,先将 清零;
转换开始,第一个时钟脉冲到来时, 的状态置为 ,经 转换器转换成反馈电压:
,反馈到比较器与 比较。因为 ,予以保留此位”1“。
第二个时钟脉冲到来时, 置为 码,经过 转换器产生反馈电压 ,因 ,故保留此位”1“。
第三个时钟脉冲到来时,
置为
码,经过
转换器产生反馈电压
,因$U_i
第四个时钟脉冲到来时, 状态又置为 。
「1. 特点」
「2. 芯片内部结构」
「组成:」
「(1)」 「转换器是ADC0809的核心部分」,由 转换器、逐次逼近寄存器( )、比较器等部分组成。其中 转换电路采用 型电阻网络(即 个电阻分压器,此处 )。它在启动脉冲的上升沿来到时被复位,在脉冲启动的下降沿开始 转换。若转换过程中接收到新的启动转换脉冲,则终止转换。转换结束信号 在 转换完成时为 。
「(2)」 「比较器采用斩波比较器」,把直流输入信号转化成交流信号,经高增益交流放大器放大后再恢复为直流电平,降低放大器的漂移,提高转换精度。
「(3) 多路开关」包括一个 通道单端 (单极性) 模拟输入多路开关和地址译码器,用 位地址码,经锁存器和译码器后,去控制选通某一输入通道,如表所示,当地址所存允许信号 的上升沿到来时,地址信号被锁入译码器内。
「(4) 三态输出锁存」由允许输出信号 控制,当 时,数据输出线 ~ 脱离高阻态, 转换结果被送到微机总线。
「3. 芯片引脚功能」
「4. 工作时序及过程」
「1. 特点」
「2. 芯片内部结构」
「1. 特点」
「2. 芯片内部结构」
「应该考虑静态精度和动态精度两个方面。」
「1. 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 转换器位数有关。
「由图可知:」 位以下误差较大; 位以上误差减小不明显。
「结论:」 取 ~ 位是合适的。
从精度来看
由于模拟信号是先测量后转换,因此总误差由测量精度和量化精度组成。
设测量误差和量化误差不相关。它们的标准差分别为 和 「。」
则总误差的标准差为:
式中
「因此, 取 ~ 较为合适。」
「总之,A/D转换器的精度应与测量装置的精度相匹配。」
目前,大多数测量装置的精度值不小于 ~ ,故 转换器的精度取 ~ ,相应的位数为 ~ 位,加上符号位,即为 ~ 位。
「2. 从动态平滑性的要求来考虑」
位数不能太多,否则虽然 ,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。」
「转换速率」 —— 每秒钟能完成的转换次数。
其与转换时间的关系:转换速率 = 1/转换时间
确定转换速率时,应该考虑系统的采样速率:
若转换时间为 ,则转换速率为 千次 。
设一个周期的波形需采 个样点,那么 转换器最高只能处理 的模拟信号。
若转换时间为 ,则转换速率为 千次 ,信号频率可提高到 。
「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。」
「1. 数据输出缓存问题」
转换器在与微机接口时,其数据输出端必须通过三态缓冲器与数据总线相连,未被选中时, 转换器输出呈高阻态,以免干扰数据总线上的数据传输。常用的 转换器分以下四种情况:
「2. 产生芯片选通信号和控制信号」
利用微机和「地址总线」和「控制总线」对 转换器的转换和读出数据进行控制时,应满足 转换器芯片正常的「工作时序的要求」,即达到「时序匹配」。
「3. 读出数据」
「1. 位 转换器 与微机的接口」
「2. 位 转换器 与微机的接口」
启动转换时:
读出时:
由于 接地,转换结果分两次读出,
高八位从 ~ 读出,此时
低四位从 ~ 读出,此时
是否转换结束从 获取。
「1. 外接三态缓冲器的接口电路」
通过三态缓冲器 把 的数据线与单片机的数据总线相连。
判断转换是否结束是通过查询 实现的。
「2. 利用 器件与微机的接口电路」