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5. 模/数转换器 5.1-5.6

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2022-11-03 / 1 评论 / 848 阅读 / 0 点赞

5. 模/数转换器

5.1 A/D转换器的分类

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。

5.2 A/D转换器的主要技术指标

5.2.1 分辨率

分辨率: 转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。

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。

5.2.2 量程

量程 —— 转换器能转换模拟信号的电压范围。

例如: ~ ~ ~ ~

5.2.3 精度

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: 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 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。


5.2.4 转换时间和转换速率

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。

5.2.5 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。

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。

5.2.6 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。

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

  • 时, ,输出 ,没有增益误差。
  • 时,传输特性的台阶变窄,模拟输入信号未达到满量程值,数码输出就已为全"1"状态。
  • 时,传输特性的台阶变宽,模拟输入信号已超满量程,数码输出还未达到全”1“状态。

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。

5.2.7 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。

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。

5.3 逐次逼近式A/D转换器

5.3.1 工作原理

工作原理:

  • 设定在 中的数字量经 转换器转换成反馈电压
  • 顺次逐位加码控制 的变化;
  • 与模拟量 进行比较,大则弃,小则留,逐次逼近;
  • 最终留在 的数据寄存器中的数码作为数字量输出。

5.3.2 工作过程

设逐次逼近寄存器 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 < p> <>

  • 第四个时钟脉冲到来时, 状态又置为

5.4 单片集成A/D转换器

5.4.1 8位A/D转换器芯片 ADC0809

1. 特点

  • 具有8个模拟量输入通道。
  • 与微型计算机的大部分总线兼容。

2. 芯片内部结构

组成:

  • 芯片( 转换器、逐次逼近寄存器( )、比较器);
  • 多路开关;
  • 三态输出锁存器;

(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 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

  • ~ :模拟电压输入端;
  • :基准电压正负极;
  • :模拟量输入通道地址选择线;
  • :地址锁存允许信号,上升沿有效;
  • :启动转换信号,上升沿清零内部寄存器,下降沿开始 转换;
  • :转换完毕输出信号,高电平有效;
  • :允许输出信号(输入,高电平有效);
  • :时钟输入信号;
  • ~ :数字量输出。

4. 工作时序及过程

  • 的上升沿将 引脚提供的通道地址锁存起来。
  • 发送 启动信号 ,脉冲上升沿复位,在启动脉冲下降沿开始转换。 的上升沿和下降沿,与 最重要的两个时间有关。
    • —— 从 的上升沿起,到 的下降沿止的时间。 与工作时钟有关,即
    • —— 从 的下降沿起,到 的上升沿止的时间。是 的转换时间。
  • 转换完成后, ,可利用这一信号向 请求中断,或在查询方式下待 查询 为1后进行读数服务。 通过发出 信号读取 转换结果。

5.4.2 12位A/D转换器芯片AD574A

1. 特点

  • 有微机接口逻辑和三态输出缓冲器,可以直接与 位、 位或 位微处理器的数据总线相连。
  • 输出可以是 位一次读出或分两次读出:先读高 位,再读低 位。
  • 输入电压可有单极性和双极性两种。
  • 对外可提供一个 基准电压,最大输出电流
  • 有较宽的温度使用范围。

2. 芯片内部结构

5.4.3 12位带采样/保持的A/D转换器AD678

1. 特点

  • 内部含有采样/保持器等部件。
  • 一次 转换仅需要

2. 芯片内部结构

5.5 如何选择和使用A/D转换器

5.5.1 如何确定A/D转换器的位数

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: ~ 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

    则总误差的标准差为:

    式中

    因此, ~ 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。

5.5.2 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: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

5.5.3 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。

5.6 A/D转换器与微机接口

5.6.1 接口设计中的问题

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:

  • 芯片的数据输出端有三态缓冲器,且在片外有三态控制端引脚。如
  • 芯片不具备三态输出缓冲器。如
  • 芯片具有三态输出缓冲器,且由片内时序线控制。如
  • 芯片具有三态输出缓冲器,且片内控制时序能与微机总线时序配合。如AD574A。

2. 产生芯片选通信号和控制信号

利用微机和地址总线控制总线 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

  • 转换器与微机之间的联络方式:查询方式、中断方式。
  • 转换器数据输出格式:并行、串行。

5.6.2 内含三态缓冲器的A/D转换器接口电路

1. 转换器 与微机的接口

2. 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。

5.6.3 不带三态缓冲器的A/D​ 转换器接口电路

1. 外接三态缓冲器的接口电路

通过三态缓冲器 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

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