第2章 多路開關(guān)采樣AD轉(zhuǎn)換誤差計算課件

1、都由傳感器、模擬信號調(diào)理電路、采樣電路三部分組成 模擬多路開關(guān)模擬多路開關(guān)(Analog switches)(Analog switches)也稱多路轉(zhuǎn)換也稱多路轉(zhuǎn)換器器(Multiplexer)(Multiplexer)，主要用于信號的切換，是輸入通道，主要用于信號的切換，是輸入通道的重要元件之一。當(dāng)系統(tǒng)中有多個變化較為緩慢的模的重要元件之一。當(dāng)系統(tǒng)中有多個變化較為緩慢的模擬量輸入時，常常利用模擬多路開關(guān)將各路模擬量分?jǐn)M量輸入時，常常利用模擬多路開關(guān)將各路模擬量分時與放大器、時與放大器、A ADD轉(zhuǎn)換器等接通，利用一片轉(zhuǎn)換器等接通，利用一片A AD D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器可完成多個模擬輸入信號的依次轉(zhuǎn)換

2、，提高硬件換器可完成多個模擬輸入信號的依次轉(zhuǎn)換，提高硬件電路的利用率，節(jié)省成本。電路的利用率，節(jié)省成本。 l分類為機(jī)械觸點(diǎn)式和集成模擬電子開關(guān)為機(jī)械觸點(diǎn)式和集成模擬電子開關(guān) 2.4 模擬多路開關(guān)模擬多路開關(guān)雙極性晶體管開關(guān)雙極性晶體管開關(guān) 場效應(yīng)晶體管開關(guān)場效應(yīng)晶體管開關(guān) 電電子子式式類類型型結(jié)型結(jié)型絕緣柵型絕緣柵型集成電路開關(guān)集成電路開關(guān)1. 多路開關(guān)工作原理多路開關(guān)工作原理雙極型晶體管開關(guān)雙極型晶體管開關(guān) +15V+15VT1T1T8T8.通道選擇1通道選擇8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模擬信號1模擬信號8圖圖3 3. .2 2 雙雙極極型型晶晶體體管管開開關(guān)關(guān)電電

3、路路其工作原理如下：其工作原理如下： 設(shè)選擇第設(shè)選擇第1路模擬信號。路模擬信號。 則令通道控制信號則令通道控制信號UC1= 0，晶體管晶體管T1截止，截止，集電極為高電平，晶體管集電極為高電平，晶體管T1導(dǎo)通，輸入信號電壓導(dǎo)通，輸入信號電壓Ui1被選中被選中。 同理：同理： 當(dāng)令通道控制信號當(dāng)令通道控制信號UC2= 0 時，則選時，則選中第中第2路模擬信號，路模擬信號， UO = Ui2 。 注意：注意： 在控制信號在控制信號UC1 UC8中不能同時有中不能同時有兩個或兩個以上為兩個或兩個以上為0。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：電流控制器件，功耗大，集成度電流控制器件，功耗大，集成度 低，一個方向

4、傳送信號。低，一個方向傳送信號。漏電流大，開路電阻小，導(dǎo)通電漏電流大，開路電阻小，導(dǎo)通電 阻大。阻大。開關(guān)速度快。開關(guān)速度快。2. 場效應(yīng)管開關(guān)場效應(yīng)管開關(guān) 結(jié)型場效應(yīng)晶體管開關(guān)結(jié)型場效應(yīng)晶體管開關(guān).T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道選擇1通道選擇8UoR1828R11R21R圖圖3 3. .3 3 結(jié)結(jié)型型場場效效應(yīng)應(yīng)管管多多路路開開關(guān)關(guān)工作原理如下：工作原理如下：設(shè)選擇第設(shè)選擇第1路信號。路信號。 則令通道控制信號則令通道控制信號UC1=1，則開關(guān)控制管則開關(guān)控制管T1導(dǎo)通，集電導(dǎo)通，集電極為低電平，場效應(yīng)管極為低電平，場效應(yīng)管T1導(dǎo)導(dǎo)通通，UO=Ui1 。 當(dāng)當(dāng)UC1 =0時時

5、， T1截止，截止， T1也截止，第也截止，第1路輸入信號被路輸入信號被切斷。切斷。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：開關(guān)切換速度快，導(dǎo)通電阻小，可開關(guān)切換速度快，導(dǎo)通電阻小，可兩個方向傳送信號。兩個方向傳送信號。 為分立元件，需專門的電平轉(zhuǎn)換電為分立元件，需專門的電平轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動，使用不方便。路驅(qū)動，使用不方便。+4V+4V-20V-20VT1T1T8T8R11R21R18R28UoUi1UC1Ui8UC8. 其工作原理與結(jié)其工作原理與結(jié)型場效應(yīng)管多路開關(guān)型場效應(yīng)管多路開關(guān)類似。類似。 絕緣柵場效應(yīng)管開關(guān)絕緣柵場效應(yīng)管開關(guān)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：3. 集成電路開關(guān)集成電路開關(guān)集成電路開關(guān)集成電路開關(guān)

6、將多路開關(guān)、計數(shù)器、將多路開關(guān)、計數(shù)器、譯碼器制造在一個芯譯碼器制造在一個芯片上。片上。 開關(guān)切換速度快，導(dǎo)通電阻小，且開關(guān)切換速度快，導(dǎo)通電阻小，且隨信號電壓變化波動??；易于和驅(qū)隨信號電壓變化波動小；易于和驅(qū)動電路集成。動電路集成。襯底要有保護(hù)電壓。襯底要有保護(hù)電壓。 12315 16.四-十六線譯碼器四位計數(shù)器T1T2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U計數(shù)23222120.圖圖3 3. .5 5 集集成成多多路路開開關(guān)關(guān)工作原理如下：工作原理如下： 設(shè)選擇第設(shè)選擇第1路輸入信號，路輸入信號，則計算機(jī)輸出一個則計算機(jī)輸出一個4位二進(jìn)位二進(jìn)制碼，把計數(shù)器置成制碼，把計數(shù)器置

7、成0001狀態(tài)，經(jīng)四狀態(tài)，經(jīng)四 十六線十六線譯碼器后，第譯碼器后，第1根線輸出高根線輸出高電平，場效應(yīng)管電平，場效應(yīng)管T1導(dǎo)通，導(dǎo)通， UO= Ui1 ，選中第，選中第1路信號。路信號。 如果要連續(xù)選通第如果要連續(xù)選通第1路到路到第第3路的信號，可以在計數(shù)器路的信號，可以在計數(shù)器加入計數(shù)脈沖，每加入一次加入計數(shù)脈沖，每加入一次脈沖，計數(shù)器加脈沖，計數(shù)器加1，狀態(tài)依次，狀態(tài)依次變?yōu)樽優(yōu)?0001，0010，0011。2.4.1模擬多路開關(guān)的性能指標(biāo)1、通道數(shù)量。、通道數(shù)量。集成模擬開關(guān)通常包括多個通道，通道數(shù)量對傳輸信號的精度和開關(guān)切換速率有直接的影響，通道數(shù)量越多，寄生電容和泄漏電流越大。2、

8、泄漏電流。、泄漏電流。指開關(guān)斷開時流過模擬開關(guān)的電流。一個理想的開關(guān)要求導(dǎo)通時電阻為零，斷開時電阻趨于無限大，漏電流為零。但由于實際開關(guān)斷開時電阻不為無限大，導(dǎo)致泄漏電流不為零。一般希望泄漏電流越小越好。3、導(dǎo)通電阻。、導(dǎo)通電阻。指開關(guān)閉合時的電阻。導(dǎo)通電阻會損失信號，使精度降低，尤其是當(dāng)開關(guān)串聯(lián)的負(fù)載為低阻抗時損失會更大。因此，導(dǎo)通電阻的一致性越好，系統(tǒng)在采集各路信號時由開關(guān)引起的誤差越小。4、開關(guān)速度。、開關(guān)速度。指開關(guān)接通或斷開的速度。對于頻率 較高的信號，要求模擬開關(guān)的切換速度快，同時還應(yīng)考慮與后級采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器的速度相適應(yīng)，從而以最優(yōu)的性能價格比選擇器件。 除上述指標(biāo)外，芯

9、片的電源電壓范圍也是一個重要參數(shù)，它與開關(guān)的導(dǎo)通電阻和切換速度等有直接關(guān)系。電源電壓越高，切換速度越快，導(dǎo)通電阻越小。反之，導(dǎo)通電阻越大。 2.4.2集成模擬多路開關(guān)集成模擬多路開關(guān) 目前已有多種型號的集成模擬多路開關(guān)，如CD4051（雙向、8路）、CD4052（單向、差動4路）、AD7501（單向、8路）、AD7506（單向、16路）等。它們功能 相似，僅在某些參數(shù)和性能指標(biāo)上有所差異。 12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC圖圖3 3. .6 6 A AD D7 75 51 10 0芯芯片片 芯片中無譯碼芯片中無

10、譯碼器，四個通道開關(guān)器，四個通道開關(guān)都有各自的控制端。都有各自的控制端。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：每一個開關(guān)可單獨(dú)通斷，也可同每一個開關(guān)可單獨(dú)通斷，也可同時通斷，使用方式比較靈活。時通斷，使用方式比較靈活。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：引腳較多，使得片內(nèi)所集成的開關(guān)較少。引腳較多，使得片內(nèi)所集成的開關(guān)較少。當(dāng)巡回檢測點(diǎn)較多時，控制復(fù)雜。當(dāng)巡回檢測點(diǎn)較多時，控制復(fù)雜。 2. 有譯碼器的多路開關(guān)有譯碼器的多路開關(guān) AD7501（AD7503） 2 2、八通道單向模擬多路開關(guān)、八通道單向模擬多路開關(guān)AD7501AD7501AD7501是一種8路輸入、一路輸出的CMOS集成芯片，導(dǎo)通電阻為170300，漏電流為0.22nA，導(dǎo)通截

11、止時間典型值為0.8s，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖2.25所示 AD7501內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖 表表3.1 AD7501真值表真值表 A2A1A0EN 導(dǎo)通導(dǎo)通 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 無無 AD7503 除除EN 端的控制邏輯電平相端的控制邏輯電平相反外反外, , 其它與其它與AD7501相同相同。 AD7502 電平轉(zhuǎn)換ENA1A0UDD(+15V)12345678910111213141516A1GNDENS8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA

12、0AD7502OUT(1 4)(5 8).譯碼驅(qū)動OUTS8S1USS(-15V)地SS45OUT圖圖3 3. .8 8 A AD D7 75 50 02 2芯芯片片結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及引引腳腳功功能能表表3.2 AD7502真值表真值表 A1A0EN 接通通道接通通道 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1和和5 2和和6 3和和7 4和和8 無無2、八通道雙向模擬多路開關(guān)CD4051 CD4051 CD4051為為8 8 通道單刀結(jié)構(gòu)形式，允許雙向使用通道單刀結(jié)構(gòu)形式，允許雙向使用，可用于多到一的切換輸出，也可用于一到多的切換，可用于多到一的切換輸出，也可用于一到多的切換輸出。輸出

13、。圖圖2.26 CD4051內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖下 頁上 頁返 回CD4501真值表 INH C B A 接通通道 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 無 其中其中VEEVEE是負(fù)電源端，用于電平移位。當(dāng)是負(fù)電源端，用于電平移位。當(dāng)VSS=0VVSS=0V時，使得在單組電源供電條件下工作的時，使得在單組電源供電條件下工作的CMOSCMOS電路所提供的數(shù)字信號能直接控制開關(guān)，切電路所提供的數(shù)字信號能直接控制開關(guān)，切換幅度在換幅度在VEEVEE

14、到到VDDVDD之間的模擬信號，最大峰之間的模擬信號，最大峰峰峰值達(dá)值達(dá)15V15V。典型電平移位連接方法如圖。典型電平移位連接方法如圖2.272.27所示所示 圖2.27 典型電平移位連接圖下 頁上 頁返 回3 3、雙四路模擬開關(guān)、雙四路模擬開關(guān)CD4052CD4052 CD4052 CD4052相當(dāng)于一個雙刀四擲開關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相當(dāng)于一個雙刀四擲開關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能如圖引腳功能如圖2.282.28所示。所示。 圖2.28 CD4052內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖 下 頁上 頁返 回23SDUT表表3.4 CD4502真值表真值表 輸輸 入入 接通通道接通通道 A B X Y 0 0 0 0 0 1

15、 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 2 2 3 3 均不通均不通INH2.4.3模擬開關(guān)的通道擴(kuò)展 實際使用中，有時輸入模擬信號數(shù)量較多，一片模擬開關(guān)不夠用，需要使用多個集成模擬開關(guān)進(jìn)行通道擴(kuò)展，以滿足使用要求。圖2.29為利用兩片CD4051將8路開關(guān)擴(kuò)展成16路開關(guān)的原理圖。 圖2.29 模擬開關(guān)通道擴(kuò)展連接圖下 頁上 頁返 回2.5.1采樣保持器原理采樣是對模擬信號周期性的抽取樣值，使模擬信號變成時間上離散的脈沖串，采樣值的大小取決于采樣時間內(nèi)輸入模擬信號的大小。采樣定義：下 頁上 頁返 回2.5 2.5 采采 樣樣 保保 持持 器器單片機(jī)6.4.2 采樣-保持電路 26一、香

16、農(nóng)采樣定理：一、香農(nóng)采樣定理： 為了能正確無誤地用取樣為了能正確無誤地用取樣信號信號vs表示模擬信號表示模擬信號vI，取樣信，取樣信號必須有足夠高的頻率?？梢蕴柋仨氂凶銐蚋叩念l率?？梢宰C明，為了保證從取樣信號將證明，為了保證從取樣信號將原來的被取樣信號恢復(fù)，必須原來的被取樣信號恢復(fù)，必須滿足滿足(max)2sifffs取樣頻率取樣頻率fi(max)為輸入模擬信號為輸入模擬信號vI I的最高頻率分量的頻率。的最高頻率分量的頻率。6.4.2 采樣-保持電路 27二、取樣二、取樣保持電路保持電路 取樣控制信號取樣控制信號vL為高為高電平時電平時T導(dǎo)通，輸入信號導(dǎo)通，輸入信號vI經(jīng)經(jīng)RI和和T向向CH

17、充電。取充電。取R1=RF，則充電結(jié)束后，則充電結(jié)束后vO=vC=-vI。 當(dāng)當(dāng)vL返回低電平后，返回低電平后，T截截止，止，CH上的電壓在一段時間上的電壓在一段時間內(nèi)基本保持不變，取樣結(jié)果內(nèi)基本保持不變，取樣結(jié)果被保存下來。被保存下來。下 頁上 頁返 回A為理想運(yùn)算放大器，CH為保持電容，T為場效應(yīng)管HC常見的采樣-保持電路下 頁上 頁返 回當(dāng)S為高電平（S=1）時： 場效應(yīng)管T導(dǎo)通，輸入模擬信號Vi對保持電容CH充電， 當(dāng)S=1的持續(xù)時間tw遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容CH的充電時間常數(shù) 時，在tw時間內(nèi)， CH上的電壓Vc跟隨輸入電壓Vi的變 化，使輸出電壓Vo=Vc=Vi，這段時間為采樣時間。當(dāng)S為低

18、電平（S=0）時： 場效應(yīng)管T截止，由于電壓跟隨器的輸入阻抗很高，存 儲在上CH的電荷不會泄露，CH上的電壓Vc保持不變， 使輸出電壓Vo能保持采樣結(jié)束瞬時的電壓值，這段時 間為保持時間。采樣-保持電路工作過程下 頁上 頁返 回采樣和保持電路輸出隨輸入變化波形采樣脈沖的頻率即采樣頻率fs 越高，采樣越密，采樣值越多，采樣信號的包絡(luò)線越接近輸入信號的波形下 頁上 頁返 回將采樣保持電路的元器件集成在一片芯片上可構(gòu)成集成采樣保持器(Sample and Holder)。集成采樣保持器種類很多，常用的集成芯片有LF198/298/398、AD582等。其中LF198/298/398這三種芯片工作原理

19、相同，僅參數(shù)有所差異。2.5.2 集成采樣保持器下 頁上 頁返 回兩個運(yùn)算放大器接成電壓跟隨器，S是模擬開關(guān)。當(dāng)邏輯控制端IN（+）為“1”時S閉合，輸出跟隨輸入變化，處于采樣狀態(tài)；當(dāng)IN（+）為“0”時，S斷開，輸出不隨輸入而變化，呈保持狀態(tài)。LF398內(nèi)部結(jié)構(gòu)LF398的典型連接方法2腳接1k電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓；7腳接地，8腳接控制信號。當(dāng)控制信號大于1.4V時，LF398處于采樣狀態(tài)；當(dāng)控制信號為低電平時，處于保持狀態(tài)。下 頁上 頁返 回6腳外接保持電容保持電容可選用漏電流小的聚苯乙烯電容、云母電容或聚四氟乙烯電容，其數(shù)值直接影響采樣時間及保持精度。增加保持電容CH的容量可提高精度，

20、但會使采樣時間加長。當(dāng)精度要求不高（1%）而速度要求較高時，CH可小至100pF。當(dāng)精度要求高（0.01%），如與12位A/D相配合時，為減小下降誤差和干擾，應(yīng)取CH1000pF。LF398的典型連接方法下 頁上 頁返 回2.5.3 采樣保持器主要性能指標(biāo)當(dāng)采樣保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)時，采樣保持器的輸出從保持狀態(tài)的值變到當(dāng)前的輸入值所需的時間。如圖2.34所示。捕捉時間捕捉時間tAC（Acquisition Time）保持指令發(fā)出瞬間到模擬開關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時間。是由模擬開關(guān)從閉合到完全斷開需要一定的時間，當(dāng)接到保持指令時，采樣/保持器的輸出并不保持在指令發(fā)出瞬時的輸入值上，而會跟著輸

21、入變化一段時間。 孔徑時間孔徑時間tAP（Aperture Time）下 頁上 頁返 回孔徑時間的變化范圍，即孔徑時間不是恒定的，而是在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化的。開關(guān)斷開時，CH上的值不穩(wěn)定，在tAP后，輸出還有一段波動，經(jīng)過一段穩(wěn)定時間（tST）后才保持穩(wěn)定。為了量化的準(zhǔn)確，應(yīng)在發(fā)出保持指令后延遲一段時間（延遲時間應(yīng)穩(wěn)定時間），再啟動AD轉(zhuǎn)換?？讖讲欢〞r間孔徑不定時間tAP（Aperture Jitter）孔徑誤差孔徑誤差采樣保持器實際保持的輸出值與理想輸出值之差。下 頁上 頁返 回在保持狀態(tài)下，由于保持電容器上電荷的泄漏而使保持電壓下降。在集成芯片中，通常用泄漏電流來表示；也可用電壓下降率來表

22、示，保持電壓的下降率計算公式為：)S/V(CItVHS保持電壓下降率第三節(jié)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個模擬量泛指電壓、電阻、電流、時間件，這個模擬量泛指電壓、電阻、電流、時間等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般用一個稱為量子用一個稱為量子Q的基本單位來度量。的基本單位來度量。 圖圖3.15 量化特性及量化誤量化特性及量化誤差差 圖圖3.16 理想理想ADC的傳輸特性和量化誤的

23、傳輸特性和量化誤差差 A/D轉(zhuǎn)換器常用技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)換器常用技術(shù)指標(biāo)： (1) 分辨率分辨率 定義為定義為ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。一般都簡單地用A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)n表示。最低有效位值1LSB：一個n位的A/D轉(zhuǎn)換器可分辨出輸入變量的滿量程值的1/2n，1/2n稱為1LSB（LeastSignificantBit，是數(shù)字量的最低有效位所表示的模擬量）。系統(tǒng)滿刻度值的百分?jǐn)?shù)%FSR：等于1LSB。位數(shù) 分辨率 n 1LSB 滿刻度（近似） 8 10 11 12 14 15 16 1/256 1/1024 1/2048 1/4096 1/16

24、384 1/32768 1/65536 0.4 0.1 0.05 0.024 0.006 0.003 0.0015 (2) 轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間定義為轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間定義為A/D轉(zhuǎn)換時間，是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。轉(zhuǎn)換時間，是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。 采用同種電路技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間與分辨率有關(guān)，一般地，分辨率越高，轉(zhuǎn)換時間越長。轉(zhuǎn)換時間越短，A/D轉(zhuǎn)換器適應(yīng)輸入信號快速變化的能力越強(qiáng)。各種類型各種類型A/DA/D轉(zhuǎn)換時間有所不同。最短的是全轉(zhuǎn)換時間有所不同。最短的是全并行型并行型A/DA/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為5 550ns50ns；其

25、次是；其次是逐次比較型逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為0.4s0.4s左右；左右；再次是逐次逼近型再次是逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器；較慢的是雙積分型轉(zhuǎn)換器；較慢的是雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 （4）轉(zhuǎn)換精度）轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換精度可以用兩種方式來表示：轉(zhuǎn)換精度可以用兩種方式來表示：（1）絕對精度：在一個轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應(yīng)）絕對精度：在一個轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應(yīng)的實際模擬電壓與其理想電壓值之差都不是一個常數(shù)，把的實際模擬電壓與其理想電壓值之差都不是一個常數(shù)，把這個差的最大值定義為絕對精度。對于這個差的最大值定義為絕對精度。對于A/D轉(zhuǎn)換而言，可轉(zhuǎn)

26、換而言，可以在每一個階梯的水平中心點(diǎn)進(jìn)行測量，用最低有效位以在每一個階梯的水平中心點(diǎn)進(jìn)行測量，用最低有效位（LSB）的倍數(shù)表示，如）的倍數(shù)表示，如 等。等。（2）相對精度：與絕對精度相似，所不同的是把這）相對精度：與絕對精度相似，所不同的是把這個最大偏差表示為滿刻度模擬電壓的百分?jǐn)?shù)，或者用二進(jìn)個最大偏差表示為滿刻度模擬電壓的百分?jǐn)?shù)，或者用二進(jìn)制數(shù)來表示相對應(yīng)的數(shù)字量。通常用絕對精度除以滿量程制數(shù)來表示相對應(yīng)的數(shù)字量。通常用絕對精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)來表示相對精度。值的百分?jǐn)?shù)來表示相對精度。 LSB21（5）線性度）線性度線性度有時又稱為非線性度線性度有時又稱為非線性度(NonLinearit

27、y)，它是，它是指轉(zhuǎn)換器實際的輸入指轉(zhuǎn)換器實際的輸入/輸出特性與理想的輸入輸出特性與理想的輸入/輸出特性的輸出特性的最大偏移量與滿刻度輸出之比。最大偏移量與滿刻度輸出之比。與線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個與線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個A/D轉(zhuǎn)換的常用術(shù)語是轉(zhuǎn)換的常用術(shù)語是失碼（失碼（MissingCode）或跳碼（）或跳碼（SkippedCode），也叫），也叫做非單調(diào)性。所謂失碼，就是有些數(shù)字碼不可能在做非單調(diào)性。所謂失碼，就是有些數(shù)字碼不可能在A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的輸出端出現(xiàn)，即被丟失（或跳過）了。例如，當(dāng)換器的輸出端出現(xiàn)，即被丟失（或跳過）了。例如，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的傳輸特性如圖轉(zhuǎn)換器的傳輸特性如圖4.2

28、所示時，所示時，011碼被丟失。碼被丟失。A/D轉(zhuǎn)換的線性度誤差的來源及特性與轉(zhuǎn)換器采用的轉(zhuǎn)換的線性度誤差的來源及特性與轉(zhuǎn)換器采用的電路技術(shù)有關(guān)，它們是難以用外電路加以補(bǔ)償?shù)摹ｋ娐芳夹g(shù)有關(guān)，它們是難以用外電路加以補(bǔ)償?shù)摹?圖4.2A/D轉(zhuǎn)換的失碼現(xiàn)象（6）溫度對誤差的影響）溫度對誤差的影響環(huán)境溫度的改變會造成偏移、增益和線性度誤差的環(huán)境溫度的改變會造成偏移、增益和線性度誤差的變化。當(dāng)變化。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器必須工作在溫度變化的環(huán)境中時，這轉(zhuǎn)換器必須工作在溫度變化的環(huán)境中時，這些誤差的溫度系數(shù)將是一個重要的技術(shù)參數(shù)。溫度系數(shù)些誤差的溫度系數(shù)將是一個重要的技術(shù)參數(shù)。溫度系數(shù)是指溫度改變是指溫度改變1時

29、誤差的改變量與滿量程輸入模擬電壓時誤差的改變量與滿量程輸入模擬電壓的比值，常用的比值，常用10-6/表示。表示。常用AD轉(zhuǎn)換器介紹1、ADC0809的工作原理及應(yīng)用的工作原理及應(yīng)用ADC0809是8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出的逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換芯片。芯片的主要部分是一個8位的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。 圖4.3ADC0809的原理結(jié)構(gòu)圖為了能實現(xiàn)8路模擬信號的分時采集，在芯片內(nèi)部設(shè)置了多路模擬開關(guān)、通道地址鎖存和譯碼電路，能對多路模擬信號進(jìn)行分時采集和轉(zhuǎn)換。MCU 49 ADC0809是典型的是典型的8位位8通道逐次逼近式通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器，換器，CMOS工藝，可實現(xiàn)工藝，可實現(xiàn)8

30、路模擬信號的分時路模擬信號的分時采集，片內(nèi)有采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為道地址鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為100s左左右。右。ADC0809工作原理工作原理ADC0809工作原理MCU 50 IN0IN7：模擬量輸入通道，要求信號單極性，：模擬量輸入通道，要求信號單極性，電壓范圍電壓范圍05V。信號過小需放大，轉(zhuǎn)換過程中其值。信號過小需放大，轉(zhuǎn)換過程中其值不應(yīng)變化，對速度快的信號要加采樣保持電路。不應(yīng)變化，對速度快的信號要加采樣保持電路。MCU 51 地址線地址線ABC：C為高位，為高位，A為低位，按大小為低位，按大小

31、順序從小到大依次對應(yīng)選擇的通道順序從小到大依次對應(yīng)選擇的通道IN0IN7。CBACH000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809工作原理工作原理MCU 52 ALE：地址鎖存允許信號，對應(yīng)：地址鎖存允許信號，對應(yīng)ALE上跳沿上跳沿，ABC地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。ADC0809工作原理工作原理MCU 53 START：轉(zhuǎn)換啟動信號，：轉(zhuǎn)換啟動信號，START上跳沿時，上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清所有內(nèi)部寄存器清“0”；START下跳沿時，開始進(jìn)下跳沿時，開始進(jìn)行行A/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換期間，轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換期間，ST

32、ART保持低電平不變。保持低電平不變。ADC0809工作原理工作原理MCU 54 D7D0：數(shù)據(jù)輸出線，三態(tài)緩沖形式，可與單：數(shù)據(jù)輸出線，三態(tài)緩沖形式，可與單片機(jī)直接相連。片機(jī)直接相連。D7是最高位，是最高位，D0是最低位。是最低位。ADC0809工作原理工作原理MCU 55 OE：輸出允許信號，控制三態(tài)輸出鎖存器：輸出允許信號，控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻態(tài)；據(jù)線呈高阻態(tài)；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。ADC0809工作原理工作原理MCU 56 CLK：時鐘信號，需提供：時鐘信號，需提供50

33、0kHz的時鐘信號才的時鐘信號才能工作。能工作。ADC0809工作原理工作原理MCU 57 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中，該狀態(tài)信號既可以作，轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中，該狀態(tài)信號既可以作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可以作為中斷請求信號使用。為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可以作為中斷請求信號使用。MCU 58 VCC：+5V電源。電源。VREF參考電源；參考電源；VREF(+)為為+5V， VREF(-)為為0V。ADC0809工作原理工作原理2 2、AD574AAD574A的工作原理及應(yīng)用的工作原理及應(yīng)用AD574A是12位A/D轉(zhuǎn)換器，按逐

34、次逼近式工作，最大轉(zhuǎn)換時間為25ps。片內(nèi)具有4位三段三態(tài)門輸出，可直接掛在8位或16位微機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。AD574A可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保持線性并不丟碼，內(nèi)有高穩(wěn)定時鐘及齊納二極管穩(wěn)定電源（Veer：10V），采用28引腳塑料或陶瓷雙列直插式封裝，功耗較低（390mW）。 (三三) -型型ADC高精度的高精度的A/D變換器變換器1 1、采用了過采樣技術(shù)和、采用了過采樣技術(shù)和-調(diào)制技術(shù)；調(diào)制技術(shù)；2 2、采用數(shù)字濾波和采樣抽取技術(shù)。、采用數(shù)字濾波和采樣抽取技術(shù)。增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬電路的比例，并且易于與數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)單片電路的比例，并且易

35、于與數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)單片集成。集成。能夠以較低的成本實現(xiàn)高精度能夠以較低的成本實現(xiàn)高精度的的A/D變換器，適應(yīng)了變換器，適應(yīng)了VLSI技術(shù)發(fā)展的要求。技術(shù)發(fā)展的要求。 如如CS5360芯片，是一種高性能芯片，是一種高性能24位立體聲音位立體聲音頻頻A/D轉(zhuǎn)換芯片。轉(zhuǎn)換芯片。(三三) -型型ADC高精度的高精度的A/D變換器變換器 V/F轉(zhuǎn)換器也稱為壓控振蕩電路，電壓轉(zhuǎn)換器也稱為壓控振蕩電路，電壓頻率轉(zhuǎn)換是一種模擬量頻率轉(zhuǎn)換是一種模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。 當(dāng)模擬信號（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時，當(dāng)模擬信號（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時，轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換器的輸出是一串頻

36、率正比于模擬信號幅值的矩形波是一串頻率正比于模擬信號幅值的矩形波，顯然數(shù)據(jù)是串行的。這，顯然數(shù)據(jù)是串行的。這與目前通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行輸出不同，然而其分辨率卻可以很高與目前通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行輸出不同，然而其分辨率卻可以很高。 串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)字控制系統(tǒng)中很有用，可把模擬量誤串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)字控制系統(tǒng)中很有用，可把模擬量誤差信號變成與之成正比的脈沖信號，以驅(qū)動步進(jìn)式伺服機(jī)構(gòu)用來精差信號變成與之成正比的脈沖信號，以驅(qū)動步進(jìn)式伺服機(jī)構(gòu)用來精密控制。密控制。 V/FV/F轉(zhuǎn)換器是青島晶體管研究所生產(chǎn)的電路。轉(zhuǎn)換器是青島晶體管研究所生產(chǎn)的電路。電壓頻率轉(zhuǎn)換也可稱為伏頻轉(zhuǎn)換，把電壓信號轉(zhuǎn)換為

37、脈沖信號后，電壓頻率轉(zhuǎn)換也可稱為伏頻轉(zhuǎn)換，把電壓信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號后，可以明顯地增強(qiáng)信號的抗干擾能力，也利于遠(yuǎn)距離的傳輸?？梢悦黠@地增強(qiáng)信號的抗干擾能力，也利于遠(yuǎn)距離的傳輸。通過和通過和單片機(jī)的計數(shù)器接口，可以實現(xiàn)單片機(jī)的計數(shù)器接口，可以實現(xiàn)ADAD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。(四四) V/F型型ADC(四四) V/F型型ADC如芯片如芯片V/F-F/V AD650 在現(xiàn)場信號檢測中，為保證單片機(jī)系統(tǒng)安全，經(jīng)常遇到信號隔在現(xiàn)場信號檢測中，為保證單片機(jī)系統(tǒng)安全，經(jīng)常遇到信號隔離傳送問題。如圖，現(xiàn)場信號經(jīng)傳感器檢測放大后，送入離傳送問題。如圖，現(xiàn)場信號經(jīng)傳感器檢測放大后，送入AD650組成的組成的V/F轉(zhuǎn)換部分，

38、變?yōu)榉确€(wěn)定的脈沖信號，經(jīng)光電耦合器轉(zhuǎn)換部分，變?yōu)榉确€(wěn)定的脈沖信號，經(jīng)光電耦合器隔離傳送，該脈沖再經(jīng)隔離傳送，該脈沖再經(jīng)AD650組成的組成的F/V轉(zhuǎn)換部分將模擬電壓復(fù)轉(zhuǎn)換部分將模擬電壓復(fù)原，再送入單片機(jī)系統(tǒng)。原，再送入單片機(jī)系統(tǒng)。第五節(jié)第五節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及舉例數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及舉例 一、系統(tǒng)設(shè)計考慮的因素一、系統(tǒng)設(shè)計考慮的因素 二、二、A/DA/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn) 三、采樣保持器三、采樣保持器S/HS/H的選擇的選擇 四、多路測量通道的串音問題四、多路測量通道的串音問題 五、主放大器的設(shè)置五、主放大器的設(shè)置 六、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例六、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例 一、采集系統(tǒng)設(shè)計考

39、慮的主要因素一、采集系統(tǒng)設(shè)計考慮的主要因素v 輸入信號的特性輸入信號的特性 v 對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求v 接口特性接口特性輸入信號的特性：輸入信號的特性： 信號的數(shù)量信號的數(shù)量 信號的輸入方式（信號的輸入方式（單端、差動、單極性、單端、差動、單極性、雙極性，接地、浮地雙極性，接地、浮地） 信號的強(qiáng)弱及動態(tài)范圍信號的強(qiáng)弱及動態(tài)范圍 信號的頻帶寬度信號的頻帶寬度 信號是周期還是瞬態(tài)信號是周期還是瞬態(tài) 信號中的噪聲信號中的噪聲 共模電壓大小共模電壓大小 信號源的阻抗信號源的阻抗對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求：對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求： 系統(tǒng)的系統(tǒng)的采樣速率采樣速率 系統(tǒng)的分辨率系

40、統(tǒng)的分辨率 系統(tǒng)的精度系統(tǒng)的精度 主機(jī)（主機(jī)（PCPC、MCUMCU、DSPDSP） 并行、串行、總線并行、串行、總線 數(shù)據(jù)的編碼格式數(shù)據(jù)的編碼格式 接口特性接口特性 ：二、二、A/DA/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)1.A/D1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)2.2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度3.3.環(huán)境條件環(huán)境條件 4.4.接口接口1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)m 需同時滿足動態(tài)范圍和需同時滿足動態(tài)范圍和精度要求精度要求min,max,1lg20IIVVL 61Lm 1210m系統(tǒng)精度指標(biāo)系統(tǒng)精度指標(biāo) 的的1010倍原則倍原則2. A/D轉(zhuǎn)換速度的確定轉(zhuǎn)換速度的確定 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率f =f =cott 1coDAttT/ocDAttNCfTmax/1t tc c轉(zhuǎn)換時間；轉(zhuǎn)換時間；t to o休止時間休止時間N N模擬輸入通道數(shù)；模擬輸入通道數(shù)；C C截頻系數(shù)，大于截