1、,6.1 AD转换器的分类,6.2 AD转换器的主要技术指标,6.3 逐次逼近式AD转换器,第6章 模数转换器,6.5 单片集成AD转换器,6.6 如何选择和使用AD转换器,6.7 AD转换器与微机的接口,6.1 AD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,6.1 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。
2、,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6章 模数转换器,6.2 AD转换器的主要技术指标,1. 分辨率,分辨率,AD转换器所能分辨模拟输 入信号的最小变化量。,设AD转换器的位数为n，满量程电 压为FSR，则分辨率定义为：,6.2 AD转换器的主要技术指标,量化单位就是AD转换器的分辨率。,相对分辨率定义为,6.2 AD转换器的主要技术指标,表6.1 AD转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为10V),由式（6-1）和式（6-2），可得出AD转 换器分辨率与位数之间的关系,6.2 AD转换器的主要技术指标,AD转换器分辨率的高低取决于位数
3、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,AD转换器能转换模拟信号的 电压范围。,例如：05V，-5V+5V，010V，-10V+10V。,6.2 AD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AD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。,6.2 AD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AD转换器，理论模拟输入电压为5V时，对应的输出数码为100000000000。 实际模拟输入电压在
4、4.997V4.999V范围内的都产生这一输出数码，则,6.2 AD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。,6.2 AD转换器的主要技术指标,精度和分辨率是两个不同的概念：, 精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度；, 分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。,6.2 AD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。,6.2 AD转换器的主要技术指标,下面讨论转换时间与转换精度、信
5、号频率的关系。,瞬时值响应的AD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。,6.2 AD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。,t,U(t),t0,t1,tCONV,U,图6.1 转换时间对信号转换的影响,由于,6.2 AD转换器的主要技术指标,在过零点上有最大值,过零时，,6.2 AD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：, 当精度一定时，信号频率，tCONV；, 当信号频率
6、一定， tCONV ，U。,6.2 AD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。,6.2 AD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。,偏移,实际曲线,6.2 AD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,001,010,
7、011,100,101,110,111,偏移误差,Ui,误 差,图6.2 偏移误差,(a),(b),理想曲线,6.2 AD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。,K=1,K1,K1,6.2 AD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K1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K1时，传输特性台阶变宽，模拟输
8、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,001,010,011,100,101,110,111,FSR,增益误差,6.2 AD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。,实际曲线,理想曲线,6.2 AD转换器的主要技术指标,线性误差是由AD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。,Ui,001,010,011,100,1
9、01,110,111,输 出 数 码,图6.4 线性误差,线性误差,6.3 逐次逼近式AD转换器,1. 工作原理,第6章 模数转换器,模拟输入,Ui,去码/留码逻辑,环形计数器,数据寄存器,UREF,并 行 数 字 量 输 出,图6.5 逐次逼近式AD转换器结构,6.3 逐次逼近式AD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,6.3 逐次逼近式AD转换器,工作原理：,设定在SAR中的数字量经DA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U
10、i 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。,6.3 逐次逼近式AD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；,6.3 逐次逼近式AD转换器,转换开始，第一个时钟脉冲到来时，SAR,的状态置为10000000，经DA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” 。,6.3 逐次逼近式AD转换器,第二个时钟脉冲到来时，SAR 置为 11000000码，经过DA转
11、换器产生反馈,电压,V，,因Ui Uf ，,故保留此位“1”。,6.3 逐次逼近式AD转换器,第三个时钟脉冲到来时，SAR 状态置为,11100000，经DA 转换器产生反馈电,压,V，,因Ui Uf ，,SAR 此位应置“ 0 ”。SAR 状态改为 11000000。,第四个时钟脉冲到来时，SAR 状态又置 为11010000，。,6.3 逐次逼近式AD转换器,t,U,1,2,3,4,5,6,7,8,1.024,10.24,Ui,5.12,7.68,8.96,8.32,8.0,8.16,8.24,8.28,8.30V,时钟脉冲,1,2,3,4,5,6,7,8,图6.6 逐次逼近比较过程,脉冲
12、,1,SAR置为,10000000,2,11000000,3,11100000,11000000,4,11010000,11000000,5,11001000,6,11001100,7,11001110,8,11001111,逐次逼近式AD转换的过程可用表6.2说明之。,6.3 逐次逼近式AD转换器,表6.2 8位逐次逼近AD转换过程,6.3 逐次逼近式AD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11001111即为转换结果。,数码对应的反馈电压Uf = 8.28 V，它与 输入的模拟电压Ui= 8.3 V相差0.02V，不过 两者的差值已小于1LSB
13、所对应的量化电压 0.04V 。,逐次逼近式AD转换器的转换结果通 过数字量输出锁存器并行输出。,第6章 模数转换器,6.5 单片集成AD转换器,1. 8位AD转换器芯片ADC0809,这部分内容自习,6.5 单片集成AD转换器,2. 12位AD转换器芯片AD574A, 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。,6.5 单片集成AD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。, 芯片内部结构,输入电压可有单极性和
14、双极性两种。,6.5 单片集成AD转换器,6.5 单片集成AD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,6.5 单片集成AD转换器, 芯片引脚功能,引脚布置如图6.13所示。,芯片引脚功能如下：,D0D11 12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。,6.5 单片集成AD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。
15、,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,6.5 单片集成AD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AD转换结果；,当,时，允许启动AD转换。,CE 芯片允许。,CE=1允许转换或读AD转换结果。,6.5 单片集成AD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。,6.5 单片集成AD转换器,10VIN 10V量程输入端。,20VIN
16、20V量程输入端。,6.5 单片集成AD转换器, 工作时序,AD574A工作状态,启动转换数据读出,启动转换过程,CE上升沿,6.5 单片集成AD转换器, 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,CE,A0,STS,DB0DB11,300ns,300ns,250ns,0ns,200ns,200ns,300ns,300ns,25s,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。, 当CE=1时，启动转换。,6.5 单片集成AD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
17、。,读出数据,读出数据也同样由CE来启动。,低电平,CE上升沿,6.5 单片集成AD转换器,图6.15 AD574 读数据时序,CE,A0,STS,DB0DB11,300ns,150ns,0ns,150ns,250ns,50ns,0ns,50ns,350ns,有效数据,6.5 单片集成AD转换器, 工作方式选择,工作方式,单极性：0xV，输出二进制码。双极性：-xV +xV，输出偏移二进制码,6.5 单片集成AD转换器,图6.16 AD574工作方式的接法,1,+5V,+15V,7,-15V,11,15,9,W2 0.1K,AD574,REFOUT,REFIN,BIPOFF,10VIN,20V
18、IN,DGND,AGND,100K,W1 100K,010V,020V,(a),(a) 单极性输入；,AD574,REFOUT,REFIN,BIPOFF,10VIN,20VIN,DGND,AGND,15,1,+5V,7,+15V,11,-15V,9,-55V,-1010V,(b),(b) 双极性输入,0.1K,第6章 模数转换器,6.6 面对设计如何选择和使用AD转换器,1. 如何确定AD转换器的位数,应该考虑,静态精度动态精度,6.6 面对设计如何选择和使用AD转换器,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AD转换器位数有关。,6.6 面对设计如何选择和使用AD转换器,由图
19、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,8,9,10,11,12,13,6.6 面对设计如何选择和使用AD转换器,因此，取1011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,6.6 面对设计如何选择和使用AD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e M和eq 。,则总误差的标准差为,式中,6.6 面对设计如何选择和使用AD转换器,由图6.23可知:, 变化缓慢，,eM减小不多。,，eM,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,因此，取,为,0
20、.3 0.5 较为合适。,6.6 面对设计如何选择和使用AD转换器,总之，AD转换器的精度应与测量 装置的精度相匹配。,确定位数,量化误差在总误差中所占比例要小。根据测量装置的精度水平，合理提出位数要求。,6.6 面对设计如何选择和使用AD转换器,目前，大多数测量装置的精度值不小 于0.1%0.5%，故AD转换器的精度取 0.05%0.1%，相应的位数为1011位， 加上符号位，即为1112位。, 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。,6.6 面对设计如何选择和使用AD转换器,2. 如何
21、确定AD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：,6.6 面对设计如何选择和使用AD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AD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。,6.6 面对设计如何选择和使用AD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6章 模数转换器,6.7 AD转换器与微机接
22、口,接口任务,转换器收到微机发出的转换指令，进行转换。当微机发出取数指令时，转换结果存入微机内存。,6.7 AD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：, 数据输出缓冲问题,原因：,计算机的数据总线是CPU与存储器、 IO设备之间传送数据的公共通道。,要求：,AD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。,6.7 AD转换器与微机接口,当未被选中时，AD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
23、线相连。,6.7 AD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。,6.7 AD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。, 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。,6.7 AD转换器与微机接口,作用：,给出地址信号，就选通
24、了AD 芯片。,译码器与地 址总线连接,系统采用内存映象IO方式，需要全部地址线参与译码。系统采用IO映象方式，用部分低位地址线参与译码。,内存映象,IO不单独编址。,IO映象,IO单独编址。,6.7 AD转换器与微机接口,控制信号完成对AD转换器的读写控制,不同微机其控制总线不相同：, 8031单片机中，控制线,共同控,制AD转换器的读写操作。,当,时，执行写操作；,当,时，读操作。,6.7 AD转换器与微机接口, 8088CPU的PC机中，控制线,共同控制AD转换器的读写操作。,在利用微机地址总线、控制总线对 AD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
25、续 时间和相位关系满足所用AD 转换器的控制要求。,6.7 AD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、 AD转换器 和CPU之间的时序配合问题。, 用AD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AD转换与采样保持器的 协调。,目的：,通常做法：,6.7 AD转换器与微机接口,AD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AD转换之前采样保 持器已达到稳定状态，使AD转换 准确。,目的：,6.7 AD转换器与微机接口, 读出数据,需要解决的问题,AD转换器与CPU的联络方式。数据输出格式。,联络方式,联络,CPU与AD
26、转换器传送信息。,6.7 AD转换器与微机接口,联络方式, 查询方式。 中断方式。, 查询方式,查询方式 ,CPU不断查询AD转换器 的STS脚的电平变化。,因此，要将AD转换器的转换状态 STS脚接在微机IO口的某一位上。,传到D0,三态缓冲器,6.7 AD转换器与微机接口,STS,地址,图6.26 8031与AD574A接口电路中转换状态查询,6.7 AD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，AD处于转换周期；,D1 = 1，AD转换结束。,6.7 AD转
27、换器与微机接口, 中断方式,中断方式 ,AD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。,三态缓冲器,6.7 AD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6.26 AD574与PC总线中断联络方式接口电路,来自AD574的STS,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IO端口位控制。,6.7 AD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
28、断方式，依据处理情况而定：,若转换时间长（100s以上）时，且程 序要同时完成其它计算，则采用中断 方式。,若转换时间较短（几十微秒以下）时， 且程序不处理其它任务，则采用查询 方式。,6.7 AD转换器与微机接口,数据输出格式,数据输出格式, 并行输出 串行输出,下面一段程序是IBM-PCXT机从12位 AD转换器ADC1210读取数据的汇编程序。,6.7 AD转换器与微机接口,ADC1210的数据输出端无三态缓冲器，故 外接缓冲器1（设地址为0101H）用于锁存高4 位数据，缓冲器2（地址为0102H）用于锁存低 8位数据。程序如下：, ,MOV DX，0101H ；准备高4位数据地址,
29、,IN AL，DX ；读入高4位转换结果,MOV AH，AL ；送入AH寄存器保存,6.7 AD转换器与微机接口,INC DX ；准备低8位数据地址,IN AL，DX ；读入低8位转换结果, ,程序执行后，8088CPU中的AX寄存器的 内容即为AD转换器的转换数据。,2. 内含三态缓冲器的AD转换器的接口电路, ADC0809与微机的接口,6.7 AD转换器与微机接口,这部分内容留给大家自习。, AD574A与微机的接口,AD574A与8031单片机的接口,ADC0809与8031单片的接口电路如图6.27所示。,6.7 AD转换器与微机接口,6.7 AD转换器与微机接口,该电路采用单极性输
30、入方式，可对 010V 或020V 模拟信号进行转换。,由于AD574A片内有时钟，故无须外 加时钟信号。,因为,接地，所以AD转换结果,分两次读出，高位从 D11D4读出，低 4 位从 D3 D0 读出：,6.7 AD转换器与微机接口, 读高8位结果时，要求,，,端口地址为0FEH。, 读低4位结果时，要求,，,端口地址为0FFH。,AD574A的状态信号STS与8031的 P1.0端相连，可采用查询法判断AD 转 换是否结束。,6.7 AD转换器与微机接口,AD574A与PC 机的接口,AD574A工作于普通控制方式的接口 电路如图6.29所示。,6.7 AD转换器与微机接口,ALE 和 A1A9 进行地址译码选通。,6.7 AD转换器与微机接口,结合控制CE，并由,非直接控制,地址线的 A0 直接接入AD574A的脚。,和,因为,接地，所以AD转换结果,，从D11D4 读出高8位结果；,，从D3D0 读出低4位结果。,分两次读出：,6.7 AD转换器与微机接口,注意：,AD574A工作于普通控制方式时， 不适合于PC286以上微机，因为这 类微机的总线周期短，难以适合 AD574A所要求的设置时间。,
