逐位逼近式AD转换原理图一个n位AD转换器的模数课件

河南工业职业技术学院电气工程系第三讲 数据采集一、一、数据采集系统组成数据采集系统组成二、二、数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式三、三、采样保持器采样保持器四、四、A/DA/D转换器转换器五、五、模拟多路开关模拟多路开关河第三讲 数据采集一、数据采集系统组成1一、数据采集系统组成一、数据采集系统组成 传感器输出的信号经预处理变为模传感器输出的信号经预处理变为模拟电压信号后，需转换成数字量才能进拟电压信号后，需转换成数字量才能进行数字显示或送入计算机。这种将模拟行数字显示或送入计算机。这种将模拟信号数字化的过程称为数据采集。信号数字化的过程称为数据采集。一、数据采集系统组成 传感器输出的信号经预处理变为模拟2系统系统配置配置传感器传感器 将非电量转换为电信号。将非电量转换为电信号。多路开关（多路开关（MUXMUX）分时切换各路模分时切换各路模拟量与采样保持器的通路。拟量与采样保持器的通路。放大器（放大器（IAIA）多为程控放大器，多为程控放大器，对模拟信号进行放大。对模拟信号进行放大。采样采样/保持器（保持器（S/HS/H）保持模拟信号保持模拟信号电压。电压。A/DA/D转换器转换器 将模拟信号转换为数字将模拟信号转换为数字 信号。信号。接口电路接口电路 将数字信号进行整形电将数字信号进行整形电 平调整。平调整。系统传感器 将非电量转换为电信号。多路开关（MUX3传感器传感器图图7-2-1 7-2-1 数据采集系统数据采集系统放大放大器器采采样样/保保持持器器传感器传感器传感器传感器传感器传感器A/D转转换换器器计计算算机机显示器显示器打印机打印机绘图机绘图机定时与逻辑控制定时与逻辑控制传感器传感器传感器传感器接接口口被被测测物物理理量量数字信号数字信号开关信号开关信号多路开关多路开关传感器图7-2-1 数据采集系统放大采传感器传感器传感器4二、数据采集系统的结构形式二、数据采集系统的结构形式1 1、同时采集式、同时采集式 可对各通首传感器输出量进行同时可对各通首传感器输出量进行同时采样保持、分时转换和存储，可保证获采样保持、分时转换和存储，可保证获得各采样点同一时刻的模拟量。如图得各采样点同一时刻的模拟量。如图7-7-2-22-2所示为同时采集的框图。所示为同时采集的框图。二、数据采集系统的结构形式1、同时采集式 可对各通5图图7-2-2 7-2-2 同时采集同时采集图7-2-2 同时采集62 2、分时采集式、分时采集式 每采样一次便进行一次每采样一次便进行一次A/DA/D转换并送转换并送入内存后方才对下一采样点采样。具有入内存后方才对下一采样点采样。具有通用性、传感器与仪表放大器匹配灵活，通用性、传感器与仪表放大器匹配灵活，但对但对MUXMUX的精度要求很高，因为输入的模的精度要求很高，因为输入的模拟量往往是拟量往往是VV级的。如图级的。如图7-2-37-2-3所示为所示为分时采集框图。分时采集框图。2、分时采集式 每采样一次便进行一次A/D转换并送入7图图7-2-3 7-2-3 分时采集分时采集图7-2-3 分时采集83 3、高速采集式、高速采集式 对多个模拟信号的同时实时测量很对多个模拟信号的同时实时测量很有必要。在各个输入信号以一个公共点有必要。在各个输入信号以一个公共点为参考点时，公共点可能与为参考点时，公共点可能与IAIA和和ADCADC的参的参考点处于不同电位而引入干扰电压考点处于不同电位而引入干扰电压U UN N，从而造成测量误差。如图从而造成测量误差。如图7-2-47-2-4所法为高所法为高速采框图。速采框图。3、高速采集式 对多个模拟信号的同时实时测量很有必要9图图7-2-4 7-2-4 高速采集高速采集图7-2-4 高速采集104 4、差动结构、差动结构 如图如图7-2-57-2-5所示为差动结构配置方式。所示为差动结构配置方式。采用差动配置方式可抑制共模干扰，其中采用差动配置方式可抑制共模干扰，其中MUXMUX可采用双输出器件，也可用两个可采用双输出器件，也可用两个MUXMUX并并联。联。4、差动结构 如图7-2-5所示为差动结构配置方式。11图图7-2-5 7-2-5 差动结构差动结构图7-2-5 差动结构12三、采样三、采样/保持器保持器 当某一通道进行当某一通道进行A/DA/D转换时，由于转换时，由于A/D A/D 转换需要一定的时间，如果输入信转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证为了保证A/DA/D转换的精度，需要应用采样转换的精度，需要应用采样保持器。保持器。三、采样/保持器 当某一通道进行A/D转换时，由于A/13采样保持电路（采样保持电路（S/HS/H）v由由MOS管采样开关管采样开关T、保持电容、保持电容Ch和运放构和运放构成的跟随器三部分组成。成的跟随器三部分组成。n采样控制信号采样控制信号S(t)=1S(t)=1时，时，T T导通，导通，VinVin向向ChCh充电，充电，VcVc和和VoutVout跟跟踪踪V Vinin变化，即对变化，即对V Vinin采样。采样。S(t)=0S(t)=0时，时，T T截止，截止，VoutVout将保持前一将保持前一瞬间采样的数值不变。瞬间采样的数值不变。ChTVoutVin采样控制采样控制S(t)采样保持电路（S/H）由MOS管采样开关T、保持电容Ch和运141 1、信号采样的过程、信号采样的过程采样器或采样开关采样器或采样开关-执行采样动作的装置；执行采样动作的装置；采样时间或采样宽度采样时间或采样宽度-采样开关每次闭合的时采样开关每次闭合的时间；间；采样周期采样周期T-T-采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔T,T,可近似认为是可近似认为是 在采样开关闭合在采样开关闭合时的瞬时值时的瞬时值.1、信号采样的过程采样器或采样开关-执行采样动作的装置；152 2、采样定理、采样定理 采样频率越高，采样信号采样频率越高，采样信号 y*y*(t t)越接近原信号越接近原信号y y(t t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会占用大量时间在采样上，从而失去了实时控制的机占用大量时间在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号会。为了使采样信号y y*(*(t t)既不失真，又不会因频率既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香浓采样定理。太高而浪费时间，我们可依据香浓采样定理。香浓定理指出：为了使采样信号香浓定理指出：为了使采样信号y*(t)y*(t)能完全能完全复现原信号复现原信号y(t)y(t)，采样频率，采样频率f 至少要为原信号最高至少要为原信号最高有效频率有效频率fmaxmax的的2 2倍，即倍，即f 2 2fmaxmax。实际应用中，常。实际应用中，常取取f （5-105-10）fmaxmax。2、采样定理 采样频率越高，采样信号 y*(t)越接近16v 在在A/DA/D通道中，采样保持器的采样和保通道中，采样保持器的采样和保持电平应与后级的持电平应与后级的A/DA/D转换相配合，该电平转换相配合，该电平信号既可以由其它控制电路产生，也可以信号既可以由其它控制电路产生，也可以由由A/DA/D转换器直接提供。转换器直接提供。v 总之，保持器在采样期间，不启动总之，保持器在采样期间，不启动A/DA/D转换器，而一旦进入保持期间，则立即启转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动动A/DA/D转换器，从而保证转换器，从而保证A/D A/D 转换时的模拟转换时的模拟输入电压恒定，以确保输入电压恒定，以确保A/DA/D转换精度。转换精度。在A/D通道中，采样保持器的采样和保持电平应与17典型的采样保持电路典型的采样保持电路LF198 图图7-2-6 7-2-6 采样保持电路采样保持电路典型的采样保持电路LF198 图7-2-6 采样保持电路18四、四、A/DA/D转换器转换器 A AD D转换器是一种将模拟量转换成数字量的器转换器是一种将模拟量转换成数字量的器件，通常也称为件，通常也称为ADCADC。在数据采集系统中，传感器的。在数据采集系统中，传感器的输出大部分为模拟信号输出大部分为模拟信号(电压、电流电压、电流)，而计算机只，而计算机只能接收数字量。为此，需要在传感器与计算机之间能接收数字量。为此，需要在传感器与计算机之间进行模数转换，以便将模拟电压信号转换成计算进行模数转换，以便将模拟电压信号转换成计算机能识别的二进制数字信号。因此机能识别的二进制数字信号。因此A AD D转换器是数转换器是数据采集系统的重要环节，它直接关系到测量的准确据采集系统的重要环节，它直接关系到测量的准确度、分辨力和转换速度。度、分辨力和转换速度。四、A/D转换器 AD转换器是一种将模拟量转换成数字191 1、ADCADC的主要类型的主要类型v1 1）逐位逼近式）逐位逼近式A/DA/D转换原理转换原理v2 2）双积分式）双积分式A/DA/D转换原理转换原理v3 3）电压）电压/频率式频率式A/DA/D转换原理转换原理1、ADC的主要类型1）逐位逼近式A/D转换原理201）逐位逼近式）逐位逼近式A/D转换原理转换原理v 一个一个n n位位A/DA/D转换器是由转换器是由n n位寄存器、位寄存器、n n位位D/AD/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。如图为逐次逼近输出锁存器等五部分组成。如图为逐次逼近式式A/DA/D转换器的原理图，可以转换器的原理图，可以4 4位位A/DA/D转换器转换器把模拟量把模拟量9 9转换为二进制数转换为二进制数10011001。1）逐位逼近式A/D转换原理 一个n位A/D转换器是由21 图图7-2-6 7-2-6 逐位逼近式逐位逼近式A/DA/D转换原理图转换原理图 图7-2-6 逐位逼近式A/D转换原理图 22v 一个一个 n n 位位A/DA/D转换器的模数转换表达式是转换器的模数转换表达式是 v 式中式中 n n n n位位A/DA/D转换器；转换器；VR+VR+、VRVR-基准电压源的正、负输入；基准电压源的正、负输入；VIN VIN要转换的输入模拟量；要转换的输入模拟量；B B转换后的输出数字量。转换后的输出数字量。即当基准电压源确定之后，即当基准电压源确定之后，n n位位A/DA/D转换转换器的输出数字量器的输出数字量B B与要转换的输入模拟量与要转换的输入模拟量VINVIN呈正比。呈正比。一个 n 位A/D转换器的模数转换表达式是 232）双积分式）双积分式A/D转换原理转换原理 图图7-2-7 7-2-7 双积分式双积分式A/DA/D转换原理图转换原理图 2）双积分式A/D转换原理 图7-2-7 双积分式A/24 双积分型双积分型ADCADC的转换周期有两个单独的的转换周期有两个单独的积分区间组成。未知电压在已知时间内进积分区间组成。未知电压在已知时间内进行定时积分行定时积分,然后转换为对参比电压反向然后转换为对参比电压反向定压积分定压积分,直至积分输出返回到初始值。直至积分输出返回到初始值。双积分双积分ADCADC测量的是信号平均值。测量的是信号平均值。此种此种A/DA/D转换器的常用品种有输出为转换器的常用品种有输出为3 3位位半半BCDBCD码（二进制编码的十进制数）的码（二进制编码的十进制数）的ICL7107ICL7107、MC14433MC14433、输出为、输出为4 4位半位半BCDBCD码的码的ICL7135ICL7135等。等。双积分型ADC的转换周期有两个单独的积分区间组成。未253）电压）电压/频率式频率式A/D转换原理转换原理v电压电压/频率式转换器频率式转换器-简称简称V/FV/F转换器，转换器，是把模拟是把模拟 电压信号转换成频率信号的器电压信号转换成频率信号的器件。件。vV/FV/F转换的方法转换的方法-实现实现V/FV/F转换的方法很转换的方法很多，现以常见的电荷平衡多，现以常见的电荷平衡V/FV/F转换法说明转换法说明其转换原理，如图其转换原理，如图7-2-87-2-8（a a）、（）、（b b）所）所示。示。3）电压/频率式A/D转换原理电压/频率式转换器-简称V/26图图7-2-8 7-2-8 电荷平衡式电荷平衡式V/FV/F转换原理转换原理(a)(a)电路原理图电路原理图 图7-2-8 电荷平衡式V/F转换原理(a)电路原理图 27 由积分器、比较器和整形电路构成的由积分器、比较器和整形电路构成的VFCVFC电路，把模拟电压变换成相应频率的电路，把模拟电压变换成相应频率的脉冲信号，其频率正比于输入电压值，脉冲信号，其频率正比于输入电压值，然后用频率计测量。然后用频率计测量。VFCVFC能快速响应，抗能快速响应，抗干扰性能好，能连续转换，适用于输入干扰性能好，能连续转换，适用于输入信号动态范围宽和需要远距离传送的场信号动态范围宽和需要远距离传送的场合，但转换速度慢。合，但转换速度慢。由积分器、比较器和整形电路构成的VFC电路，把模拟电282 2、ADCADC的主要性能指标的主要性能指标 分辨率是指分辨率是指A/DA/D转换器对微小输入转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如通常用数字量的位数来表示，如8 8位、位、1010位、位、1212位等。分辨率为位等。分辨率为n n，表示它可，表示它可以对满刻度的以对满刻度的1/21/2n n的变化量作出反应。的变化量作出反应。即：即：分辨率分辨率=满刻度值满刻度值/2/2n n 1）分辨率分辨率2、ADC的主要性能指标 分辨率是指A/D转换器对微小29v 所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/DA/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差，零点误差和非线性误差等。差，零点误差和非线性误差等。v 相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对一般用百分数来表示，对A/DA/D转换器常用最低有效转换器常用最低有效值的位数值的位数LSBLSB来表示，来表示，1LSB=11LSB=12 2n n 。2 2）转换精度）转换精度 A/DA/D转换器的转换精度可以用绝对误差和转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。相对误差来表示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的30v A/D A/D转换器完成一次转换所需的时间转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式称为转换时间。如逐位逼近式A/D A/D 转换器转换器的转换时间为微秒级，双积分式的转换时间为微秒级，双积分式A/DA/D转换转换器的转换时间为毫秒级。器的转换时间为毫秒级。3 3）转换时间）转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐31五、模拟多路开关五、模拟多路开关 由于计算机的工作速度远远快于被测参由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选拟开关实现多选1 1的操作，将多路输入信号依的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。次地切换到后级。如集成电路芯片如集成电路芯片CD4051(CD4051(双向、单端、双向、单端、8 8路路)、CD4052(CD4052(单向、双端、单向、双端、4 4路路)、AD7506(AD7506(单单向、单端、向、单端、1616路路)等。等。五、模拟多路开关 由于计算机的工作速度远远快于被测参数32 CD4051CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为当禁止端为“1”“1”时，前后级通道断开，即时，前后级通道断开，即S S0 0-S-S7 7端与端与SmSm端端不可能接通；当为不可能接通；当为“0”“0”时，则通道可以被接通，通过改时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端变控制输入端C C、B B、A A的数值，就可选通的数值，就可选通8 8个通道个通道S S0 0-S-S7 7中的中的一路。比如：当一路。比如：当C C、B B、A=000A=000时，通道时，通道S0S0选通；当选通；当C C、B B、A=001A=001时，通道时，通道S S通；通；当当C C、B B、A=111A=111时，通道时，通道S S7 7选选通。其结构图如图通。其结构图如图7-2-97-2-9所示，其真值表如下表所示。所示，其真值表如下表所示。模拟多路开关模拟多路开关CD4051CD4051 CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成33图图7-2-9 CD40517-2-9 CD4051结构图结构图组成：组成：逻辑电平转换、二进制译码器及逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路。个开关电路。图7-2-9 CD4051结构图组成：逻辑电平转换、二进制34逐位逼近式AD转换原理图一个n位AD转换器的模数课件35