《信号转换技术》PPT课件.ppt

1,HarbinEngineeringUniversity,第八章信号转换技术,模拟开关采样/保持器电压比较器D/A和A/D转换电路信号自动检测与转换电路设计,2,本章重点：模拟开关芯片使用、窗口比较器设计、采样频率的求取、A/D转换原理及应用、A/D转换电路及与单片机接口电路时序分析。本章难点：A/D转换电路原理及与单片机接口电路,3,将现场物理量变换为电信号,抑制干扰、保证A/D转换精度,实现多选一,将输入信号放大到A/D可接受的范围,保持、保证A/D精度,核心，实现A到D的转换,进行地址译码，产生片旋信号和写信号,4,设计要求,设计一个多点应力自动巡回检测与转换电路，包括：应变电阻，直流电桥，信号放大电路、8选1多路模拟开关，A/D转换芯片AD1674，接口逻辑电路、89C52单片机，适当电阻、电容，数码管显示。,5,8.1模拟开关,作用：,在多路被测信号共用一个A/D转换器的数据采集系统中,将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换。,机电式：,电子模拟式：,类型,用于大电流、高电压、低速切换,用于小电流、低电压、高速切换,6,双极性晶体管开关,场效应晶体管开关,电子式类型,结型场效应管(JFET),绝缘栅型(MOS-FET),集成电路开关(CMOS)为主,干簧继电器,水银继电器,机械式类型,机械振子继电器,7,一双极型晶体管模拟开关,晶体管有三种工作状态：发射结正偏、集电结反偏-放大状态；两个结都正偏-饱和导通；两个结都反偏-截止状态。,两个结都正偏-饱和导通：等效为饱和压降与导通电阻串联，二者较小，相当于模拟开关导通；两个结都反偏-截止状态：等效为断开电阻与漏电流并联，断开电阻很高，漏电流很小，相当于模拟开关断开。,8,正向运行,反向运行,正向运行电流放大倍数,反向运行电流放大倍数,简单的NPN型晶体管模拟开关：,正接状态,深度饱和条件,9,反接状态,理论和实践证明：反接状态时饱和压降比正接时要小，因此晶体管反接时精度较高。,电路存在问题：深度饱和状态导致基极电流过大，该电流流入（流出）信号源会引起误差。,10,一般双极型晶体管开关电路：,切换信号,倒接开关,驱动级,逻辑控制电平,控制电压,控制电压,11,解决方案：PNP和NPN管互补连接。,电路优点：流入流出信号源的基极电流相互抵消，对信号源内阻要求不高,电路注意问题：需要双极性控制信号。,12,互补型双极型晶体管开关电路：,13,二结型场效应管（JFET）模拟开关,N沟道耗尽型JFET工作示意图,当时，开关导通；当时，开关截止。,UGS=0,UPUGS0,UGS=UP,源极,漏极,栅源,UGSUB,注意:连接,69,当UIUA时：,UBUIUA,70,例：试设计一个窗口比较器，当输入信号在-8V至+7V之间时，给出“1”电平，当输入信号超出这一范围时，给出“0”电平。,uO,0,uI（V）,-8,+7,71,移相电路,移相前,90度移相后,过零比较器输出,三电压比较器应用,72,解调电路,73,模数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC(Analog-DigitalConverter),数模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC(Digital-AnalogConverter),8.4D/A-A/D转换电路,74,假如：对于0至5V的直流电压，计算机用8位数字量来描述时：最小值（00000000）B=0对应0V最大值（11111111）B=255对应5V中间值（01111111）B=127对应2.5V思考：D/A的输入是数字量，输出是模拟量，那么对于单极性输出电压，D/A的输入输出关系是什么？对于双极性输出电压，D/A的输入输出关系是什么？,8.4.1D/A转换器,将数字信号转换为模拟信号的电路。,75,电阻网络,模拟电子开关,求和放大器,参考电压,一权电阻网络D/A转换器,76,n位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：,优缺点：1.优点：简单2.缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部,77,二倒T形电阻网络D/A转换器,电阻网络,模拟电子开关,求和放大器,78,由于V-V+=0,所以开关S合到哪一边，都相当于接到了“地”电位，流过每条电路的电流始终不变。可等效为：,79,80,n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R时，单极性输出电压的计算公式：,优点：（1）只有R和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。,思考：当数字输入为11111111，参考电压为5V时，D/A单极性输出电压是多少？,81,三具有双极性输出的DAC例：输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1,*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为100时，输出为0,1,82,单极性输出电压的计算公式：,双极性输出电压的计算公式：,思考：当数字输入为11111111，参考电压为5V时，D/A双极性输出电压是多少？,83,四技术指标分辨率（理论精度）指单位数字量的变化所引起的模拟量的变化：2.转换误差（实际精度）用最低有效位的倍数来表示有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示如：转换误差为0.5LSB，表示输出模拟电压的绝对误差等于当输入数字量的LSB1时，其余各位均为0时输出模拟电压的一半。,84,一A/D转换的一般步骤A/D转换过程为：采样、保持、量化和编码。采样：对模拟信号进行周期性的抽取采样值的过程，就是把时间连续变化的信号转换成在时间上连续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。,8.4.2A/D转换器,85,保持：将采样到的模拟量值保持下来量化：用基本的量化电平的整数倍来表示采样保持的模拟电压值。编码：把已经量化的模拟数值用二进制编码表示出来。,图ADC的组成部分,86,反馈比较型,逐次比较型AD转换器,其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：,二直接A/D转换器,87,88,三间接A/D转换器,双积分型,又称为电压时间变换型（VT变换型）,89,首先使积分电容C完全放电。,固定时间积分,反方向积分,第一步，对输入模拟电压进行固定时间T1积分;第二步，对基准电压进行反向积分，使电容放电，放光为止（即vo=0）。对反向放电时间计数，它与输入幅度成正比。,90,四A/D转换器应用,AD0809,输入:8路(0V5V)线性误差：1LSB数字输出：TTL电平,三态输出电源：5V15V时钟频率：640KHz(典型)转换时间：100s分辨率：8位功耗：15mW输入电压范围：0VVREF转换方式：逐次逼近CMOS工艺，28Pin输出：,91,A/D转换器应用,地址译码与锁存,8路模拟开关器,8路模拟输入信号选择哪一路进行转换，要靠多路选择器来完成。例：ADDC=1ADDB=1ADDA=0的情况,1101,IN6,逐次比较寄存器,8位逐次比较寄存器共可记录28=256种不用状态。,树状开关,开关树输出UREF也有256个参考电压，将UREF送入比较器与输入模拟电压uI进行比较。,92,start,clock,输出允许（1,输入信号）,转换结束（1,输出）,地址锁存，输入信号,500KHz1MHz,启动（高电平脉冲,输入）,93,94,A/D转换结果的读取方式,第一种方式：程序查询方式。在启动A/D后，程序不断读取A/D转换结束信号EOC，若检测到有效信号，则可读取数据。,第二种方式：中断方式。把A/D转换器送出的转换结束信号EOC作为中断申请信号，送到CPU或中断控制器的中断请求输入端。,第三种方式：固定的延迟程序方式。要预先精确的指导完成一次A/D转换需要的时间。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。,三种方式比较：当A/D转换时间较长，采用中断方式。当转换时间较短，宜采用查询方式或延迟方式。,95,51单片机引脚简介,1、电源管脚：Vcc,Vss2、时钟电路管脚：XTAL1,XTAL23、控制信号脚：RST/VPD,ALE/PROGPSEN及Vpp/EA4、I/O管脚P0,P1,P2,P3,96,ADC0809与单片机接口,97,判断接口是否正确,98,AD1674,分辨率12位。快速逐次逼近式，转换时间为10s。内部集成时钟、基准电压电路以及采样保持放大器。有与8位/16位微处理器兼容的接口，三态输出锁存。单级性和双级性输入，模拟输入电压范围010、020V、5V和10V。,99,内部结构,100,AD1674转换启动时序,101,AD1674读操作时序,102,AD1674控制逻辑真值表,103,模拟输入方式,单极性输入的接线和校准：AD1674在单极性方式下，有两种额定的模拟输入范围：0+10V的输入接在10VIN和AGND间，0+20V输入接在20VIN和AGND间。R1和R2为调整电阻。,104,模拟输入方式,双极性输入的接线和校准：双极性时也有两种额定的模拟输入范围：5V和10V。5V输入接在10VIN和AGND之间；10V接在20VIN和AGND之间。R1和R2为调整电阻。,105,AD1674与8位单片机接口,106,AD1674用于心电检测,