模拟信号隔离采集AD 转换器
ad采集原理
ad采集原理
AD采集原理是指模拟信号经过AD转换器转换成数字信号的
过程。
AD（Analog to Digital）转换器是一种将连续模拟信号
转换为离散数字信号的设备。
其采集原理主要涉及采样和量化两个步骤。
首先是采样过程。
采样是指将连续的模拟信号在时间上以一定的时间间隔进行取样，从而得到一系列的采样值。
采样的频率称为采样率，通常以赫兹（Hz）表示。
采样率越高，表示对
原始信号的还原能力越好。
采样是AD采集中的第一步，其目的是将连续信号转换为离散信号。
接下来是量化过程。
量化是指将采样得到的连续信号转换为离散的数字信号。
在进行量化时，需要将连续信号的幅度离散化成一系列的离散值，称为量化级。
量化级的数量由AD转换器的位数决定，位数越高，表示能表示的离散值越多，量化精度越高。
量化级的大小决定了数字信号的分辨率，即能表示的最小变化幅度。
在AD转换中，采样和量化的过程是连续的，相互交替进行的。
通过采样和量化，模拟信号被转换为一系列离散的数值，并储存在计算机中。
这些数字信号可以被计算机处理，从而实现对模拟信号的分析、处理和储存。
数据采集系统的AD转换器选择
数据采集系统的A/D转换器选择做电子技术的人经常需要使用A/D转换器，尤其是在数据采集方面，那在选择A/D芯片时，主要需要考虑哪些因素呢？现就A/D芯片的转换速率、分辨率、输入电压范围、输出方式等几个主要参数简单说明一下【1】，以下是以线阵CCD（TCD1304AP）的数据采集为例。
（1）采样频率：A/D的转换速率限制了器件的最高采样速率，器件的采样速率是根据奈奎斯特理论（采样定理）来确定的；本设计的CCD输出信号是经过采样保持的离散模拟信号，频率为0.5MHz；因此A/D器件采样频率只要大于或等于0.5MHz即可。
正常推荐采样率为信号最高频率的5-20倍。
（2）分辨率：A/D的分辨率是由A/D的转换位数决定的。
对于分辨率的要求，需要根据输入信号特性决定（CCD输出信号），综合考虑A/D可能带入的量化噪声进行选择。
TCD1304AP 器件的动态范围为300（最小饱和输出电压与最大暗电压之比），即暗信号噪声幅度为信号幅值的1/300=0.33%。
8位A/D引入的量化噪声为1/28 =0.39%，12位A/D引入的量化噪声为1/212=0.024%，16位A/D引入的量化噪声为1/216=0.0015%。
可见，8位的A/D分辨率不够，而12和16位又有点浪费。
不过这是根据10ms光积分时间的动态范围理论值估计的结果，而实际上光积分时间增加，暗电流幅值也会增大，动态范围相应减小；此外如果A/D 转换时未达到满量程，还需要对A/D量化误差比例进行折算，如8位A/D的量程幅值为3V，实际信号为2V，则量化噪声不再是1/28=0.39%，而是1/28X3/2=0.59%；A/D的差分线性误差也会带入噪声。
综合考虑，选择12的A/D器件最适合系统要求。
（3）输入电压范围：CCD饱和输出电压经过预处理后的输出峰峰值为2V（1.5-3.5V），因此A/D的输入电压范围应该大于2V；另外，电压范围过大，量化误差也越大；综合考虑，A/D 器件的输入电压范围在大于2V的基础上，越小越好。
AD转换器介绍
D/A 转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出.D/A 转换器实质上是一个译码器（解码器）。
一般常用的线性D/A 转换器，其输出模拟电压uO 和输入数字量Dn 之间成正比关系。
UREF 为参考电压。
uO ＝DnUREF将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量,然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
D/A 转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成. 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。
开关Si 的位置受数据锁存器输出的数码di 控制：当di=1时,Si 将对应的权电阻接到参考电压UREF 上；当di=0时，Si 将对应的权电阻接地.权电阻网络D/A 转换器的特点①优点：结构简单，电阻元件数较少;②缺点：阻值相差较大,制造工艺复杂。
2. 倒T 型电阻网络D/A 转换器3. 电阻解码网络中，电阻只有R 和2R 两种，并构成倒T 型电阻网络。
当di=1时,相应的开关Si 接到求和点;当di=0时，相应的开关Si 接地.但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻2R 总是与地相连。
这样，倒T 型网络的各节点向上看和向右看的等效电阻都是2R ，整个网络的等效输入电阻为R 。
倒T 型电阻网络D/A 转换器的特点:①优点:电阻种类少，只有R 和2R ，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。
②应用：它是目前集成D/A 转换器中转换速度较高且使用较多的一种,如8位D/A 转换器DAC0832，就是采用倒T 型电阻网络。
三、D/A 转换器的主要技术指标1。
分辨率分辨率用于表征D/A 转换器对输入微小量变化的敏感程度。
AD转换器原理
虽说理论值是如此，但真正在应用时，最好是接近10倍才会有不错的还原效 果(因取样点越多)。若针对多信道的 Aபைடு நூலகம்D 转换器来说，就必须乘上信道数，这样 平均下去，每一个通道才不会有失真的情况产生。 量化与编码
量化与编码 电路是 A/D 转换器的核心组成的部分，一般对取样值的量化方 式有下列两种：
只舍去不进位：首先取一最小量化单位Δ=U/2n，U 是输入模拟电压的最大值， n 是输出数字数值的位数。当输入模拟电压 U 在0~Δ之间，则归入0Δ，当 U 在 Δ~2Δ之间，则归入1Δ。透过这样的量化方法产生的最大量化误差为Δ/2，而 且量化误差总是为正，+1/2LSB。
相对精确度是指实际输出值与一理想理论之满刻输出值之接近程度，其相关 的关系是如下式子所列： 相对精准度＝
基本上，一个 n-bit 的转换器就有 n 个数字输出位。这种所产生的位数值是 等效于在 A/D 转换器的输入端的模拟大小特性值。
如果外部所要输入电压或是电流量较大的话，所转换后的的位数值也就较 大。透过并列端口接口或是微处理机连接 A/D 转换器时，必须了解如何去控制或 是驱动这颗 A/D 转换器的问题。因此需要了解到 A/D 转换器上的控制信号有哪些。
ad转换原理
ad转换原理
AD转换原理是将模拟信号转换为数字信号的过程。
模拟信号是连续变化的信号，而数字信号是离散的信号。
AD转换器的主要作用是将模拟信号的幅度（电压、电流等）转换为数字形式，以便于数字电路进行处理和存储。
AD转换的过程包括采样、量化和编码三个步骤。
首先是采样，即将连续的模拟信号在一定时间间隔内取样，得到离散的采样值。
采样定理规定，采样信号的频率要满足最大信号频率的两倍以上，以保证能够完整地还原模拟信号。
接下来是量化，即将采样信号的振幅值量化为一系列离散的取值。
量化的目的是将连续的模拟信号离散化，采用有限的取值范围来表示模拟信号的幅度。
量化的过程中，根据量化精度（即量化位数）确定能表示的离散量化值的个数，位数越多表示的值越精确。
最后是编码，即将量化后的离散信号转换为数字代码。
编码器根据量化值的大小，将其转换为对应的二进制代码，以方便数字电路处理和存储。
编码的方式有多种，常用的编码方式包括二进制编码、格雷码等。
通过以上步骤，AD转换器将模拟信号转换为数字信号，以便于数字电路中进行进一步的处理和分析。
AD转换器在很多电子设备中广泛应用，比如音频设备、通信系统、传感器等。
AD转换器的主要技术指标
AD转换器的主要技术指标AD转换器（Analog-to-Digital Converter）是将模拟信号转换成数字信号的电子器件，广泛应用于测量、通信、控制和信号处理等领域。
主要技术指标是指影响AD转换器性能的关键参数。
下面将介绍AD转换器的主要技术指标。
1. 位数（Resolution）：位数是指转换结果的二进制位数，也可理解为ADC的精度。
位数越高，转换结果的精度越高。
常见的位数有8位、10位、12位、16位等。
常见的高精度应用需要12位以上的位数。
2. 采样率（Sampling Rate）：采样率是指ADC在单位时间内完成采样的次数，常用单位为千赫兹（kHz）或兆赫兹（MHz）。
采样率决定了ADC对信号的处理能力，即ADC能够处理多快的信号。
高速应用需要高采样率的ADC。
3. 信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）：信噪比表示转换后的数字信号与输入模拟信号之间的噪声水平差异。
信噪比越高，ADC的抗干扰能力越强，输出结果越准确。
4. 有效比特数（Effective Number of Bits, ENOB）：有效比特数表示ADC输出二进制数据的有效位数，与信噪比有关。
一般来说，ENOB比位数小，这是由于ADC的非线性误差、噪声和失配等因素导致的。
5. 误差（Error）：误差是指ADC转换结果与输入信号之间的差异。
常见的误差包括非线性误差、积分非线性误差、增益误差、失配误差等。
误差越小，ADC的准确度越高。
6. 电源电压（Supply Voltage）：ADC的电源电压指使用电路所需的电源电压。
一般来说，工作电压越低，功耗越小，对系统电源需求越低。
7. 噪声（Noise）：噪声是指ADC输出结果中包含的非期望信号。
噪声可由转换器内部电路、供电电压和输入信号引起。
噪声影响了ADC对小信号的测量准确性，因此较低的噪声水平对高精度测量至关重要。
8. 温度效应（Temperature Coefficient）：温度效应衡量ADC对温度变化的敏感程度。
ad转换器的组成
ad转换器的组成AD转换器是一种将模拟信号转换为数字信号的电子设备，它是数字信号处理系统中的重要组成部分。
AD转换器的主要功能是将模拟信号转换为数字信号，以便数字信号处理器能够对其进行数字信号处理。
AD 转换器的组成包括模拟前端、采样保持电路、量化电路、编码器和数字接口等几个部分。
1. 模拟前端模拟前端是AD转换器的第一部分，它主要负责将模拟信号转换为电压或电流信号。
模拟前端通常包括放大器、滤波器、衰减器等电路。
其中，放大器的作用是将输入信号放大到适当的范围，以便后续的处理；滤波器的作用是滤除不需要的频率成分，以保证输入信号的质量；衰减器的作用是将输入信号的幅度降低到适当的范围，以避免过载。
2. 采样保持电路采样保持电路是AD转换器的第二部分，它主要负责将模拟信号转换为数字信号。
采样保持电路的作用是将输入信号按照一定的时间间隔进行采样，并将采样值保持在一定的时间内，以便后续的处理。
采样保持电路通常包括采样开关、保持电容、放大器等电路。
3. 量化电路量化电路是AD转换器的第三部分，它主要负责将模拟信号转换为数字信号。
量化电路的作用是将采样保持电路输出的模拟信号转换为数字信号，以便后续的数字信号处理。
量化电路通常包括比较器、参考电压源、编码器等电路。
其中，比较器的作用是将采样保持电路输出的模拟信号与参考电压进行比较，以确定其大小关系；参考电压源的作用是提供一个稳定的参考电压，以保证量化精度；编码器的作用是将比较器输出的数字信号转换为二进制码。
4. 编码器编码器是AD转换器的第四部分，它主要负责将数字信号转换为二进制码。
编码器通常采用二进制编码方式，将数字信号转换为二进制码，以便数字信号处理器能够对其进行数字信号处理。
5. 数字接口数字接口是AD转换器的最后一部分，它主要负责将数字信号输出到数字信号处理器中。
数字接口通常采用串行接口或并行接口，将数字信号输出到数字信号处理器中，以便数字信号处理器能够对其进行数字信号处理。
什么是ad转换器
什么是ad转换器将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器或adc,analog to digital converter）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称d/a转换器或dac,digital to analog converter）；a/d转换器和d/a转换器已成为信息系统中不可缺俚慕涌诘缏贰?br> 为确保系统处理结果的精确度，a/d转换器和d/a转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，a/d与d/a转换器还要求具有较高的转换速度。
转换精度与转换速度是衡量a/d与d/a转换器的重要技术指标。
随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的a/d和d/a转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。
A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D 转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。
在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。
取样和保持取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。
取样过程示意图如图11.8.1所示。
图（a）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号v O(t)为输入信号v1,而在（T s-τ）期间，传输门关闭，输出信号v O(t)=0。
电路中各信号波形如图（b）所示。
图11.8.1 取样电路结构(a)图11.8.1 取样电路中的信号波形(b)通过分析可以看到，取样信号S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。
但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。
取样定理：设取样信号S(t)的频率为f s，输入模拟信号v1(t)的最高频率分量的频率为f imax，则f s与f imax必须满足下面的关系f s≥2f imax，工程上一般取f s>(3～5)f imax。
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180 4 0 2 1 功能简介
180 4 0 2 1 信号隔离釆集模块， 可以用来测量一路电压或电流信号， 也可以用来测量两路可以共地且不会互相干扰 的电流或电压信号。 1、 模拟信号输入 2 4 位釆集精度，产品出厂前所有信号输入范围已全部校准。在使用时，用户也可以很方便的自行编程校准。 具体电流或电压输入量程请看产品选型，测量两路信号时两路输入选型必须相同。
产品特点
低成本、小体积模块化设计 模拟信号釆集，隔 离 转 换 118485或118232输出 测量精度优于0.0570 自动选择118485或118232输出，可程控校准模块精度 信号输入与输出之间隔离电压3000乂 00 宽电源供电范围：8 〜 50乂 00 可靠性高，编程方便，易于安装和布线 用户可编程设置模块地址、波特率等 支持] ^10(113113 ^ 1 1 1 总线通讯协议
^01-15
150 2008
1 5 0 5 6 ^1 6 8
2 ^
50； \ 1 丫匕I 八; \ 1 5 2
^ 4 0
1 8 0 1 (1 1 1 0 7 1
0 0 7 1 ^6 ^1 6 7
模 拟 信 号 隔 离 采 集 人 0
转 换 器
4-20111八 转 118485模拟量隔离变送器：180 4021 系列
产品选型
180 4021
1 1 (^ 0
通讯接口 485 ： 输出为 118-485接 232 ： 输出为 118-232接口 232/485： 输出为一路118-231： 0-5乂 112： 0- 講 113： 0 -7 5 ^ 114： 0-2.5〃 115： 0-士5乂 116： 0-士 講 117： 0-士100111〃 118： 用户自定义
典型应用：
？ 1 ^ 、0(38信号远程测量、监视和控制 智能楼宇控制、安防工程等?0 监测系统 118232或118485总线工业自动化控制系统 工业现场数据釆集、隔离及长线传输 设备安全运行调控与监视 多路传感器模拟信号的釆集、测量与远传 工业现场数据的获取与记录 电力设备、医疗仪器、工控产品开发 4-20111人信号釆集转换及远程变送
180 4021系列产品实现传感器和主机之间的信号釆集， 用以检测模拟信号或控制远程设备。 通过软件的配置， 可用于多种传感器类型，包括：模拟信号输入，模拟信号输出，和数字信号输入丨输出（ 工 /。），180 4021系列产品 可应用在118232或118485总线工业自动化控制系统，4-20111八 乂0-5〃 信号测量、监视和控制，小信号的测量以及工 业现场信号隔离及长线传输等等。 产品包括电源隔离，信号隔离、线性化，八 0 转换和118485串行通信。每个串口最多可接256只 180 4021系列 模块，通讯方式釆用人8(311码 通 讯 协 议 或 她 通 讯 协 议 ，其指令集兼容于人0 从 1模块，波特率可由代码设 置，能与其他厂家的控制模块挂在同一尺8-485总线上，便于计算机编程。 180 4021系列产品是基于单片机的智能监测和控制系统，所有的用户设定的校准值，地址，波特率，数据格 式，校 验 和 状 态 等 配 置 信 息 都 储 存 在 非 易 失 性 存 储 器 [ 里。 180 4021系列产品按工业标准设计、制造，信 号 输 入 I 输出之间隔离，可承受3000乂 1^ ： 隔离电压，抗 干 扰 會 泛 力强，可靠性高。工作温度范围- 2 5 1 〜 + 7 0 1 。
180 4021 人4-485 表 示 4-20111八信号输入，输出为尺8485 接口 180 4021 人7-232 表 示 士 20爪八信号输入，输出为尺8232 接口 180 4021111-232/485 表 示 0-5〃信号输入，输出为尺8232 或尺8485 接口（ 自动选择)
180 4 0 2 1 通用参数
复 位 电 路
只 5 -4 8 5
12
接口电路 I I
4854 8 5 十
1熟 0^01 ⑶1 + 0^01 0
丨 、 输 入 电 3^ 路
10
卩 3 -2 3 2
接口电路
00
7X0
0 0 1 ^ 5 1 0
乩 莨 时
0^10
滤波电路 图1 .
1
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」
电源电路&
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⑶
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十
180 4 0 2 1 产品原理框图
8 1 1 6 1 1 2 1 1 6 1 1 811^ 110,^1 7 6 0 ^0 1 0 ^ 0 0 ^ [ 以. 1 0 /1 4
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^01-15
150 2008
5 0 ； \ 1丫匕I 八 ;\ 152
150 567168 ^40 1801(111071 0071^6^6^
通讯协议 通讯接口： 1 路标准的 118485通讯接口或 1 路标准的 118232通讯接口，订货选型时注明。 通讯协议：支持两种协议，命令集定义的字符协议和^10(113113尺 丁 1； 通讯协议。可通过编程设定使用那种通讯 协议，能实现与多种品牌的？ IX ： 、尺 丁 1； 或计算机监控系统进行网络通讯。 数据格式：10 位 。1 位起始位，8 位数据位，1 位停止位。 通 讯 地 址 ⑶ 〜 255 〕和 波 特 率 0 0 0 、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400^3^ 均可设定；通讯网 络最长距离可达 1200 米，通过双绞屏蔽电缆连接。 通讯接口高抗干扰设计，士 1 5 ^ ^ 2 8 0 保 护 ，通信响应时间小于 100爪8 。 抗干扰 可根据需要设置校验和。模块内部有瞬态抑制二极管，可以有效抑制各种浪涌脉冲，保护模块，内部的数字 滤波，也可以很好的抑制来自电网的工频干扰。
号 号 号 型 型 型
输入电压或电流信号值
^ 1 ： 0-1111八 入2 ： 0-10111八 ^3 ： 0-20111八 入4 ： 4-20111八 入5 ： 0-士 1111八 入6 ： 0-士 10111八 X I ： 0-士 20111八 入8 ： 用户自定义
选型举例 1 选型举例 2 选型举例 3