数据采集第六章描述

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6.2 A／D转换器的主要技术指标
精度和分辨率是两个不同的概念：
① 精度是指转换后所得结果相对于实 际值的准确度； ② 分辨率是指转换器所能分辨的模拟 信号的最小变化值。
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6.2 A／D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。 逐次逼近型：转换时间只取 决于转换器位数。 转换速率 转换速率— 每秒钟转换的次数。
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6.3 逐次逼近式A／D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；
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6.3 逐次逼近式A／D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D／A转换器转
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6.2 A／D转换器的主要技术指标
输 出 数 码
111 110 101 100
增益误差 K>1 K=1
当K=1时，没有增益 误差，Ui = FSR，输 出为111。
当K>1时，传输特性 011 K<1 的台阶变窄，在模拟 010 001 输入信号达到满量程 U 值之前，数码输出就 FSR i 图6.3 增益误差 已为全“1”状态。 当K<1时，传输特性台阶变宽，模拟输入信号 已超满量程时，数码输出还未达到全 “1”状态。
逐次逼近寄存器SAR
D/A转换器 组成 比较器 基准电源 时序与逻辑控制电路 数字量输出锁存器
数存器
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6.3 逐次逼近式A／D转换器
工作原理：
设定在SAR中的数字量经D／A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Ui 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。
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偏移误差 误 差
(a)
Ui 偏移 Ui
(b)
图6.2 偏移误差 数据采集系统
6.2 A／D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。 原因：输入失调电压、温漂。 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。
相对分辨率定义为
分辨率 1 相对分辨率 100% n 100% FSR 2
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(6 2)
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6.2 A／D转换器的主要技术指标
由式（6-1）和式（6-2），可得出A／D转 换器分辨率与位数之间的关系
表6.1 A／D转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为10V) 位 数 8 10 12 14 16 级 数 256 1024 4096 16384 65536 相对分辨率 （1LSB） 0.391% 0.0977% 0.0244% 0.0061% 0.0015% 分辨率（1LSB） 39.1mV 9.77mV 2.44mV 0.61mV 0.15mV
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6.3 逐次逼近式A／D转换器
表6.2 8位逐次逼近A／D转换过程
次数
1 2 3 4 5 6 7 8
SAR中 的数码
10000000 1000000 11100000 11010000 11001000 11001100 11001110 11001111
D/Ａ产生的 U f (V)
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6.2 A／D转换器的主要技术指标
在过零点上有最大值
∵过零时， t n |cos t | 1 ∴
U f U m t
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6.2 A／D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
U f U m t f U m t CONV
△U t0 t1 tCONV
Um 2
t
图6.1 转换时间对信号转换的影响
d U (t ) 1 设在 t 时刻开始转换，转换一次所需的时 0 U m cos t 由于 dt 2 间为tCONV，转换终了的时刻为 t1，与tCONV对应 ) 为 fU cos 信号电压增量(误差 △ 。 2ft mU
故保留此位“1”。
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6.3 逐次逼近式A／D转换器
第三个时钟脉冲到来时，SAR 状态置为 11100000，经D／A 转换器产生反馈电
10.24 压 U f 7.68 3 8.96 V，因Ui < Uf ， 2
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，......。
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A／D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。
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6.2 A／D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A／D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4.997V～4.999V范围内 的都产生这一输出数码，则
分类
按位数分： 8、10、12、14、16
按工作原理分
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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。 缺点： 抗干扰能力差。 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。 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。
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6.2 A／D转换器的主要技术指标
A／D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。 因此，目前一般用位数n来间接表示分辨率。
2. 量程
量程— A／D转换器能转换模拟信号的 电压范围。
例如：0～5V，-5V～+5V，0～10V， -10V～+10V。
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6.2 A／D转换器的主要技术指标
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6.3 逐次逼近式A／D转换器
1 时钟脉冲
U 10.24 2 3
4
5
6
7
8
Ui
8.96 8.32 7.68 8.0 8.16
8.24 8.28
8.30V
5.12
1.024
1 2 3 4
5
6
7
8
t
图6.6 逐次逼近比较过程
脉冲 1 逐次逼近式 A ／D置为 转换的过程可用表 2 3 4 5 6 7 8 11100000 10000000 6.2说明之。 11000000 11010000 11001000 11001110 11001111 11001100 SAR
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6.2 A／D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。
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6.2 A／D转换器的主要技术指标
U f U i，留1
U f U i ，留1 U f U i，留1
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6.3 逐次逼近式A／D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所对应的量化电压 0.04V 。
输 出 数 码
实际曲线
111 110 101 100 011 010 001
理想曲线 线性误差 Ui
图6.4 线性误差
线性误差是由A／D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。
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第6章 模／数转换器
6.3 逐次逼近式A／D转换器
1. 工作原理
模拟输入 Ui SAR
5.12 7.68 8.96 8.32 8.0 8.16 8.24 8.28
去／留码 判断
U f U i，留1
Uf Uf Uf Uf U i，留1 U i ，留0 U i，留0 U i，留1
本次操作后SAR 中的数码
10000000 11000000 11000000 11000000 11001000 11001100 11001110 11001111
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6.2 A／D转换器的主要技术指标
下面讨论转换时间与转换精度、信号频率的关系。
瞬时值响应的A／D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。
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6.2 A／D转换器的主要技术指标
U(t) U U(t)= 2m sinωt
第6章 模／数转换器
6.1 A／D转换器的分类
6.2 A／D转换器的主要技术指标
6.3 逐次逼近式A／D转换器 6.5 单片集成A／D转换器 6.6 如何选择和使用A／D转换器 6.7 A／D转换器与微机的接口