单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第十章 模,/,数和数,/,模转换,10.1,数据采集基本概念,10.2 A/D,接口电路设计,10.3 D/A,接口电路设计,10.1,数据采集基本概念,通常从传感器或其它方式得到的模拟信号，经过必要的处理后转换成数字信号，以供存储、传输、处理和显示之用我们把从模拟域到数字域之间的接口，称为,数据采集系统,信息源：语言信号、生物医学信号、工业现场信号、雷达回波信号等数据采集基本概念,模,/,数,(A/D),转换：,在现实世界中被控对象或测量对象的有关参数如温度、压力、流量、速度等往往都是一些连续的模拟量人们要认识它、使用它，需要把各种物理量转换成电的模拟信号，然后进行处理随着数据信号处理的广泛应用，如语音信号处理、图象信号处理、生物信号处理、雷达信号处理等，都必须将这些模拟量转换成数字量，然后利用计算机实现各种信息处理数,/,模,(D/A),转换：,将计算机加工处理的数字量转换成模拟量，以便对被控对象进行控制数据采集系统的组成,1,.,传感器,把各种物理量如温度、压力等转换成电信号的器件称为传感器。
如测量温度的传感器有热电偶、热敏电阻；测量机械力的有压力传感器、应变片等；测量机械位移的有感应式位移传感器等2,.,多路模拟开关,如果有多个独立的或相关的模拟信号源，需要转换成数字形式，为使采样保持器、,A/D,等后续电路可以公用，这可通过多路模拟开关按序切换来实现数据采集系统的组成,3 信号调理器（,SIGNAL CONDITIONING）,作用：,（1）,完成信号的电平、极性等转换，以便与,A/D,变换器所需的电平极性匹配，充分利用,A/D,精度从传感器得到的输出信号小至毫伏级、微伏级，必须放大到足够的电平，才能精确测量有的信号是双极性，需要进行极性转换变成单极性信号调理器还应起阻抗变换作用，隔离后面的负载对传感器的影响极性、幅度、阻抗,（2）,抑制干扰，提高信噪比，特别是传感器通过较长电缆与计算机相联，共模干扰及高频干扰明显，信号常被淹没信号调理器应尽量抑制干扰和噪声，不使信号污染滤波,（3）防止混叠现象，即对信号预先进行防混叠波采样定理：低通采样、带通采样,数据采集系统的组成,4,.,采样保持电路,在,A/D,进行转换时间内，保持输入信号不变的电路称采样保持电路A/D,转换中，采样保持电路对系统的精度起着决定性的影响。
一般采样保持电路有两种运行模式，,即采样和保持模式,，它由数字控制输入端来选择在采样模式中输出随输入变化，通常增益为1；在保持模式中，采样保持电路的输出将保持命令发出时的输出值，直到数字控制输入端输入了下一个采样命令为止数据采集系统的组成,采样保持电路的组成：,保持电容器、输入输出缓冲放大器、逻辑输入控制的开关电路采样保持电路原理见下图采样过程,数据采集系统的组成,采样保持器的主要性能参数是：,（1）,孔径时间,T,AP,：,从保持命令发出到开关全部断开所需要的时间这是模式开关从闭合状态到断开状态的过度时间将使实际电压值与希望的电压保持值之间产生误差，这将影响转换精度2）,捕捉时间,T,AC,：,从采样命令发出到采样保持器的输出由保持值达到输入信号当前值所需时间它与模式开关的接通时间、电容器充电时间常数、保持电容上电压变化幅度有关，这将影响采样频率的提高3）,保持电压的衰减率,：,在保持状态下，由于保持电容器的漏电和其他杂散漏电流引起的保持电压衰减ADS5547,片内集成,SHA,ADS5547,片内集成,SHA,MAX108,的片内,SHA,MAX108:1.5Gsps 8bitADC with,2.2GHz SHA,数据采集系统的组成,对于高速多通道数据采集系统，以及需要各通道同时采集数据的系统，通常是让每个通道各自具有采样保持器与,A/D,变换器。
数据采集系统的组成,多通道共用,A/D,变换器,数据采集系统的组成,多通道共用采样保持与,A/D,变换器,AD,转换器参数,量程：,输入模拟信号幅度范围，如,1V,，,2V,，,5V,；,带宽：,输入模拟信号频率范围，如,100MHz,，,1GHz,；,转换速率：,每秒能进行的转换次数，,KHz,，,MHz,；,分辨率：,能够分辨最小信号的能力，用,ADC,位数或每位对应的电压表示，能引起输出数字值发生一位变化的最小模拟输入变化例：,位数,8,位，满量程,5V,，则其分辨率为,8,位，或,5V/(2,8,-1)=19.6mV,AD,转换器参数,转换精度：,转换器实际值接近理想值的精确程度，用数字量的最低有效位,LSB,对应的模拟量,表示受分辨率限制，理想转换器输入在,0.5,范围内变化时，输出对应同一个值，其转换精度为,0LSB,其他参数：,积分非线性、差分非线性、丢码、供电方式、功耗、时钟、输出数据格式ADC,芯片选择原则,10,.,2 A/D,接口电路设计,保证正常工作条件下，提高性能：,减小数字部分对模拟信号的干扰；,模拟信号的调理；,数字接口；,采样时钟处理；,电源、地的连接；,参考电压基准；,A/D,接口电路设计,1,，,ADC0809,工作原理及接口,ADC0809,是采用逐次逼近技术进行,A/D,转换的,CMOS,集成芯片，它转换时间是100,s，,分辨率为8位，单5,V,供电，输入模拟电压范围为05,V，,内部集成了可以锁存控制的8路多路开关，并且还集成了可以锁存的三态缓冲器。
ADC0809,内部功能框图包括：,8路模拟开关；,地址锁存与译码；,8位,A/D,转换；,三态输出锁存器A/D,接口电路设计,各管脚功能,IN0IN7,输入，8路模拟输入,;,DB0DB7,三态输出，,A/D,转换数据输出线,;,ADDA，ADDB，ADDC,输入，模拟通道选择线,;,ALE,输入，地址锁存允许，上升沿将,ADDA、ADDB、ADDC,三位地址信号锁 存，译码选通对应模拟通道,;,REF(+)/REF(-),输入，基准电压输入端，且要求1/2,V,REF,(+)+V,REF,(-)=1/2Vc,START,输入，转换开始在模拟通道选通地址锁存之后，向,START,端加一正脉冲启动转换过程，脉冲上升使所有内部寄存器清零，下降沿使,A/D,转换开始EOC,输出，转结束信号在转换进行过程中,EOC,为低电平；当转换结束，数据已锁存在输出锁存器之后，,EOC,变为高电平EOC,作为被查询的状态信号，也可用来申请中断,;,OE(Output,Enable),输入，输出允许此端加一高电平时，可打开,ADC0809,的输出三态缓冲器，使数据放到数据总线上，以供,CPU,读入,;,CLK,输入，时钟,;,Vcc,输入，电源，+5,V;,GND,地。
0809,工作时序,ADC 0809,与8088接口电路,例：设,8,路信号模拟输入地址为,70,77H,，对模拟通道,2,的转换命令为：,OUT 72H,AL,在中断程序中读转换结果的命令为：,IN AL,72H,A/D,接口电路设计,2,，,AD570A,工作原理及接口电路,AD570,是一种,8,位的模数转换芯片特点如下：,1.单极性,（,pin15,L,）,或双极性,（,pin15,H,）,模拟信号输入；,2.内部带有三态输出门，外部不可控；,3.,低电平启动转换,（,B/C#=L,）,A/D,接口电路设计,AD570A,控制时序,A/D,接口电路设计,查询方式读取,ADC,转换结果，,P307,图,10.14,1,，由于,AD570,三态数据输出外部不可控，用,8255,作为接口芯片；,2,，,8255PA,口接收数据，,PB0,状态输入，,PC0,转换控制；,READAD:MOVAL,92H,;8255,方式字，,A,、,B,口输入，,C,口输出,OUTPORTCT,AL,;,PORTCT,为,8255,控制端口地址,MOVAL,01H,;,使,PC0=1,PORTC,为,8255C,端口地址,OUTPORTC,AL,MOVAL,00H,;,使,PC0=0,启动,AD,转换,OUTPORTC,AL,W:INAL,PORTB,;,读,PB0,状态，若为,1,，则查询等待,RCRAL,01,JCW,MOVAL,01,OUTPORTC,AL,;,使,PC0=1,撤销启动信号,INAL,PORTA,;,读取转换数据,A/D,接口电路设计,等待方式读取,ADC,转换结果，,P307,图,10.15,1,，由于,AD570,三态数据输出外部不可控，用,8255,作为接口芯片；,2,，,8255PA,口接收数据，,PC0,转换控制；,3,，用,DR#,和,B/C#,的逻辑组合作为,CPU,总线的,READY,信号；,A/D,接口电路设计,12,位模数转换器,ADC1210,和系统的连接，,P308,图,10.16,1,，,ADC1210,没有三态输出门，用两片,74LS244,作为接口芯片；,2,，和,8,位的数据总线连接，需要分别读取高,4,位、低,8,位数据；,3,，通过地址译码产生两个片选信号，分别控制两个,244,的使能；,4,，,PC0,用于启动,AD,转换，,CC#,表明转换结束，用于查询；,START:MOVAL,01,;,使,PC0=1,启动转换，,PORTC,为,8255C,端口地址,OUTPORTC,AL,WAIT1:INAL,PORTH,;,读取转换结束信号，,PORTH,为高位,244,地址,MOVCL,5,RCRAL,CL,;,右移,5,次，状态信号进入,CF,JCWAIT1,;,判断如为高电平，等待,INAL,PORTH,;,转换结束，读取高位数据,ANDAL,0FH,;,屏蔽高,4,位,MOVAH,AL,;,转存至,AH,INAL,PORTL,;,读取低,4,位,10.3,D/A,转换器及其应用,D/A,转换器接收数字信息，输出一个与数字值成比例的电流或电压信号。
D/A,转换器用途：,数字函数发生器,信号源,音频、视频系统,业控制系统,DAC,的指标,分辨率：,DAC,能够辨别的最小电压增量，用最低有效位对应的模拟量表示，反应了,DAC,的灵敏度满量程,V,FS,，,N,位的,DAC,，分辨率,V,FS,/(2,N,-1),；,转换精度：,表示输出电压接近理想值的程度,相对对转换精度,：用数字量最低有效位,LSB,的一半来表示，,0.5LSB,0.5*(1/2,N,),(1/2,N+1,),；,绝对转换精度,：相对转换精度对应的电压值表示，即,V,FS,/,(1/2,N+1,),；,转换速率和建立时间,转换速率：,模拟输出电压的变化速度，,V/,uS,；,建立时间：,从输入数字量开始到,DA,转换完成的时间；,线性误差：,在整个量程上，转换输出偏离理想转换特性的最大值，与转换精度有关DAC0832,及其应用,DAC0832,工作原理及接口电路,DAC0832,是8位数模转换芯片，片中有,R-2R,梯形电阻，用以对参考电流进行分流完成数模转换转换结果以一组差动电流,I,OUT1,和,I,OUT2,输出DAC0832,及其应用,V,REF,：,参考电压，+10,V-10V，,此电压愈稳定模拟输出精度越高,;,I,OUT1,、I,OUT2,：,模拟电流输出端，与运放输入端相接,;,R,fb,：,反馈电阻接出端,用于连接运算放大器的输出端,(,反馈电阻固化在片内,);,V,CC,：电源电压，+5+15,V;,AGND、DGND,：,分别为模拟地和数字地。
CS#,：,片选端，低电平有效ILE,：,数据允许锁存信号，高电平有效WR1#,：写信号,1,端，低电平有效用于将输入数据锁存到输入寄存器中，必须与,ILE,、,CS#,同时有效WR2#,：,写信号,2,端，低电平有效只有当,WR2#,和,XFER#,同时有效时，输入寄存器中的数据才能通过,。
