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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,第十章 模,/,數(shù)和數(shù),/,模轉(zhuǎn)換,10.1,數(shù)據(jù)采集基本概念,10.2 A/D,接口電路設(shè)計,10.3 D/A,接口電路設(shè)計,10.1,數(shù)據(jù)采集基本概念,通常從傳感器或其它方式得到的模擬信號，經(jīng)過必要的處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以供存儲、傳輸、處理和顯示之用。我們把從模擬域到數(shù)字域之間的接口，稱為,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。,信息源：語言信號、生物醫(yī)學(xué)信號、工業(yè)現(xiàn)場信號、雷達回波信號等。,數(shù)據(jù)采集基本概念,模,/,數(shù),(A/D),轉(zhuǎn)換：,在現(xiàn)實世界中被控對象或測量對象的有關(guān)參數(shù)如溫度、壓力、流量、速度等往往都是一些連續(xù)

2、的模擬量。人們要認識它、使用它，需要把各種物理量轉(zhuǎn)換成電的模擬信號，然后進行處理。隨著數(shù)據(jù)信號處理的廣泛應(yīng)用，如語音信號處理、圖象信號處理、生物信號處理、雷達信號處理等，都必須將這些模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后利用計算機實現(xiàn)各種信息處理。,數(shù),/,模,(D/A),轉(zhuǎn)換：,將計算機加工處理的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以便對被控對象進行控制。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成,1,.,傳感器,把各種物理量如溫度、壓力等轉(zhuǎn)換成電信號的器件稱為傳感器。如測量溫度的傳感器有熱電偶、熱敏電阻；測量機械力的有壓力傳感器、應(yīng)變片等；測量機械位移的有感應(yīng)式位移傳感器等。,2,.,多路模擬開關(guān),如果有多個獨立的或相關(guān)的模擬信號源，需要轉(zhuǎn)

3、換成數(shù)字形式，為使采樣保持器、,A/D,等后續(xù)電路可以公用，這可通過多路模擬開關(guān)按序切換來實現(xiàn)。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成,3 信號調(diào)理器（,SIGNAL CONDITIONING）,作用：,（1）,完成信號的電平、極性等轉(zhuǎn)換，以便與,A/D,變換器所需的電平極性匹配，充分利用,A/D,精度。從傳感器得到的輸出信號小至毫伏級、微伏級，必須放大到足夠的電平，才能精確測量。有的信號是雙極性，需要進行極性轉(zhuǎn)換變成單極性。信號調(diào)理器還應(yīng)起阻抗變換作用，隔離后面的負載對傳感器的影響。,極性、幅度、阻抗,（2）,抑制干擾，提高信噪比，特別是傳感器通過較長電纜與計算機相聯(lián)，共模干擾及高頻干擾明顯，信號常被淹沒。信

4、號調(diào)理器應(yīng)盡量抑制干擾和噪聲，不使信號污染。,濾波,（3）防止混疊現(xiàn)象，即對信號預(yù)先進行防混疊波。,采樣定理：低通采樣、帶通采樣,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成,4,.,采樣保持電路,在,A/D,進行轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，保持輸入信號不變的電路稱采樣保持電路。,A/D,轉(zhuǎn)換中，采樣保持電路對系統(tǒng)的精度起著決定性的影響。,一般采樣保持電路有兩種運行模式，,即采樣和保持模式,，它由數(shù)字控制輸入端來選擇。在采樣模式中輸出隨輸入變化，通常增益為1；在保持模式中，采樣保持電路的輸出將保持命令發(fā)出時的輸出值，直到數(shù)字控制輸入端輸入了下一個采樣命令為止。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成,采樣保持電路的組成：,保持電容器、輸入輸出緩沖放大器、

5、邏輯輸入控制的開關(guān)電路。,采樣保持電路原理見下圖。,采樣過程,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成,采樣保持器的主要性能參數(shù)是：,（1）,孔徑時間,T,AP,：,從保持命令發(fā)出到開關(guān)全部斷開所需要的時間。這是模式開關(guān)從閉合狀態(tài)到斷開狀態(tài)的過度時間。將使實際電壓值與希望的電壓保持值之間產(chǎn)生誤差，這將影響轉(zhuǎn)換精度。,（2）,捕捉時間,T,AC,：,從采樣命令發(fā)出到采樣保持器的輸出由保持值達到輸入信號當(dāng)前值所需時間。它與模式開關(guān)的接通時間、電容器充電時間常數(shù)、保持電容上電壓變化幅度有關(guān)，這將影響采樣頻率的提高。,（3）,保持電壓的衰減率,：,在保持狀態(tài)下，由于保持電容器的漏電和其他雜散漏電流引起的保持電壓衰減。,AD

6、S5547,片內(nèi)集成,SHA,ADS5547,片內(nèi)集成,SHA,MAX108,的片內(nèi),SHA,MAX108:1.5Gsps 8bitADC with,2.2GHz SHA,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成,對于高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及需要各通道同時采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，通常是讓每個通道各自具有采樣保持器與,A/D,變換器。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成,多通道共用,A/D,變換器,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成,多通道共用采樣保持與,A/D,變換器,AD,轉(zhuǎn)換器參數(shù),量程：,輸入模擬信號幅度范圍，如,1V,，,2V,，,5V,；,帶寬：,輸入模擬信號頻率范圍，如,100MHz,，,1GHz,；,轉(zhuǎn)換速率：,每秒能進行的轉(zhuǎn)換次數(shù)，,

7、KHz,，,MHz,；,分辨率：,能夠分辨最小信號的能力，用,ADC,位數(shù)或每位對應(yīng)的電壓表示，能引起輸出數(shù)字值發(fā)生一位變化的最小模擬輸入變化。,例：,位數(shù),8,位，滿量程,5V,，則其分辨率為,8,位，或,5V/(2,8,-1)=19.6mV,AD,轉(zhuǎn)換器參數(shù),轉(zhuǎn)換精度：,轉(zhuǎn)換器實際值接近理想值的精確程度，用數(shù)字量的最低有效位,LSB,對應(yīng)的模擬量,表示。,受分辨率限制，理想轉(zhuǎn)換器輸入在,0.5,范圍內(nèi)變化時，輸出對應(yīng)同一個值，其轉(zhuǎn)換精度為,0LSB,。,其他參數(shù)：,積分非線性、差分非線性、丟碼、供電方式、功耗、時鐘、輸出數(shù)據(jù)格式。,ADC,芯片選擇原則,10,.,2 A/D,接口電路設(shè)計,

8、保證正常工作條件下，提高性能：,減小數(shù)字部分對模擬信號的干擾；,模擬信號的調(diào)理；,數(shù)字接口；,采樣時鐘處理；,電源、地的連接；,參考電壓基準(zhǔn)；,A/D,接口電路設(shè)計,1,，,ADC0809,工作原理及接口,ADC0809,是采用逐次逼近技術(shù)進行,A/D,轉(zhuǎn)換的,CMOS,集成芯片，它轉(zhuǎn)換時間是100,s，,分辨率為8位，單5,V,供電，輸入模擬電壓范圍為05,V，,內(nèi)部集成了可以鎖存控制的8路多路開關(guān)，并且還集成了可以鎖存的三態(tài)緩沖器。,ADC0809,內(nèi)部功能框圖包括：,8路模擬開關(guān)；,地址鎖存與譯碼；,8位,A/D,轉(zhuǎn)換；,三態(tài)輸出鎖存器。,A/D,接口電路設(shè)計,各管腳功能,IN0IN7,

9、輸入，8路模擬輸入,;,DB0DB7,三態(tài)輸出，,A/D,轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出線,;,ADDA，ADDB，ADDC,輸入，模擬通道選擇線,;,ALE,輸入，地址鎖存允許，上升沿將,ADDA、ADDB、ADDC,三位地址信號鎖 存，譯碼選通對應(yīng)模擬通道,;,REF(+)/REF(-),輸入，基準(zhǔn)電壓輸入端，且要求1/2,V,REF,(+)+V,REF,(-)=1/2Vc,START,輸入，轉(zhuǎn)換開始。在模擬通道選通地址鎖存之后，向,START,端加一正脈沖啟動轉(zhuǎn)換過程，脈沖上升使所有內(nèi)部寄存器清零，下降沿使,A/D,轉(zhuǎn)換開始。,EOC,輸出，轉(zhuǎn)結(jié)束信號。在轉(zhuǎn)換進行過程中,EOC,為低電平；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)

10、已鎖存在輸出鎖存器之后，,EOC,變?yōu)楦唠娖健?EOC,作為被查詢的狀態(tài)信號，也可用來申請中斷,;,OE(Output,Enable),輸入，輸出允許。此端加一高電平時，可打開,ADC0809,的輸出三態(tài)緩沖器，使數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，以供,CPU,讀入,;,CLK,輸入，時鐘,;,Vcc,輸入，電源，+5,V;,GND,地。,0809,工作時序,ADC 0809,與8088接口電路,例：設(shè),8,路信號模擬輸入地址為,70,77H,，對模擬通道,2,的轉(zhuǎn)換命令為：,OUT 72H,AL,在中斷程序中讀轉(zhuǎn)換結(jié)果的命令為：,IN AL,72H,A/D,接口電路設(shè)計,2,，,AD570A,工作原理及接

11、口電路,AD570,是一種,8,位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。特點如下：,1.單極性,（,pin15,L,）,或雙極性,（,pin15,H,）,模擬信號輸入；,2.內(nèi)部帶有三態(tài)輸出門，外部不可控；,3.,低電平啟動轉(zhuǎn)換,（,B/C#=L,）,A/D,接口電路設(shè)計,AD570A,控制時序,A/D,接口電路設(shè)計,查詢方式讀取,ADC,轉(zhuǎn)換結(jié)果，,P307,圖,10.14,1,，由于,AD570,三態(tài)數(shù)據(jù)輸出外部不可控，用,8255,作為接口芯片；,2,，,8255PA,口接收數(shù)據(jù)，,PB0,狀態(tài)輸入，,PC0,轉(zhuǎn)換控制；,READAD:MOVAL,92H,;8255,方式字，,A,、,B,口輸入，,C,口輸出

12、,OUTPORTCT,AL,;,PORTCT,為,8255,控制端口地址,MOVAL,01H,;,使,PC0=1,PORTC,為,8255C,端口地址,OUTPORTC,AL,MOVAL,00H,;,使,PC0=0,啟動,AD,轉(zhuǎn)換,OUTPORTC,AL,W:INAL,PORTB,;,讀,PB0,狀態(tài)，若為,1,，則查詢等待,RCRAL,01,JCW,MOVAL,01,OUTPORTC,AL,;,使,PC0=1,撤銷啟動信號,INAL,PORTA,;,讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),A/D,接口電路設(shè)計,等待方式讀取,ADC,轉(zhuǎn)換結(jié)果，,P307,圖,10.15,1,，由于,AD570,三態(tài)數(shù)據(jù)輸出外部不可控

13、，用,8255,作為接口芯片；,2,，,8255PA,口接收數(shù)據(jù)，,PC0,轉(zhuǎn)換控制；,3,，用,DR#,和,B/C#,的邏輯組合作為,CPU,總線的,READY,信號；,A/D,接口電路設(shè)計,12,位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,ADC1210,和系統(tǒng)的連接，,P308,圖,10.16,1,，,ADC1210,沒有三態(tài)輸出門，用兩片,74LS244,作為接口芯片；,2,，和,8,位的數(shù)據(jù)總線連接，需要分別讀取高,4,位、低,8,位數(shù)據(jù)；,3,，通過地址譯碼產(chǎn)生兩個片選信號，分別控制兩個,244,的使能；,4,，,PC0,用于啟動,AD,轉(zhuǎn)換，,CC#,表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，用于查詢；,START:MOVAL,01,;

14、,使,PC0=1,啟動轉(zhuǎn)換，,PORTC,為,8255C,端口地址,OUTPORTC,AL,WAIT1:INAL,PORTH,;,讀取轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，,PORTH,為高位,244,地址,MOVCL,5,RCRAL,CL,;,右移,5,次，狀態(tài)信號進入,CF,JCWAIT1,;,判斷如為高電平，等待,INAL,PORTH,;,轉(zhuǎn)換結(jié)束，讀取高位數(shù)據(jù),ANDAL,0FH,;,屏蔽高,4,位,MOVAH,AL,;,轉(zhuǎn)存至,AH,INAL,PORTL,;,讀取低,4,位,10.3,D/A,轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,D/A,轉(zhuǎn)換器接收數(shù)字信息，輸出一個與數(shù)字值成比例的電流或電壓信號。,D/A,轉(zhuǎn)換器用途：,數(shù)字函數(shù)

15、發(fā)生器,信號源,音頻、視頻系統(tǒng),業(yè)控制系統(tǒng),DAC,的指標(biāo),分辨率：,DAC,能夠辨別的最小電壓增量，用最低有效位對應(yīng)的模擬量表示，反應(yīng)了,DAC,的靈敏度。滿量程,V,FS,，,N,位的,DAC,，分辨率,V,FS,/(2,N,-1),；,轉(zhuǎn)換精度：,表示輸出電壓接近理想值的程度,相對對轉(zhuǎn)換精度,：用數(shù)字量最低有效位,LSB,的一半來表示，,0.5LSB,0.5*(1/2,N,),(1/2,N+1,),；,絕對轉(zhuǎn)換精度,：相對轉(zhuǎn)換精度對應(yīng)的電壓值表示，即,V,FS,/,(1/2,N+1,),；,轉(zhuǎn)換速率和建立時間,轉(zhuǎn)換速率：,模擬輸出電壓的變化速度，,V/,uS,；,建立時間：,從輸入數(shù)字量

16、開始到,DA,轉(zhuǎn)換完成的時間；,線性誤差：,在整個量程上，轉(zhuǎn)換輸出偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大值，與轉(zhuǎn)換精度有關(guān)。,DAC0832,及其應(yīng)用,DAC0832,工作原理及接口電路,DAC0832,是8位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，片中有,R-2R,梯形電阻，用以對參考電流進行分流完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動電流,I,OUT1,和,I,OUT2,輸出。,DAC0832,及其應(yīng)用,V,REF,：,參考電壓，+10,V-10V，,此電壓愈穩(wěn)定模擬輸出精度越高,;,I,OUT1,、I,OUT2,：,模擬電流輸出端，與運放輸入端相接,;,R,fb,：,反饋電阻接出端,用于連接運算放大器的輸出端,(,反饋電阻固化在片內(nèi),);,V,CC,：電源電壓，+5+15,V;,AGND、DGND,：,分別為模擬地和數(shù)字地。,CS#,：,片選端，低電平有效。,ILE,：,數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效。,WR1#,：寫信號,1,端，低電平有效。用于將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器中，必須與,ILE,、,CS#,同時有效。,WR2#,：,寫信號,2,端，低電平有效。只有當(dāng),WR2#,和,XFER#,同時有效時，輸入寄存器中的數(shù)據(jù)才能通過,