Vmax Vmin
5 A/D转换器原理及接口设计

若，已知动态范围为L，则确定ADC位数N：
L N 6

根据转换精度要求确定ADC位数



数据采集系统的总误差是由各部分的分项误差的综合，故， 选取元器件精度的一般规则：每个元器件的精度指标应优 于系统精度的10倍左右。 例：系统总误差为0.1%，则构成系统的MUX、SHA、ADC 的误差都应小于0.01% ADC的量化误差为±1/2LSB，即满刻度的1/2N+1，若系统精 度指标为δ，则按下式估算ADC所需的位数：

常用仪表放大器


AD公司：AD620/621/624/625 BB公司：INA114/118/122/128
2 放大器原理及设计
程控放大器



满足多通道输入信号的宽范围信号电平 增益由软件编程设定 常用程控放大器

BB公司：PGA202/203/204/205/206/207 LINEAR公司：LTC6910/6911/6912/6915
Vm 2fVmtc q N 2
4 采样保持器原理及设计

由此，推出待转换信号的最高频率为：
f max

1 2
N 1
t c



例：一个12bit的ADC，若 tc 25μs ，用它来直接转换 一个正弦信号并要求精度优于1LSB，则信号频率不能 超过1.5Hz。 故：除直流信号及变化非常缓慢的信号，否则其模数 转换都得加采样保持器。 不过，采样保持器从采样到保持也需要一定的时间， 即：孔径时间 t P ，由此也会限制信号频率。 tc t P 远小于ADC的转换时间 t c ， 采样保持器的孔径时间 因此由采样保持器限定的信号频率远高于ADC的限制。
智能仪器
第三章 智能仪器的输入通道及 接口技术
学习提纲
1 数据采集系统概述
2 放大器原理及设计
3 多路转换器原理及设计
4 采样保持器原理及设计 5 A/D转换器原理及接口设计 6 数字量输入通道
1 数据采集系统概述

数据采集系统的概念 数据采集系统的组成（硬件）

信号的放大、滤波、采样保持、模/数转换 微机及接口 输入通道
误 差 +Q/2 −Q/2
5 A/D转换器原理及接口设计

精度





绝对精度：数字码对应的实际模拟电压与其理想电 压存在差值，且并非常数，将该差值的最大值定为 绝对精度。由偏移误差、增益误差、线性误差组成。 相对精度：将上述最大偏差表示为满刻度模拟电压 的百分数，或用二进制表示相对应的数字量。 偏移误差：使ADC输出最低位为1，施加到模拟输入 端的实际电压与理论值1/2（0.5LSB对应电压）之差。 增益误差：ADC输出达到满量程时，实际模拟输入 与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的 百分比表示。 （非）线性误差：积分线性误差和微分线性误差
2 放大器原理及设计

放大器的作用


放大出传感器输出的微弱信号，利于充分利用 ADC的满刻度分辨率 抑制干扰和噪声，满足响应时间要求

放大器选用基本要求


高输入阻抗，响应时间快 频率响应范围宽 高抗共模干扰能力 低漂移、低噪声、低输出阻抗
2 放大器原理及设计
运算放大器

基本特征



2 放大器原理及设计
仪表放大器

基本特征


两个差动输入端直接与信号源连接，共模抑制 能力强 外接电阻设置增益 高输入阻抗、低输出阻抗 仅放大差模信号 共模电压范围与共模抑制比
2 放大器原理及设计
仪表放大器

一般结构
2 放大器原理及设计
仪表放大器

内部结构
2 放大器原理及设计
仪表放大器

内部组成

工作原理 主要特点

转换速度快、分辨率较高、抗干扰能力较强
5 A/D转换器原理及接口设计

AD7492



分 辨 率：12bit 工作电压：2.7~5.25V 转换速率：1.25MSPS 转换时间：680ns 内置参考电压：2.5V 并行接口输出 低功耗

引脚说明
5 A/D转换器原理及接口设计

与单片机接口的考虑

电源要求

单片机一般在+5V、+3.3V电压下工作 TTL兼容、CMOS兼容 控制信号的脉宽、建立时间及保持时间等 是否需要增加译码器、锁存器等 串行还是并行？8位、12位、14位、16位？

逻辑兼容性


定时参数


外围硬件


数据格式

5 A/D转换器原理及接口设计

主放大器增益G需满足：
GVij E q 0 GVij

将q代入上式，得增益G的范围：
E DFS E G 0Vij Vij
3 多路转换器原理及设计

应用背景

智能仪器中往往需要同时或依次采集多路信号 模数转换时，可使用公共的ADC分时采样 由多个模拟开关组成，由译码电路实现切换 AD公司：AD7501/7502/7503 MAXIM公司：MAX4634、MAX4663
CSRD CONV BUSY L8BT H4BT ORG LJMP ORG MAIN: CLR CLR
;禁止所有中断 ;禁止外部中断0
5 A/D转换器原理及接口设计
SETB CLR CLR CLR JUDG: JNB MOV MOV ANL END IT0 ;下降沿有效 IE0 ;清除中断标志位 CSRD ;ADC使能 CONV ;开启一次A/D转换 IE0，JUDG ;循环判断A/D转换完否 L8BT, P0 ;转移低8位 H4BT, P1 ;转移高4位 H4BT, #0FH
隔离放大器
2 放大器原理及设计

放大器在输入通道中的设置策略

多通道数据采集中，每个通道有其前置放大器 根据需要，在多路转换器之后设置主放大器

多路信号都恒定或变化缓慢，各路幅度差别不大

仅在各路设置前置放大器即可 需在主通道中设置程控放大器 需在主通道中设置瞬时浮点放大器，不易实现

多路信号虽恒定或变化缓慢，但各路差别很大

ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量，体现在 对输入变化的敏感程度，分辨率越高，对输入量微 小变化的反应越灵敏。 分辨率常用数字量的位数表示，分辨率为8位，表示 它可以对满刻度的1/28的变化量做出反应。对于N位 的ADC，分辨率为：1/2N满刻度。

转换时间

ADC完成一次转换所需要的时间。与分辨率有关， 分辨率越高，转换时间越长。

ADC的选择

位数选择

根据转换电压范围确定ADC位数

设模拟输入电压最大值Vmax、最小值Vmin，A/D前置放大器 增益G，N位ADC满量程为E，则应满足：
E Vmin q N 2 Vmax G E

故，在最大最小值情况下： Vmax 2N Vmin 则，动态范围：

L 20 lg
三因素：捕捉时间、下降速率、保持阶跃

保持电容的选择

5 A/D转换器原理及接口设计

功能

完成模拟信号到数字信号的转换 程控放大器 多路转换器 采样保持器 三态输出锁存器 多种输出接口驱动器

ADC的集成化发展


Hale Waihona Puke 5 A/D转换器原理及接口设计

ADC的主要技术指标*程福德

分辨率

电气隔离 获取信号并放大

主要作用

2 放大器原理及设计
隔离放大器

原理

通过光耦合或磁耦合实现信号的联系
输入、输出放大器 耦合器 调制、解调器 漂移补偿放大器

组成


常用隔离放大器

AD公司：AD202/203、AD277、AD284/286 BB公司：ISO100系列
2 放大器原理及设计
2 放大器原理及设计
运算放大器

典型电路（二）
反相比例电路
输入阻抗较低 增益可小于1 输入输出极性相反
共模抑制能力强
差动输入运算电路
2 放大器原理及设计
运算放大器

典型电路（三）


同相输入的加法电路 反相输入的加法电路 差动输入的加减法电路
BB公司：OPA340/2340/4340

常用运算放大器
5 A/D转换器原理及接口设计

采样时序

接口设计
DB11 DB8 DB7
P1.3 P1.0 P0.7
AD7492
DB0 BUSY CONVST CS RD P0.0 P3.2 P3.1 P3.0
80C51
5 A/D转换器原理及接口设计

程序设计
BIT BIT BIT EQU EQU 0000H MAIN 0100H EA EX0 P3.0 P3.1 P3.2 40H 41H
2 放大器原理及设计
程控放大器
S3 0 0 0 0 1 1 1 S2 0 0 1 1 0 0 1 S1 0 1 0 1 0 1 0 GAIN 0 1 2 4 8 16 32
1
1
1
64
内部结构
增益真值表
2 放大器原理及设计
隔离放大器

应用背景