A/D转换器_01在线视频

大家好上一讲了我们学习了

模拟量输入输出通道中

就是输出通道里的核心部件DA转换器

那么这一讲我们来学习

这个输入模拟量

输入通道中的核心部件

也就是AD转换器

那么顾名思义它是将模拟量转换成

数字信号的这样一个器件

AD转换器作为模拟量

输入通道中间的这样一个部件

它的功能它的这个位子

就是一头担着是工业现场

经过变换后的模拟连续的变化中

模拟电压型模拟信号

那么它的输出昵

就是连接到了系统

因此昵从这个位子上来讲

它是决定了它是一个接口的角色

那么它所传送的信息

就说一头是模拟量一头是数字量

也就是它的功能是将模拟转换成数字

因此我们也说它是一个模拟量接口

那么它的传输方向

是将外面的模拟信号转换之后

输入到系统

所以从传输方向上来讲

它是输入接口

我们已经知道输入接口的必要条件

是一定要有数据的控制能力

那么如果AD转换器某个AD转换器芯片

它没有数据控制能力的话

它是一定不能够

直接跟CPU去连接的

它们和它和系统之间

一定要通过数字接口

那么如果说它的内部

具有对数据的控制能力

理论上来讲

它是可以跟系统直接连接的

但是在实际应用中

考虑到驱动以及

抗干扰这样子的一些因素

所以在AD转换器跟系统之间

通常我们还需要加数字接口

好下面我们来学习

具体的AD转换器

对这一部分来讲我们

希望大家关注3个方向的内容

一个就是AD转换器的基本工作原理

这一部分我们不作为

非常核心的内容来解释

主要是非常简单的

给大家描述一下就行了

因为这个基本原理也是

通过我们后边的一个典型的接口芯片

来给大家介绍这个具体

用这个具体的芯片作为蓝本

来理解这样子的一种工作原理

第二就是它的技术指标

这种指标昵我们和DA转换器一样

我们也只给大家主要的

介绍那么两三项指标

其他的计数指标

那么相关的真正应用的时候

大家可以去查阅一些相关的技术手册

那么当然最主要的

是这个AD转换器的应用

作为AD转换器来讲

从应用的角度在我们这门课程里

相对DA转换器要更高一点

因为昵AD转换器它需要

将现场采集的数据转换成

数字量后送给系统

因此昵这里头应用上

除了和系统的连接之外

还包括如何将采集程序

如何将现场的数据

采集过来转换

送给系统这样一个过程

这个过程我们称为数据采集程序

因此在应用的时候

就包括了软硬两个方面的应用了

好下面我们先来看

AD转换器的基本的原理

AD转换器昵它的当然它的功能

就是将模拟量转换成数字量

这毫无问题

从类型上来讲

AD转换器主要可以分为这么样几类

一个是我们的计数型的AD转换器

这种类型的AD转换器昵

它的性能是非常相对比较低的

也就是它的速度会比较慢

当然它比较便宜

所以它比较适合一些低速的应用场合

那么双积分型的AD转换器昵

它的这种分辨率比较高

抗干扰性也比较好

但是它的转换速度相对比较慢

所以昵它也不太适合一些

高速的应用场合

比较适合于中速的这种场合

目前从总个性价比的角度来讲

逐位反馈型

或者叫逐位比较型的AD转换器

它的应用范围更加广

因为相对来讲它的转换精度比较高

速度也比较快

当然昵它的抗干扰性要弱一点

但是现在因为有外围的一些

辅助的一些抗干扰的措施

所以这种芯片也不太存在问题

所以它的应用是比较广的

我们下面就用就只针对这个

逐位反馈或者逐位比较型AD转换器

我们来解释一下

逐位逼近型或者

逐位反馈型或者

逐位比较型都是指的是它

它的这个基本的工作原理

就是类似于一个天平称秤的一个原理

它的内部主要由3个部分

一个我们称为逐次变换

寄存器SER

还有一个是DA转换器

再一个是比较器

这个SAR既然称为寄存器

寄存器里我们都知道

它存放的是离散的信号

就是0和0101这样的2进制位

那么所以这个SAR位数

或者它的字长

其实就是这一片AD转换器的

这个芯片的字长

那么现在假设我们SAR里面是8位的话

那么现在这个AD转换器就是8位

它的基本工作原理是这样

在初始情况下

SAR这个寄存器里的

不管是8位9位10位

它全都是0

然后昵它会让它

设置它最高位变成1

也就是说我们如果是

8位的话我们初始时0

然后就变成了80H

然后这个80H输出来

就输出到这个DA转换器

通过DA转换器那么你这个

80这样一个数值量

一定对应一个具体的模拟量

这个模拟量就是

现在这个电路里的VC

那么这个模拟电压会

和你的输入的参考电压进行比较

如果你这个VC

小于这个VI的话

那么刚才我们的这个最高位

这个1就保留

如果你这个VC大于VI的话

最高这个1它就变成0

这个第一最高位就比较结束

然后昵它再把次高位变成1

然后依此内推这样的过程

如果是你这个ICR是8位的话

就要逐次的比8次

如果是10位的话

逐位的逐次的比10次

比到最后那么ICR里面的

这个每一位的状态

或者0或者1就确定了

那么这就是它的转换结果

基本原理就是这样了

我们对于这个技术指标

我们同样首先来

观察它的转换精度

影响转换精度的因素也有若干

那么同样的和DA转换器一样

我们重点来关注

它的这个分辨率的问题

在AD转换器里面

分辨率我们也称为量化误差

在AD转换器里面

分辨率我们有时候也

用量化误差

或者量化间隔来描述它

所谓量化误差

我们定义它为半个量化间隔

那么量化间隔是什么意思昵

就是用这个图来描述

就是我们说数字量

和模拟量之间

是没有办法完全一致的

数字量是离散的

模拟量是连续的

因此昵

你模拟量转换成数字量以后

一定是这样一个台阶性的

那么这个台阶就是它的间隔

这个间隔可以缩得小

但是不可消除

这就是我们上一讲讲

DA转换器上讲过

分辨率本身是一个原理性误差

所以它是无法去完全消除的

那么这个所谓的量化间隔

又叫什么

量化间隔其实就是我们的分辨率

这就是它的一个表达形式

这个和DA转换器是完全一样

也就是说一个最低有效位

对模拟量变化的峰峰值

也就是模拟量的范围

它的敏感程度

这里的n是字长

我们用一个例子大家就

等于帮助大家回忆或者说复习了

假设这么一个满量程为

10伏的AD转换器

它的字长是10位的话

那么它的分辨率

或者说它的量化间隔是多少昵

就是这么样一个值

那么量化误差既然定义为

它的半个量化间隔

那么它的量化误差也就能够得出来了

好了这个就是它的基本逐位

比较型的AD转换器的基本原理

和它的主要技术指标

那么它的量化误差

也就得出来了

除了量化误差以外

还有两个指标

我们也简单跟大家介绍一下

一个是它的转换时间

定义我不在这里念了

大家都可以看得到

还有一个是它的动态范围

动态范围昵有0到5伏

这是一个范围

还有可能是负5伏到15伏

负5伏到15伏

那么负5伏到正5伏

那么这个

我把这句话重说一遍

动态范围昵

有可能是0到5伏

也有可能是负5到正5这样子的一个

从负到正的一个变化范围

那么在这样一个变化范围里

那么它的动态范围就是

比如说负5到正5的话

这是它的动态范围

那么刚才我们那个分辨率

我们所谓的VMAX

也就是它的最大模拟量是什么意思

最大模拟量实际上是它的一个

动态范围值也就是它的峰峰值

对于0到5伏或者0到10伏

大家很容易得出来

那个VMAX是10伏

那么但是对于负5到正5

或者负10到正10的话

那么它的动态范围就是

10伏或者20伏了

所以这个大家要注意一下

这是它的3个主要的技术参数

或者它的指标

我们就简单这么介绍一下

和DA转换器一样

我们下面还是用一个典型的这个

具体的或者说具体的DA AD转换器芯片

来学习它

这个芯片的型号叫ADC0809

这个芯片它的主要的指标是这样

首先它是一个8通道的AD转换器芯片

这句话的意思是

它可以同时连接8路模拟量

当然它任意一个时刻

只能有一路模拟量在转换

大家回忆一下我们在讲

模拟量输入输出通道那一讲里头

我们曾经讲过

在模拟量的输入通道里头

从现场的物理信号通过传感器

变送器最后变成了一个标准的

微弱的电信号

连续变化的电信号

然后昵通过它的整形放大

这样的一些信号处理环节

最后就进入到准备

转换成数字信号的那个部件

但是那个部件

除了我们上面看到的AD转换器

它的前面还有采样保持电路

多路转换开关

那么多路转换开关和采样保持

实际上它的作用是什么

就说一个AD转换器

它本身可以实现模拟到数字的变换

但是模拟到数字的变化

毕竟需要时间

但是这个时间相对于工业现场的变化

它还是很快很快的

所以一般情况下

我们希望一片AD转换器芯片

可以采集来自多个工业现场

这个模拟信号就是能够

实现对多个模拟信号的采集

那么实现对多个模拟信号采集这样

就是提高这个AD转换器的应用效果

应用效率

那么怎么样做到昵

它就前面要有一个多路开关

为什么要有多路开关

是因为我虽然可以连接

多个模拟量的采集点

但是我在因为不管哪

不管它的转换速度再快

它也需要时间

那么在转换某一路的时候

它不能够同时再去接收其它的

模拟量信号输入

因为那样子的话

它前面那个转换就整个乱套了

因此昵

它连载有多路开关的情况下

它后面要有采样保持

也就是说在转换的时候

它要保持就某一路进行转换

只有这一路转换结束

它才可以切换到另外一路

来转换另外一路模拟量

但是真正实际的AD转换器里面

有关多路开关和采样保持这两个模块昵

实际上和AD转换器是集成在一起的

包括我们现在正在讲到这个

ADC0809它就是这样子的一个器件

所以在这里昵

它有一个8通道的模拟量输入

也就是说它实际可以

做到了这个8路开关

这样的一个作用

另外昵它也有采样保持

这是它的第一个指标

第二个指标昵它是一个8位字长的

也就是说它转换之后的数字信号

是一个8位的

我说过我们整个这门课为了

从基本原理的角度帮助大家理解

我们尽量的简化

所以我们都是用8位来做例子的

所有的芯片选择都是8位

另外昵它的工作原理

是逐位逼近型的

或者也就说我们说的逐位反馈型的

这个是我们说今天来讲

相对性价比最高的一种AD转换器芯片

还有它的转换时间

需要一百个微秒

大家可以看到这个时间是

非常非常快的

对于我们人来讲

但是不管怎么样

它也是需要这个时间

其实这个时间相对于CPU

它已经很慢很慢了

最后一个指标

它内置三态缓冲器

这是什么意思昵

内置三态输出缓冲器也就是

它的里面有三态门

三态门我们已经知道

它是一个具有控制能力的数字接口

既然具有控制能力

说明这个ADC0809

可以直接和系统进行连接

因为它作为输入接口它有控制能力

但是刚才我们说了

实际上在实际的应用中AD转换器

通常会通过数字接口

和系统连接

主要是考虑到驱动和这种干扰

防治的这种作用这种因素

这个是ADC0809

它的一些主要的引脚

这里的D0到D7说明刚才我们说它是

8位字长的一个AD转换器

也就是它的输出的数字量是8位的

这个IN0到IN7是它的8个

模拟量输入通道

这边的ADDC到ADDA

请大家注意它的排列顺序

实际上是C B A这样的顺序

这个是通道地址的选择

三位二进制正好有8个组合

所以ADDC ADDB ADDA

他们从000到111的变化

就决定了到底你现在的

IN0到IN7到底是哪一路模拟量进入到系统

所以它叫通道地址选择

这也就是我们所谓的

多路转化开关里面

到底要选择哪一路

这样子的一个模式

那么这个通道地址确定之后

通常我们要确定它在整个转换过程中

不能再改变另外一个

不能说在突然打开了另一个通道

输入另外一路模拟量

所以也就是说我们一定要有采样保持

怎么样实现的

实际上就是通过ALE

也就是说它把刚才的通道地址锁存好

这样的话外面你再去改变

都不会影响刚才我们

已经确定的这一路通道的

模拟信号的转换

这个等一下我们用图

来详细给大家描述

这个START是启动变换控制信号

也就说你当你的通道一旦选择以后

你总是要启动一下开始转换

它就是一个启动的引脚

这个转换刚才我们说

虽然它只需要一百个微秒

但是它毕竟也是需要一百个微秒

它需要有时间

也就是说在这一百个微秒内

你是拿不到它的转换结果的

那么到底是转换结束还是没转换结束

除了一百微秒这样的一个

计数参数之外

它还有一个引脚信号

来表征它是不是转换结束

这个引脚就是EOC

当你转换结束之后

SAR刚才我们说那个逐位逼近

寄存器或者逐位变换寄存器

SAR里面的值

就是转换的结果

这个结果进入还是不进入系统

是不是可以直接进入系统

这个在0809这个芯片里头

它是不能直接输出到系统的

它还要有一个控制

就是OE端这就是

它内部的那8个三态门的开门信号

当然除了这些以外

还有它的工作时钟就是CLK信号

下边我们通过这个图

来把这个引脚以及内部结构

和它的工作原理

都统一给大家做个解释