智能仪器原理第四章

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1、第四章智能仪器中A/D转换技术A/D转换原理积分式A/D转换器逐次逼近式A/D转换器Σ-Δ型A/D转换器8098单片机内A/D转换器的应用A/D转换其基本部件有：（1）模拟多路转换器与信号调节；（2）采样/保持放大器；（3）A/D转换器；（4）通道控制电路。在设计一个数据采集系统时应考虑以下几个问题：（1）采样速度。它由模拟信号带宽、数据通道和每个周期的采样决定。由Nyquist采样定理，采样频率至少是输入信号最高频率的两倍。在实际使用中，为保证数据采集精度，在最高频率端每周期采样7～10次，即fs

2、＝（7～10）fmax。/在多通道数据采集系统中，由于是分时控制采样，考虑到通道的分时、模拟信号的带宽等因素，多通道数据采集系统的最小采样频率fs应为：fs＝（7～10）fmax×N（N为通道数）（2）孔径误差。由于模拟量转换成数字量有一过程，因此对动态模拟信号而言，在A/D转换器接通的孔径时间里，输入的模拟信号值是不确定的，从而引起输出的不确定性误差。使用采样/保持电路，可以减小孔径时间也即减小了孔径误差。（3）系统通过率。系统的通过率由模拟多路选择器、输入放大器的稳定时间、采样/保持电路的采集时

3、间以及A/D转换器的稳定和转换时间确定。（4）A/D转换精度。由下式表示：式中：ΔMUX为模拟多路开关误差，ΔAMP为输入放大器误差，ΔSH为采样/保持电路误差，ΔADC为A/D转换器误差。/4.1A/D转换原理4.1.1积分法原理积分法又分为双斜率、单斜率和多斜率法，其中双斜率法又称双积分法。双积分法工作原理图，它由积分器、零电压比较器、计数器、门、控制逻辑、参考电压（电流）和由控制逻辑控制的开关所组成。（1）采样阶段：设第一次积分时间为T1，即计数器开始计数到溢出的时间，此时电容C的电压为：（2

4、）比较阶段：设UIN为输入电压在T1时间内的平均值，则测量开始时，积分电容器开始向基准参考电压—UREF放电，设从第二次开始计数到计数停止的时间为T2，则有由于电容上的放电电压等于充电电压，所以有即若计数时钟频率为f，计数为N，则由计数N可求得计数时间T为：所以第一次积分时间T1由计数频率和计数器位数可知是一常数，故第二次反向积分时间内计数的个数N2为：4.1.2逐次比较法原理二、A/D转换器的主要参数（1）精度指A/D转换器输出的数D0D1……Dn所对应的输入电压值与理论上产生D0D1…Dn输出数

5、应有的输入电压值之差。1）绝对精度实际上所需输入的电压值与理论上应输入的电压值之差。2）相对精度在整个转换范围内、任一个数（而不是特指一个数）所对应的模拟输入电压与理论输入电压之差。（2）分辨率指ADC可转换成数字量的最小模拟电压值。1）转换时间模拟输入转换启动信号开始到转换结束所经历的时间。/CMOS逐次比较式8位芯片ADC08092．工作过程A/D转换由START为高电平来启动。在START上升沿之后的2μs加8个时钟内（不定），EOC状态输出信号将变低电平，以指示转换正在进行中。EOC保持低电

6、平直至转换完成后变为高电平。当OUTPUTENABLE（允许数据输出）置为高电平时，三态门打开，数据锁存器的内容输出到数据总线上。ADC0809最大模拟输入范围为0～5.25V，基准电压VREF根据VCC确定，典型值为VREF（＋）＝VCC，VREF（－）＝0，VREF（＋）不允许比VCC正，VREF（－）不允许比地电平负。如基准电压选为5.12V，则1LSB的误差为20mV。/二进制计数法4.1.3A/D转换电路的主要参数（1）转换精度绝对精度：是指对于一个给定的数其实际上输入的模拟电压值与理论上

7、应输入的模拟电压值之差。相对精度：是指在整个转换范围内，任一个所对应的模拟输入电压的差。（2）分辨率也称量化误差。是指A/D转换器可转换成数字量的最小模拟电压值。（3）转换时间指从输入转换启动信号开始到转换结束所经历的时间。/（4）误差量化误差：由量化单位有限而造成的误差，通常以1/2LSB表示。失调误差：使LSB为“1”时对A/D转换器的实际输入电压和理论上使LSB为“1”时的电压之差。增益误差：这时由A/D转换器传递函数斜率的变化而引起的。线性误差：线性误差是在消除失调误差和增益误差之后，A/D

8、实际量化特性曲线和理论量化特性曲线不重合的误差。重复误差：在一定的条件下，各次测量之间存在的差异。失误码误差：失误码误差是由于非线性误差而引起的误差。/4.2积分式A/D转换器4.2.1双积分式A/D转换器ICL7135及8031接口一、ICL7135简介ICL7135（国产有5G7135）采用CMOS工艺制作，为位双积分式A/D转换器，满量程达±2.0000V，最大显示读数19999，分辨率为0.1mV。其主要特性如下：（1）在±20000字范围内，转换误差±1字。