输入输出通道接口（模拟输入通道）ppt课件.ppt

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1、第三章输入输出通道接口（模拟量输入通道设计）主讲人：李东升主要内容概述A/D转换原理A/D转换器件模拟量输入通道第一节量化与编码量化与编码数字计算机按二进制形式存储数字，B位二进制码有2B种不同的组合，这意味着我们采用B位二进制数来表示所有的数的话，就必须把模拟信号的采样值化成2B个等级。量化与编码量化与编码量化与编码例题1：设一个音频信号的带宽为20kHz，将信号进行采样、量化、再进行二进制编码，最后得到一个PCM（脉冲编码调制）信号，问：（1）假如按照高于奈奎斯特频率20%的采样率进行采样，采样率为多少？（2）假如采样信号按照16位/样本的传输格式进行传输，量化等级应为多少？（3

2、）信号编码的比特率（每秒传输的二进制尾数）为多少？第二节模拟输入接口模拟输入接口过程参数信号处理信号处理信号处理模拟开关放大器采样/保持器AD转换器时序控制电路A/D转换器概述现代模数转换器通常采用±5V（双电源）或+5V（单电源）工作，实际上，许多新型转换器都采用+3V单电源工作。较低的供电电压意味着较窄的输入电压范围，因而更易受到各种潜在噪声源的干扰：电源参考源数字信号电磁干扰不合理的布线、接地和去耦方法A/D转换器概述最流行的精密信号调理用ADC建立在两类基本结构的基础上，即逐次逼近结构和Σ-Δ结构。逐次逼近型ADC分辨率高达16位；最小吞吐延迟时间；用于多路输入数据采集系统。

3、Σ-Δ型ADC分辨率高达24位；优良的微分线性误差；内部数字滤波器可以有效的抑制交流电源的干扰；长的吞吐延迟时间；由于数字滤波器建立时间而难以实现多路输入。A/D转换器概述理想特性逐位逼近A/D转换器数字量输出寄存器D/A转换器逐位逼近寄存器（SAR）控制时序和逻辑电路比较器反馈电压模拟输入数字输出逐位逼近A/D转换器VREF+VREF－1D1D0来自SAR01001S00S01S02S03S10S11V0VINVf对一个n位的逐位逼近式A/D转换输出的二进制数字量B与输入模拟电压VIN、正基准电压VREF+、负基准电压VREF-的关系为逐位逼近A/D转换器逐次逼近式A/D转换器的总

4、精度和线性误差主要由内部DAC决定。为了得到较高的精度，通常采用激光微调薄膜DAC来达到所要求的精度和线性误差。薄膜电阻微调工艺会增加成本，而且当薄膜电阻器受到封装机械应力的作用时，其阻值可能会受影响。逐位逼近A/D转换器近几年多采用开关电容型ADC。其优点是：DAC的精度和线性误差主要由光刻工艺决定，而光刻工艺能够对电容器极板面积、电容值以及匹配进行控制。在主电容旁边可以安装若干个并联的小电容器，这些小电容器可以在自动校准程序的控制下接入和断开，而无需采用薄膜激光微调来达到高的精度和线性度。开关电容器之间的温度跟踪优于1ppm/℃，因而能提供高的温度稳定性。逐位逼近A/D转换器当断

5、开SIN时启动保持方式，在电容器阵列上保持采样模拟输入电压。然后,断开开关SC，在位开关S1~S4的控制下可以改变节点A的电压。如果S1、S2、S3、S4全都接地，则在节点A上将出现等于-Ain的电压；如果将S1与Vref相连便把等于Vref/2的电压加到-Ain上。然后，比较器对MSB位进行判定，SAR或是使S1与Vref相连，或是使S1与地相连。。双积分A/D转换器控制逻辑计数器时钟+比较器－+积分器－123积分电容VOVIK数据输出VinVREF（基准电压）双积分式A/D转换的原理框图t1VOt2tAVOt1t3tBtt1VI积分输出t2t3AB双积分A/D的工作示意图双积分式

6、A/D转换双积分A/D转换器双积分A/D转换器Σ-Δ型A/D转换器Σ-Δ型A/D转换器基本原理若ADC不太理想而且它的噪声大于其理论上的最小量化噪声，则它的有效分辨率将小于N位。实际分辨率（通常称为有效位数或ENOB）由下式决定：ENOB=（SNR-1.76dB）/6.02dB。一个理想的常规N为采样ADC的量化噪声有效值为q/sqr（12），均匀分布在奈奎斯特频带直流至fs/2范围内。因此,在满度正弦波输入时,它的信噪比为(6.02N+1.76）dB。Σ-Δ型A/D转换器基本原理如果选择高得多的采样速率Kfs，则量化噪声将分布在直流至Kfs/2的更大带宽范围；如果再将一个数字低通滤

7、波器（LPF）加到输出端，便能滤除大部分量化噪声而不影响有用信号，从而提高ENOB，这样便能用低分辨率的ADC实现高分辨率的模数转换。其中系数K称为过采样倍率。Σ-Δ型A/D转换器基本原理由于数字滤波器减小了带宽，所以输出数据速率应低于原始采样速率（Kfs），但仍满足奈奎斯特定理。通过将每M次采样结果传送至输出端并去除多余数据便可实现上述目的，这个过程称为采样速率降为1/M的“采样抽取”。如果仅利用过采样来改善分辨率，那么，为了将分辨率提高到N位，必须使过