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1、AD转换,概论,数字信号到模拟信号的转换称为数模转换,或称为D/A(Digital to Analog)转换 把实现D/A转换的电路称为D/A转换器( Digital Analog Converter DAC) 模拟信号到数字信号的转换称为模数转换,或称为A/D(Analog to Digital) 把实现A/D转换的电路称为A/D转换器(Analog Digital Converter ADC) D/A转换器和A/D转换器是连接数字世界和模拟世界的桥梁,在现代信息技术中具有举足轻重的作用。,典型应用系统,概论,模拟信号的特点:时间连续,幅值连续。 数字信号的特点:时间离散,幅值离散。 要把模
2、拟量转化为数字量一般要经过四个步骤,分别称为采样、保持、量化、编码。,A/D转换的过程,A/D转换的过程,采样保持,连续时间信号,离散时间信号,采样定理:为了不失真地恢复原始信号,采样频率至少应是原始信号最高有效频率的两倍。,采样定理,A/D转换的过程,量化编码,并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 双积分型A/D转换器 -型A/D转换器,A/D转换器的类型,A/D转换器-并行比较型,并行比较型:,尺子,物体,同时与各个刻度比较,A/D转换器-并行比较型,并行比较型: 用电阻分压形成7个标准电压。 模拟比较强进行 优点:速度快 缺点:电路规模大,成本高,A/D转换器-逐次逼近型,1.
3、工作原理,逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程。,1.电路原理框图,由倒T形电阻网络DAC、比较器、SAR三部分组成。,A/D转换器-逐次逼近型,2.工作原理,5V,3.4V,1,2,3,4,1 0 0 0,1 1 0 0,1 0 1 0,1 0 1 1,2.5V,3.75V,3.125V,3.4375V,vIvO,vIvO,vIvO,vIvO,(D3)1保留,(D2)1不保留,(D1)1保留,(D0)1不保留,转换时间,A/D转换器-逐次逼近型,双积分型A/D转换器属于间接A/D转换器。将模拟量转换 为数字量分两步进行。,第一步:将电压转化为时间T,使T与输入电压成正比;,第二步:
4、将时间T转化为数字量,使数字量与T成正比,1.基本原理,A/D转换器-双积分型,开关S1合到vI一侧,开关S1接到VREF一侧,T1为常数,T2与vI成正比,固定时间积分,到时结束,固定斜率积分,过零 结束,第一步:将电压转化为时间T,使T与输入电压成正比,A/D转换器-双积分型,第二步:将时间T2转化为数字量,使数字量与T2成正比,A/D转换器-双积分型,双积分型A / D转换器,双积分型A / D转换器原理图,1.VS=0: S0闭合,C放电; 计数器清零 2.VS=1: S0断开,S1指向VI,开始第一次积分 3.计数器计数满2n个脉冲,S1指向VREF,开始第二次积分,4.过零结束,计
5、数器值即为数字值。,A/D转换器-型,A/D转换器-型,- A/D转换器原理说明UI=0V,输入为oV时,0和1的个数相等,输入为oV时,斜率相等,- A/D转换器原理说明UI=1/4UR,输入为1/4UR时,1的个数比0的个数多,输入为1/4UR时,斜率不等,二阶- A/D转换器,- A/D转换器的特点,1.转换精度高:由先进的原理保证。 2.转换速度低:过采样-调制实现A/D转换,牺牲速度换取精度。 3.由于采用过采样-调制,所以ADC前端不需要加抗混迭滤波器。,- ADC芯片举例ADS1210,ADS1211比ADS1210增加了多路转换开关,ADS1210/1211的主要指标,1.有效
6、分辨率:10Hz时24位,1kHz时20位(加速模式) 2.数据输出速度:最高15.6kHz 3.PGA增益:1,2,4,8,16 4.参考电压输出:2.5V,25ppm/C 5.偏置电压输出:3.3V。 6.时钟频率:最高10MHz 7.电源:5V,分辨率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度,通常以数字信号的位数来表 转换速率(Conversion Rate) 指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。 积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD 逐次比较型AD是微秒级属中速AD 并行/串并行型AD可达到纳秒级。
7、,A/D转换器的参数,量化误差 (Quantizing Error) 偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值。 满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。 线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移,不包括以上三种误差。,A/D转换器的参数,基准电压 数字信号接口特性 串行 or 并行 模拟信号接口特性 差分输入 or 单端输入 单极性 or双极性,A/D转换器的参数,12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。 18个通道,可测量16个外部和2个内部信号源。 各通道的A/D转换可以
8、单次、连续、扫描或间断模式执行。 ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。 模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。 ADC的输入时钟不得超过14MHz,它是由PCLK2经分频产生。,STM32 ADC,测量精度和可靠性是仪器的重要指标,引入数据处理算法后,使许多原来靠硬件电路难以实现的信号处理问题得以解决,从而克服和弥补了包括传感器在内的各个测量环节中硬件本身的缺陷或弱点,提高了仪器的综合性能。,基本数据处理算法,克服随机误差的数字滤波算法 消除系统误差的算法、非线性校正 工程测量的标度变换 诸如频谱估计、相关分析、复杂滤波等算法(阅读数字信号
9、处理方面的文献),基本数据处理算法,随机误差:由串入仪表的随机干扰、仪器内部器件噪声和A/D噪声等引起的,在相同条件下测量同一量时,随机误差的大小和符号做无规则变化而无法预测,但多次测量就会发现,绝对值相同的正负随机误差出现的概率大致相等,因此它们之间常能互相抵消。 数字滤波器的优点: 数字滤波器只是一个计算过程,无需硬件,因此可靠性高,并且不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题。 只要适当改变数字滤波程序的相关参数,就能方便的改变滤波器的特性,因此数字滤波器使用时方便灵活。,克服随机误差的数字滤波算法,克服大脉冲干扰的数字滤波法 克服由仪器外部环节偶然因素引起的突变性扰动或仪器内部不稳定引
10、起误码等造成的尖脉冲干扰。 抑制小幅度高频噪声的平均滤波法 小幅度高频电子噪声:电子器件热噪声、A/D量化噪声,常用的数字滤波算法,算术平均滤波法 连续取N个采样值进行算术平均运算 N值较大时:信号平滑度较高,但灵敏度较低 N值较小时:信号平滑度较低,但灵敏度较高 N值的选取:一般流量,N=12;压力:N=4 优点:适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波 缺点:对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用 比较浪费RAM,抑制小幅度高频噪声的平均滤波法,递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法) 把连续取N个采样值看成一个队列 队列的长度固定为N 每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队
11、首的一次数据.(先进先出原则) 把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果 N值的选取:流量,N=12;压力:N=4;液面,N=412;温度,N=14 优点:对周期性干扰有良好的抑制作用,平滑度高 缺点:灵敏度低 对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差,抑制小幅度高频噪声的平均滤波法,限幅滤波法 根据经验判断,确定两次采样允许的最大偏差值(设为a) 每次检测到新值时判断: 如果本次值与上次值之差a则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值 优点:能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰 缺点:无法抑制那种周期性的干扰 平滑度差,克服大脉冲干扰的数字滤波法,中值滤波法 连续采样N次(N取
12、奇数),把N次采样值按大小排列 ,取中间值为本次有效值 非线性滤波器、运算简单、滤除脉冲噪声的同时可以很好地保护信号的细节信息。 适用于温度、液位等缓慢变化的被测参数 不适用于速度、流量等快速变化的参数,克服大脉冲干扰的数字滤波法,加权递推平均滤波法 是对递推平均滤波法的改进,即不同时刻的数据加以不同的权 通常是,越接近现时刻的数据,权取得越大。 给予新采样值的权系数越大,则灵敏度越高,但信号平滑度越低 优点:适用于有较大纯滞后时间常数的对象 和采样周期较短的系统 缺点:对于纯滞后时间常数较小,采样周期较长,变化缓慢的信号不能迅速反应,混合滤波法:,消抖滤波法 设置一个滤波计数器 将每次采样值
13、与当前有效值比较: 如果采样值当前有效值,则计数器清零 如果采样值当前有效值,则计数器+1,并判断计数器是否=上限N(溢出) 如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器 优点:对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果, 可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动 缺点:对于快速变化的参数不宜 如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导 入系统,混合滤波法:,一阶滞后滤波法 取a=01 本次滤波结果=(1-a)*本次采样值+a*上次滤波结果 优点:对周期性干扰具有良好的抑制作用 适用于波动频率较高的场合 缺点:相位滞后,灵敏度低 滞后程度取决于a值大小 不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号,混合滤波法:,中位值平均滤波法 限幅平均滤波法 限幅消抖滤波法,混合滤波法:,分辨率(Resolution) 转换速率(Conversion Rate) 量化误差 (Quantizing Error) 偏移误差(Offset Error) 满刻度误差(Full Scale Error) 线性度(Linearity),D/A转换,-300V0V或0300V电压检测,温度检测电路铂电阻,
限制150内