数据采集电路设计

Answer 1

  将模拟信号转换成数字信号的电路，称为 模数转换器 ，简称A/D转换器或ADC（Analog to Digital Converter），A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。

  A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的

   A/D转换器所能转换模拟信号的电压范围 。

  A/D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。

  设A/D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，按照定义计算可得转换器的分辨率为

  例如，一个满量程电压为10V的12位A/D转换器，能够分辨模拟输入电压变化的最小值为

  A/D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。因此，目前一般都简单地用A/D转换器的位数n来简介代表分辨率。

  绝对精度是指转换器对应输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。

  存在的问题：在A/D转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码。

  相对精度是绝对精度与满量程电压值之比的包分数。

  转换时间是指，按照规定的精度将模拟输入信号转换为数字信号并输出所需要的时间。

  转换速率是指，每秒转换的次数。

  使最低有效位成“1”状时，实际输入电压与理论输入电压之差。这一差值电压称作偏移电压。一般以满量程电压值的百分数表示。
  该误差主要是失调电压与温漂造成的。

  满量程输出数码时，实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。

  逐次逼近式A/D转换器的工作原理如图所示。

  假设逐次逼近寄存器SAR是8位的，基准电压是10.24V，模拟输入电压为8.3V，转换成二进制数码，工作过程如下：

  双斜积分式A/D转换器是一种间接比较型A/D转换器，它主要由积分器、电压比较器、计数器、时钟发生器和控制逻辑等部分组成。首先利用两次积分将输入的模拟电压转换成脉冲宽度，然后再以数字测时的方法，将次脉冲宽度转换成数码输出。

（1）预备阶段
  开始工作前，控制电路令开关K4和开关K5闭合，使电容C放掉电荷，积分器输出为零，同时使计数器复零。

（2）采样阶段
   控制电路将开关K1接通，模拟信号Ui接入A/D电路，被积分器积分，同时打开控制门，让计数器计数。当被采样信号电压为直流电压或变化缓慢的电压时，积分器将输出一斜变电压，其方向取决于Ui的极性，这里Ui为负，则积分器输出波形时向上斜变的。
   其方向取决于Ui的极性，这里Ui为负，则积分器输出波形时向上斜变的。如下图所示。经过一个固定时间t1后，计数器达到其满量限N1值，计数器复零而送出一个溢出脉冲。此溢出脉冲式控制电路发出信号，将K2接通，接入基准电压+UREF（若Ui为正，则接通K3），至此采样阶段结束。

（3）编码阶段
   当开关K2接通（模拟开关总是接向与Ui极性相反的基准电压），+UREF接入电路，积分器向相反方向积分，即积分器输出由原来的Uox值向零电平方向斜变，斜率恒定。如图所示，与此同时，计数器又从零开始计数。当积分器输出电平为零时，比较器有信号输出，控制电路收到比较器信号后发出关门信号，积分器停止积分，计数器停止计数，并发出记忆指令，将此阶段计得数字N2记忆下来并输出。这一阶段被积分的电压时固定的基准电压UREF，所以积分器输出电压的斜率不变，与所计数字N2对应的t2称为反向积分时间。这个阶段常称定值积分阶段，定值积分结束时得到数字N2便是转换结果。