第十一章類比 / 數位轉換器

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第十一章類比 / 數位轉換器

Analog To Digital Converter (ADC)


內容大綱類比類比 //數位轉換原理數位轉換原理類比類比 //數位轉換之種類數位轉換之種類回饋型回饋型 ADCADC 、雙斜率型、雙斜率型 ADCADC 、並聯型、並聯型 ADCADC 、、電壓電壓

轉頻率型轉頻率型 ADCADC

ADCADC 使用之注意事項使用之注意事項類比類比 //數位轉換數位轉換器器 ADC0804ADC0804 輸出碼輸出碼類比類比 //數位轉換數位轉換器器 ADC0804ADC0804 功能功能感測整合實驗感測整合實驗 (ADC(ADC 實驗實驗 ) )


內容大綱 ( 我們在哪裡 ?)

類比類比 // 數位轉換原理數位轉換原理類比類比 // 數位轉換之種類數位轉換之種類

回饋型回饋型 ADC ADC 、雙斜率型、雙斜率型 ADCADC 、並聯型、並聯型 ADC ADC 、電壓轉、電壓轉頻率型頻率型 ADCADC

ADCADC 使用之注意事項使用之注意事項類比類比 // 數位轉換器數位轉換器 ADC0804ADC0804 輸出碼輸出碼類比類比 // 數位轉換器數位轉換器 ADC0804ADC0804 功能功能感測整合實驗感測整合實驗 (ADC(ADC 實驗實驗 ) )


類比 / 數位轉換原理取樣與保持：取樣與保持：將原始類比資料逐一擷取，取樣頻率越將原始類比資料逐一擷取，取樣頻率越

高則訊號越不易失真，亦即解析度越高。高則訊號越不易失真，亦即解析度越高。量化：量化：量化的目的則是將取樣所獲得的資料以『量化的目的則是將取樣所獲得的資料以『 00 』與』與

『『 11 』的組合給予編碼，編碼的位元數越高則解析度越』的組合給予編碼，編碼的位元數越高則解析度越高，轉換信號越接近實際之類比信號。高，轉換信號越接近實際之類比信號。

類比∕數位轉換過程

數值

時間時間類比訊號取樣與保存

時間量化數位訊號

VDVI

11111110 ....01110110 .... ....00010000

0100

0101

0110

1000

1001

1011

1001

0110







類比 / 數位轉換之種類回饋型回饋型 ADCADC

將取樣後的訊號將取樣後的訊號 VVII 以差動比較器產生正負變化的訊號。以差動比較器產生正負變化的訊號。以計數器將此正負變化的訊號記錄並輸出。以計數器將此正負變化的訊號記錄並輸出。輸出的數位訊號，利用輸出的數位訊號，利用 DACDAC 轉換成類比訊號，與下一筆類比訊轉換成類比訊號，與下一筆類比訊號作比較。號作比較。

當當 ADCADC 的輸出電壓的輸出電壓 VV00 與類比輸入電壓與類比輸入電壓 VVII 相同時，則計數器停止相同時，則計數器停止計數。計數。

比較器/上下數計數器

/上數下數控制

DAC

123

N

類比輸入信號VI +

-

Vo

時脈信號

N位元數位輸出


類比 / 數位轉換之種類雙斜率型雙斜率型 ADCADC

當時間為當時間為 00 ，控制電路將計數器預設為零。，控制電路將計數器預設為零。將欲轉換之輸入電壓將欲轉換之輸入電壓 VIVI 經開關經開關 SW1SW1 切換選擇輸入至積分器。切換選擇輸入至積分器。若輸入信號為正，則積分器輸出信號為圖若輸入信號為正，則積分器輸出信號為圖 11-411-4 所示之負斜率所示之負斜率 TT

11 。。經比較器輸出一數位信號經比較器輸出一數位信號 D0D0 為『為『 11 』，此時脈信號』，此時脈信號 fsfs 輸入至輸入至

計數器計數。計數器計數。當計數器計數到某一固定數值時，控制電路立即將積分器輸入當計數器計數到某一固定數值時，控制電路立即將積分器輸入

切換至參考輸入電壓切換至參考輸入電壓 VrefVref 並將計數器清為並將計數器清為 00 。。當輸入信號為負電壓，積分器會出現圖當輸入信號為負電壓，積分器會出現圖 11-411-4 之正斜坡之正斜坡 (T2)(T2) ，，

使積分器輸出電壓為負電壓而禁能時脈信號使積分器輸出電壓為負電壓而禁能時脈信號 fsfs 輸入至計數器計輸入至計數器計數，使計數器無法再計數。數，使計數器無法再計數。


T1 T2

f

Vc 1V

RCI斜率

VrefRCI

斜率

計數器

開鎖器控制電路

積分器

RVc

fs

Vref

SW1

__

++

VI

CI


類比 / 數位轉換之種類並聯型並聯型 ADCADC

並聯型轉換器是所有並聯型轉換器是所有 ADCADC 類型中最簡單的一種。類型中最簡單的一種。它利用一個與量測範圍相同大小的參考電壓，並串接一系它利用一個與量測範圍相同大小的參考電壓，並串接一系

列的列的 2N +12N +1 個電阻，而待測的輸入電壓值即由比較器與分個電阻，而待測的輸入電壓值即由比較器與分壓電阻所產生之壓電阻所產生之 2N2N 個分壓相比得知。個分壓相比得知。

因為每個位元值為平行處理，並聯型轉換器速度非常快，因為每個位元值為平行處理，並聯型轉換器速度非常快，可達到每秒可達到每秒 500500 萬次取樣，但是這種平行模式方法需大量萬次取樣，但是這種平行模式方法需大量的比較器。的比較器。


類比 / 數位轉換之種類並聯型並聯型 ADCADC

VI V3 V2 V1 V0 D1 D0

VI <1/8 Vref 0 0 0 0 0 0

1/8 Vref< VI <3/8 Vref 0 0 1 1 0 1

3/8 Vref <VI <5/8 Vref 0 1 1 1 1 0

5/8 Vref <VI <7/8 Vref 1 1 1 1 1 1

+

+

+

+_

_

_

_

編碼器

V3

Vref

V+3

D1

比較器

二進位輸出

D0

R

R/2

R

R

R/2

V2

V1

V0V+0

V+1

V+2

VI


類比 / 數位轉換之種類電壓轉頻率型電壓轉頻率型 ADC ADC 電壓對頻率電壓對頻率 ADCADC 乃於一固定之時間內，將輸入電壓轉換成乃於一固定之時間內，將輸入電壓轉換成

一個正比於輸入電壓大小之頻率輸出脈衝。一個正比於輸入電壓大小之頻率輸出脈衝。輸入電壓值的頻率值可依固定時間內計算其脈衝數求得。輸入電壓值的頻率值可依固定時間內計算其脈衝數求得。由於輸入信號在計數期間能有效的轉換合成，電壓轉頻率由於輸入信號在計數期間能有效的轉換合成，電壓轉頻率 AA

DCDC 具有高雜訊抑制性。具有高雜訊抑制性。此方法非常適用於雜訊多的遙測應用場合。此方法非常適用於雜訊多的遙測應用場合。

電壓頻率轉換電路

數位脈波輸出

時序電路

計數器







ADCADC 使用之注意事項使用之注意事項訊號輸入極性訊號輸入極性

單極性：輸入訊號位準範圍介於 0V 至參考電壓 Vref 之間，因此極性只有正電位。

雙極性：輸入訊號位準範圍介於 - Vref /2 至 Vref /2 之間。

感測訊號輸入接線感測訊號輸入接線單點接：所有訊號源使用相同的參考電壓 AGND ，因此雜訊干擾的情形相當嚴重。差動模式：當傳輸距離較遠、訊號較弱、亦或需要抑制雜訊之產生，此類接法可以避免電線雜訊的的影響。

Vo

+_

AGND

AI

Vo

+_

AGND

AI High

AI Low


ADCADC 使用之注意事項使用之注意事項訊號解析度

•若感測器輸出訊號為單極性 0V 至 10V•ADC 部份的解析度為 10 bits•能夠輸入的最大電位差為 10V•則最小能解析的訊號為：

解析度min= /輸入電壓範圍 2位元數

1010V/2 9.76mV

時間 (μ s)

振幅

(V)

10 bits

16 bits


ADCADC 使用之注意事項使用之注意事項精確度 •假設每一個獨立的誤差值為 σi

•誤差值總和為： 2ii 總和

輸出

76

45

321

0

增益誤差

輸出

(b)類比輸入電壓

1082 4 6

76

45

321

0

線性誤差

輸出

(c)類比輸入電壓

1082 4 6

76

45

321

0

/理想輸出入

(a)類比輸入電壓

1082 4 6

76

45

321

0

缺失碼

(d)類比輸入電壓

1082 4 6

輸出

76

45

321

0

漂移誤差

輸出

(e)類比輸入電壓

1082 4 6

線性度缺失碼







類比類比 // 數位轉換器數位轉換器 ADC0804ADC0804 輸出碼輸出碼 ADC0804ADC0804 輸出碼種類輸出碼種類• 單極性二進位碼• 單極性 BCD 碼• 偏移二進位碼• 1 的補數• 2 的補數數值 10 伏特

滿刻度二進碼互補式二進碼

反相式二進碼

反向互補二進碼

+FS+FS-1LSB

+1/2FS+1LSB

1.09.95.00.1

100110010101000000000001

011001101010111111111110

ZERO 0.0000 00000000 11111111 00000000 11111111

-1LSB-1/2FS

-FS+1LSB

-0.1-5.0-9.9

000000010101000010011001

111111101010111101100110

單極性 BCD碼


類比類比 // 數位轉換器數位轉換器 ADC0804ADC0804 輸出碼輸出碼 ADC0804ADC0804 輸出碼種類輸出碼種類

數值 5 伏特滿刻度二進碼互補式

二進碼反相式二進碼

反向互補二進碼

+FS+FS-1LSB

+1/2FS1/2FS-1LSB

+1LSB

5.04.9805

2.52.48050.0195

11111111100000000111111100000001

00000000011111111000000011111110

ZERO 0.0000 00000000 11111111 00000000 11111111

-1LSB-1/2FS+1LSB

-1/2FS-FS+1LSB

-FS

-0.0195-2.4805

-2.5-4.9805

-5.0

00000001011111111000000011111111

11111110100000000111111100000000

單極性二進位碼


類比類比 // 數位轉換器數位轉換器 ADC0804ADC0804 輸出碼輸出碼 ADC0804ADC0804 輸出碼種類輸出碼種類

數值 10 伏特滿刻度

偏移二進碼

偏移補償二進碼

2 的補數

+FS+FS-1LSB

+1LSB

5.04.96090.0391

1111111110000001

0000000001111110

0111111100000001

ZERO 0.0000 10000000 01111111 00000000

-1LSB-FS+1LSB

-FS

-0.0391-4.9609

-5.0

011111110000000100000000

100000001111111011111111

111111101000000110000000

雙極性二進碼







類比類比 // 數位轉換器數位轉換器 ADC0804ADC0804 功能功能• 解析度為 8 位元 (1/256)

• 轉換時間為 100(=640KHz 時 )

• 轉換誤差為 1LSB

• 類比輸入電壓範圍為 0~+5V

• 參考電壓為 +5V ，即 Vref =2.5V

• 工作電壓為 +5V ，即 Vcc=+5V

• 輸出為三態結構• 差動式輸入• 內藏式脈波產生器• 可與 TTL 與 MOS IC 直接匹配

1

12

13

14

15

16

17

18

19

20

10

9

8

7

6

5

4

3

2

CS

DB2

D GND

A GND

VIN-

VIN+

INTR

CLK IN

WR

RD

DB1

DB0(LSB)

CLK R

DB6

DB5

DB4

DB3

DB7(MSB)

VCC(or VREE)

VREE/2

11


類比類比 // 數位轉換器數位轉換器 ADC0804ADC0804 功能功能接腳 DB0~DB7 Vcc Vref/2 CSCS DGND AGND WRWR RDRD INTR

功能數位輸出接腳 +5V

空接時Vcc=Vref

晶片選取信號

數位信號接地

類比信號接地

開始轉換信號

讀取信號

中斷請求信號

CS ：須與 RD 與 WR 配合。低電位時， ADC0804 方可進行 A/D 轉換及數位資料讀取。WR ：當 CS 及 WR 同時為 0 時， ADC0804 將被重置， INTR 將被定為「 1 」；而當 CS = 「 0 」， WR 信號為上升緣時，將啟動 ADC0804 ，使其開始進行 A/D轉換。RD ：當 CS 及 RD 同時為「 0 」時，轉換器之資料可透過 DB0~DB7 送出，當 CS = 「 0 」， RD 信號為上升緣時， INTR 信號將被設定為「 1 」。INTR ：當 WR 啟動轉換工作時， INTR 信號將被設定為「 1 」。 WR 信號上升緣時，而當 ADC0804 完成轉換工作後， INTR 會被設定為「 0 」，以通知 CPU讀取資料，直到資料讀取時， RD 信號上緣時， INTR 將被設定為「 1 」。我們可將此信號線接至 CPU 之中斷信號端，以提出中斷請求。


應用電路

類比類比 // 數位轉換器數位轉換器 ADC0804ADC0804 功能功能

18

微處理機

資料匯流排

控制及位地匯流排

16

17

11

12

13

14

15

DB7

DB6

DB5DB4

DB3DB2DB1DB0

1

5

2

3

解碼器

OP1

WR

RD

+5V

6

4

19 CLKR

CLK

INTR

20

7

8

10

9

Vcc

ADC0804

GND

AGND

CS

+-

V1+

VREE/2

V1-

VI

ZD1 ZD2

45歐姆





ADCADC 使用之注意事項使用之注意事項類比類比 // 數位轉換器數位轉換器 ADC0804ADC0804 輸出碼輸出碼類比類比 // 數位轉換器數位轉換器 ADC0804ADC0804 功能功能感測整合實驗感測整合實驗 (ADC(ADC 實驗實驗 ))


實驗設備感測整合實驗感測整合實驗 (ADC(ADC 實驗實驗 ))

硬體設備：1. AD590 溫度感測器一個2. UA741 和 ADC0804 電晶體各一個3. 電阻 910Ω 一個、 2kΩ 兩個、 10kΩ 三個、 200Ω 四個4. 電容 10μF 一個、 150pF 一個5. 電源供應器 5V 和 ±12V6.LED 三個7. 開關一個8.8255 平行埠擴充卡一張9. 第二、三腳位跳線的 RS232 傳輸線使用軟體： BCB 5.0

WinDriver


+5V

910

500

2K

10K

+

-

-12V

UA741

10K

4 1

52

3

+12V

2K

67

VI +6 DB0

DB1

DB3

DB2

DB4

DB5

DB6

DB7

CS

RD

WR

INTR

VI -

CLKR

CLK

VREF

AGND

ADC0804

+5V

20

7

19

4

9

8

PA0

PA1

PA2

PA3

PA4

PA5

PA6

PA7

PB0

PB1

PB2

PB3

PB4

PB5

PB6

PB7

PC0

PC1

PC2

PC3

PC4

PC5

PC6

PC7

8255_1

4

3

2

1

40

39

38

37

18

19

20

21

22

23

24

25

14

15

16

17

18

12

11

10

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D727

28

29

30

31

32

33

34

RD

WR

A0

A1

REST

CS

5

36

9

8

35

6

+150pF150μ F

10K

AD 590+

-浮接

感測整合實驗感測整合實驗 (ADC(ADC 實驗實驗 ))


PA0

PA1

PA2

PA3

PA4

PA5

PA6

PA7

PB0

PB1

PB2

PB3

PB4

PB5

PB6

PB7

PC0

PC1

PC2

PC3

PC4

PC5

PC6

PC7

8255_2

4

3

2

1

40

39

38

37

18

19

20

21

22

23

24

25

14

15

16

17

18

12

11

10

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D727

28

29

30

31

32

33

34

RD

WR

A0

A1

REST

CS

5

36

9

8

35

6

+5V

200

200

200

200


程式畫面與操作方法感測整合實驗感測整合實驗 (ADC(ADC 實驗實驗 ))

•先將監控端的程式開啟•並選擇所使用的串列埠•按下開啟串列埠，開始執行程式



•開啟控制端的程式

•按下通訊埠開啟，使監控端可以獲得動資訊，也可同時控制硬體設備



(a) 按下感測器致能，溫度感測器 AD590 經過 ADC0804 轉換成的數位資料開始傳入電腦，並顯示目前溫度。按下中斷，則停止接收訊號，顯示動作亦停止。

(b) 按下一個燈亮、兩個燈亮、三個燈亮， LED 會照所給的指令動作，並在螢幕上顯示出亮暗狀況 ( 綠→亮，紅→暗 ) 。

(c) 按下 SW 的控制，當開關作動時，螢幕上會顯示不同顏色 ( 紅→ off ，綠→ on) 。

(d) 按下程式結束，將程式關閉。



和上述動作相對照，在監控端我們也可以得到相同操作結果和顯示狀態。

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第十一章 類比 / 數位轉換器

第十一章類比 / 數位轉換器