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第十一章 類比 / 數位轉換器
Analog To Digital Converter (ADC)
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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 ) )
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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 ) )
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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
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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 ) )
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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
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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。
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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
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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 。
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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
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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
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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 ) )
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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
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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
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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
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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 ) )
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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
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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
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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
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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 ) )
內容大綱 ( 我們在哪裡 ?)
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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
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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。
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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
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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 ))
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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
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+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
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PA4
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PA6
PA7
PB0
PB1
PB2
PB3
PB4
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PB6
PB7
PC0
PC1
PC2
PC3
PC4
PC5
PC6
PC7
8255_1
4
3
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1
40
39
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37
18
19
20
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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 ))
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PA0
PA1
PA2
PA3
PA4
PA5
PA6
PA7
PB0
PB1
PB2
PB3
PB4
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PC1
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PC3
PC4
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PC6
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8255_2
4
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40
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D0
D1
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D5
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29
30
31
32
33
34
RD
WR
A0
A1
REST
CS
5
36
9
8
35
6
+5V
200
200
200
200
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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
著作權所有 著作權所有 © 2004© 2004 王國禎、余文俊王國禎、余文俊2929
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 ))
•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
著作權所有 著作權所有 © 2004© 2004 王國禎、余文俊王國禎、余文俊3030
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 ))
(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。
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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 ))
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。