第八章 数据采集及语音处理技术

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第 19 次课 2 学时

上次课复习：DC/DC电源变换器 本次课题（或教材章节题目）：第十章 数据采集系统 第一节 数据采集系统的设计方法 教学要求： 掌握数据采集信号的基本构成、了解常用A/D转换器主要类型，掌握A/D转换器的选择方法 重 点： A/D转换器的选择方法 难 点： A/D转换器位数的确定 教学手段及教具：讲授 讲授内容及时间分配： 1. 数据采集系统的设计方法： 45分钟 2. A/D转换器的选择方法： 45分钟 课后作业 课后习题第4题 1. 沙占友等编著. 数字化测量技术，机械工业出版社，2009.3 参考资料 2. 沙占友等著. 单片机外围电路设计（第2版），电子工业出版社，2006.6.6. 3. 沙占友. 单片开关电源最新应用技术，机械工业出版社，2003.1 注：本页为每次课教案首页

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第八章 数据采集及语音处理技术

第一节 数据采集统的设计方法

一、 基本教学内容：

1、数据采集系统的设计方法

（1）. 数据采集系统的基本构成

数据采集系统的基本构成如图8-1-1所示。主要包括多路模拟开关、信号调理器和

图8-1-1 数据采集系统的基本构成

A/D转换器这三大部分。信号调理器一般是通过可编程增益放大器（PGA）、自动补偿或校准电路对模拟信号进行调理，使之能满足A/D转换器对输入电压的要求。新型A/D转换器一般都包含采样/保持器（部分A/D转换器中无采样/保持器）、量化器和编码器。图8-1-1中A点为模拟信号，B点为幅度连续但在时间上离散的信号（亦称离散时间信号或序列），C点为幅度和时间均被离散化的信号，经过编码器即可输出数字信号。 多路模拟开关亦称多路转换器（Multiplexer，MUX），其作用是按规定顺序依次从多路模拟输入信号中选择其中一路送至A/D转换器进行模/数转换。

A/D转换器件的主要作用是实现量化和编码。量化就是模拟信号先经过在时间轴上抽样后获得取样电平值，再用一个预定精度的数值来近似表示的过程。

（2）. A/D转换的主要类型

目前，A/D转换器集成电路的开发应用技术受到了人们的普遍关注，国内外许多半导体公司相继推出一批各具特色的A/D转换芯片。其设计目标是通过单片IC将模拟输入信号转换成脉冲形式的数字输出信号。从电路结构上看，目前实现A/D转换的主要类型有闪烁式、积分式、逐次逼近式、∑-△式和流水线式。 2．A/D转换器的选择方法及接口示例

A/D转换器的生产厂家一般都提供产品数据手册，包含主要性能指标（静态特性、动态特性、接口特性等）、基本原理及典型用法，这是选择A/D转换器的原始依据。为正确使用厂家提供的原始资料，充分发掘器件的潜力，在选择适合特定应用场合的A/D转换器、确保A/D转换精度时，需要注意下述问题。

（1）. A/D转换器位数的选择

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A/D转换器位数的确定，首先应考虑整个测试系统需要测量的范围和精度。一般讲，A/D转换器的位数至少应比总精度所要求的最低分辨率高一位，以便与系统中其他单元（如传感器、信号预处理电路、伺服机构）的精度相适应。

（2）. A/D转换时间的选择

转换时间也是A/D转换器的一项主要指标，它限定了系统信号带宽的上限值，也限定了系统的转换速率。

（3）. A/D转换器输出接口的选择

A/D转换器的输出接口分并行接口、串行接口两大类。

（4）. A/D转换器类型的选择

采用不同原理制成的A/D转换器，其转换速率（次/s）也不尽相同，一般讲，积分式、电荷平衡式和跟踪比较式A/D转换器的转换速率较慢。逐次比较式A/D转换器的转换时间为几至几十微秒，属于中速ADC，适用于工业多通道单片机控制系统。而采用CMOS工艺的全并行、串并行及电压转移函数式的A/D转换器的速率最快，转换时间仅几十纳秒，常用于数字通信、实时光谱分析、视频数字转换及雷达系统中。

5. A/D转换器与单片机的接口示例

现以ADC0809 A/D转换器为例来介绍并行接口的A/D转换器与8051单片机的接口方法，其接口电路如图8-1-7所示。

图8-1-7 A/D转换器与8051单片机的接口电路

其电路工作过程为：首先输入3位地址，通过使ALE为高电平，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START引脚的上升沿将逐次逼近式寄存器复位，下降沿则用来启动A/D转换。然后EOC输出信号变成低电平，表示A/D转换正在进行，直至转换结束，EOC才变为高电平，结果数据已存入锁存器，该信号可用作中断申请通知8051。8051通过使OE为高电平，打开输出三态门，将转换结果（数字量）读入8051中。 二、教学重点：

A/D转换器的选择方法

三、教学难点：

A/D转换器位数的确定；

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四、强调一点：

AD转换器是数据采集系统的“心脏”，它决定着整个系统成败。

五、归纳总结：

在选择A/D转换器八时，要同时考虑：位数、速度、接口方式、转换器类型等。

六、教学方法：

（1）以实际数据采集案例为例，说明在数据采集系统设计时，应注意的问题。 （2）比较各种A/D转换器类型，在比较中归纳总结，理解其工作原理。

（3）深入分析图8-1-7，结合单片机课程内容，给出器件各信号的处理方法，以做到举一反三。 思考题：

简述数据采集系统的基本构成。选择A/D转换器位数的方法有哪几种？

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第 20 次课 2.5 学时

上次课复习：数据采集系统的设计方法 本次课题（或教材章节题目）：第八章 数据采集系统 第二节 多路模拟开关的原理与应用 第三节 单片数据采集系统及语音处理技术 教学要求： 掌握的多路模拟开关的原理与应用 重 点： 模拟开关的工作原理 难 点：传输门的原理及模拟开关的构成 教学手段及教具：讲授 讲授内容及时间分配： 1. 多路模拟开关的原理 45分钟 2. 多路模拟开关的应用 45分钟 3. 单片数据采集系统及语音处理技术 思考题：1～3 课后作业 参考资料 1. 沙占友等编著. 数字化测量技术，机械工业出版社，2009.3 2. 王晓君等编著，MCS-51单片机原理及应用选型，电子工业出版社. 2003.11 注：本页为每次课教案首页

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