項(xiàng)目8 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)與制作

項(xiàng)目8數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)與制作8.1項(xiàng)目描述本項(xiàng)目制作的數(shù)字電壓表電路主要由A／D轉(zhuǎn)換器、鎖存/七段譯碼驅(qū)動(dòng)器、發(fā)光數(shù)碼管等組成。項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有D／A、A／D轉(zhuǎn)換等。技能訓(xùn)練有D／A、A／D轉(zhuǎn)換器的功能測(cè)試。

項(xiàng)目要求用集成A/D轉(zhuǎn)換器MC14433制作數(shù)字電壓表。要求兩檔直流電壓測(cè)量量程0~1.999V，0~199.9mV，位數(shù)字顯示。8.2項(xiàng)目資訊A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制不可缺少的重要組成部分，它還廣泛應(yīng)用于數(shù)字測(cè)量、數(shù)字通信等領(lǐng)域。為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？

感官和器件接觸和接收的是模擬信號(hào)，在存儲(chǔ)、傳送中使用的是數(shù)字信號(hào)。數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。

實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-Analog

Converter，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。

實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Analog-DigitalConverter，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。利用D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)檢測(cè)電路模擬電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字電路或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換喇叭、顯示器等聲音、圖像等模擬信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)輸出模擬電壓

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020)△

可見(jiàn)，uO∝

D，uO的大小反映了數(shù)字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二進(jìn)制數(shù)輸入模擬電壓輸出8.2.1D/A轉(zhuǎn)換器LSB—LeastSignificantBit輸入數(shù)字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020

△是DAC能輸出的最小電壓值，稱為DAC的單位量化電壓，它等于D

最低位(LSB)為1、其余各位均為0時(shí)的模擬輸出電壓(用ULSB

表示)。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR1.電路組成與轉(zhuǎn)換原理R-2R

倒

T形電阻網(wǎng)絡(luò)

DAC由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡(jiǎn)稱I/U

轉(zhuǎn)換電路)組成。模擬開(kāi)關(guān)Si

打向“1”側(cè)時(shí)，相應(yīng)2R

支路接虛地；打向“0”側(cè)時(shí)，相應(yīng)2R

支路接地。故無(wú)論開(kāi)關(guān)打向哪一側(cè)，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從A、B、C節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為2R。因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2

=I32=22

()，I24=I4I1

=I22=21

()，I24=I8I0

=I12=20

()I24=I16可見(jiàn)，支路電流值Ii

正好代表了二進(jìn)制數(shù)位Di

的權(quán)值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

模擬開(kāi)關(guān)Si

受相應(yīng)數(shù)字位Di

控制。當(dāng)Di=1

時(shí)，開(kāi)關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流Ii

輸出；Di=0時(shí)，開(kāi)關(guān)合向“0”側(cè)，Ii

流入地而不能輸出。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0

=-

iΣRF=-

D

I0RF=-

D

·

iΣ

=

D3I3+

D2I2+

D1I1+

D0I0

=

(

D323+

D222+

D121+

D020)

I0=

D

I0對(duì)n

位

DAC，uO=

-

D

·

若取RF=R，則uO=

-

D

·

n

位DAC將參考電壓VREF

分成2n

份，uO

是每份的D

倍。調(diào)節(jié)VREF

可調(diào)節(jié)DAC的輸出電壓。uO=

-

D

·

3.主要參數(shù)（1）分辨率DAC的最小輸出電壓變化量，也即DAC的最小輸出電壓值

表示滿度輸出電壓值，F(xiàn)SR即FullScaleRange指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。UFSR=uO|D=111=(2n–1)ULSBn位均為1例如，一個(gè)10位的DAC，分辨率為0.000978。DAC的位數(shù)越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用DAC的位數(shù)外，還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間指DAC在輸入數(shù)字信號(hào)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，到輸出的模擬信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度就越高。（2）轉(zhuǎn)換精度指DAC實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅與DAC中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。通常要求DAC的誤差小于ULSB/2。主要要求：了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理。了解A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。了解常用A/D轉(zhuǎn)換器。8.2.2A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器可將輸入的模擬電壓量轉(zhuǎn)換成與輸入量成正比的數(shù)字量。由于輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程為：采樣、保持、量化和編碼4個(gè)步驟。

模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)采樣保持量化編碼8.2.2A/D轉(zhuǎn)換器1.A/D轉(zhuǎn)換原理

“[]”表示取整。

基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號(hào)n

位二進(jìn)制數(shù)輸出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0可見(jiàn)，輸出數(shù)字量D

正比于輸入模擬量uI?！鞣Q為ADC的單位量化電壓或量化單位，它是ADC的最小分辨電壓。采樣：把時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。

保持：保持采樣信號(hào)，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

量化：把采樣保持電路的輸出信號(hào)用單位量化電壓的

整數(shù)倍表示。

編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量采樣信號(hào)是否會(huì)丟失原信號(hào)的信息呢？對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化會(huì)引起誤差嗎？量化誤差大小與ADC的位數(shù)、基準(zhǔn)電壓VREF

和量化方法有關(guān)。

采樣定理：當(dāng)采樣頻率不小于輸入模擬信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍時(shí)，采樣信號(hào)可以不失真地恢復(fù)為原模擬信號(hào)。fs≥2fimax

量化誤差：因模擬電壓不一定能被ULSB

整除，量化時(shí)舍去余數(shù)而引起的誤差。

劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差==(1/8)V最大量化誤差

=/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V2.A/D轉(zhuǎn)換器的分類、特點(diǎn)及應(yīng)用

常用ADC主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。A/D轉(zhuǎn)換器的分類、特點(diǎn)及應(yīng)用分類特點(diǎn)應(yīng)用并行比較型速度最快，但設(shè)備成本較高，精度也不易做高數(shù)字通信技術(shù)和高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)逐次逼近型工作速度中等，精度也較高，成本較低中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)積分型精度可以做得很高，抗干擾性能很強(qiáng)，速度很慢數(shù)字儀表（數(shù)字萬(wàn)用表、高精度電壓表）和低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)指ADC實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來(lái)表示。3.主要參數(shù)（2）相對(duì)精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差)指ADC輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。

（1）分辨率例如最大輸出電壓為5V的8位ADC的分辨率為：

5V/28=19.6mA分辨率也可用ADC的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。例如轉(zhuǎn)換誤差不大于1/2LSB，即說(shuō)明實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大誤差不超過(guò)1/2LSB。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換速度比較：并聯(lián)比較型>逐次逼近型>雙積分型數(shù)十ns數(shù)十s

數(shù)十ms指ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從轉(zhuǎn)換開(kāi)始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度越高。D/A

轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比的模擬電量。R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC所需電阻種類少，轉(zhuǎn)換速度快，性能好，便于集成，因而被廣泛采用，但轉(zhuǎn)換精度較低。權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。A/D轉(zhuǎn)換是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的數(shù)字量。常用ADC主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型ADC屬于直接轉(zhuǎn)換型，其轉(zhuǎn)換速度最快，但價(jià)格貴；雙積分型ADC屬于間接轉(zhuǎn)換型，其速度慢，但精度高、抗干擾能力強(qiáng)；逐次逼近型也屬于直接轉(zhuǎn)換型，其速度較快、精度較高、價(jià)格適中，因而被廣泛采用。項(xiàng)目總結(jié)A/D轉(zhuǎn)換要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化與編碼這4個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。采樣-保持電路對(duì)輸入模擬信號(hào)抽取樣值，并展寬(保持)；量化是對(duì)樣值脈沖進(jìn)行分級(jí)，編碼是將分級(jí)后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼。在對(duì)