數(shù)字電子技術(shù)項(xiàng)目教程 課件 項(xiàng)目5、6 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)與制作、簡(jiǎn)易數(shù)顯式電容計(jì)的設(shè)計(jì)與制作

任務(wù)5.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A轉(zhuǎn)換器)

任務(wù)5.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)

任務(wù)5.3半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

任務(wù)5.4數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

任務(wù)5.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A轉(zhuǎn)換器)5.1.1概述數(shù)/模轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電量(電流或電壓)的轉(zhuǎn)換電路,也稱D/A轉(zhuǎn)換器,簡(jiǎn)稱DAC。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器則是將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,也稱A/D轉(zhuǎn)換器,簡(jiǎn)稱ADC。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的接口電路。無(wú)論是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制,還是辦公室文書文檔的管理、企業(yè)管理,乃至通信、生物工程、醫(yī)療、家用電器等各方面,大量的處理都是借助于數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)完成的。計(jì)算機(jī)只能接收和處理數(shù)字信號(hào),也只能輸出數(shù)字信號(hào),而上述工作中要處理的很多都是模擬量。在用計(jì)算機(jī)處理之前,必須把這些模擬量(如工業(yè)過(guò)程中的溫度、壓力、流量,或通信系統(tǒng)中的語(yǔ)言、圖像、文字等物理量)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,才能進(jìn)行處理;而計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量也必須再還原成相應(yīng)的模擬量,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬系統(tǒng)的控制。數(shù)字音像信號(hào)如果不還原成模擬音像信號(hào)就不能被人們的視覺和聽覺系統(tǒng)所接收。因此,數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電子技術(shù)中的重要組成部分。D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多,常用的有倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。5.1.2R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路結(jié)構(gòu)圖51所示為一個(gè)4位的R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖。它主要由電阻網(wǎng)絡(luò)、電子模擬開關(guān)和求和運(yùn)算放大器三部分組成。R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路的核心是求和運(yùn)算放大器,求和運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)電流電壓變換器,將流過(guò)各2R支路的電流相加,并轉(zhuǎn)換成與輸入數(shù)字量成正比的模擬電壓輸出。2.工作原理在R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路中,各位電子模擬開關(guān)S在輸入的數(shù)字量D=1時(shí),合向位置1,將相應(yīng)的2R支路連接到求和運(yùn)算放大器的虛地端;在D=0時(shí),合向位置0,將相應(yīng)的2R支路連接到地。因此,各2R支路的上端都等效為接地,所以無(wú)論開關(guān)的狀態(tài)如何,各支路的電流大小不變,開關(guān)的狀態(tài)僅僅決定電流是流向求和運(yùn)算放大器的虛地端還是流向地端。由圖51還可以看出,從電路的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,故基準(zhǔn)電壓VREF輸出的電流恒為I=VREF/R,并且每經(jīng)過(guò)一個(gè)2R電阻,電流就被分流一半,因此從輸入數(shù)字信號(hào)的高位到低位,流過(guò)4個(gè)2R電阻的電流分別為I3=I/2,I2=I3/2=I/4,I1=I2/2=I/8,I0=I1/2=I/16。所以流入求和運(yùn)算放大器反相端的電流為因此反相求和運(yùn)算電路的輸出電壓為可見,輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。

推廣到n位,D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為由式(53)可看出:輸出模擬電壓uO與輸入數(shù)字量成正比,從而實(shí)現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換。由于倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中各支路的電流恒定不變,直接流入運(yùn)算放大器的反相輸入端,它們之間不存在傳輸時(shí)間差,因而提高了轉(zhuǎn)換速度,所以,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用非常廣泛。5.1.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器在R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中,各支路電流的值會(huì)受到電子開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響,不可避免會(huì)產(chǎn)生一些誤差。

如果各支路電流采用恒流源,由于電流源的電流恒定,幾乎與電子開關(guān)導(dǎo)通電阻的大小無(wú)關(guān),這樣可以提高轉(zhuǎn)換的精度。1.電路結(jié)構(gòu)圖52所示為4位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。

它由權(quán)電流恒流源、運(yùn)算放大器和電子模擬開關(guān)等組成。

電子模擬開關(guān)的狀態(tài)由外部輸入數(shù)據(jù)D控制,當(dāng)D=1時(shí),開關(guān)S合向1,恒流源連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端;當(dāng)D=0時(shí),恒流源接地。2.工作原理設(shè)電子開關(guān)S0~S3都接1,由圖52可得輸出模擬電壓uO為由式(54)可看出:輸出模擬電壓uO與輸入數(shù)字量成正比,從而實(shí)現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換。5.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1.分辨率分辨率是說(shuō)明D/A轉(zhuǎn)換器輸出最小電壓的能力。

它是指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所產(chǎn)生的最小輸出電壓ULSB(對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量?jī)H最低位為1)與最大輸出電壓UFSR(對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量各有效位全為1)之比,即其中,n表示輸入數(shù)字量的位數(shù)。

可見,分辨率與D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān),位數(shù)n越大,能夠分辨的最小輸出電壓變化量就越小,即分辨最小輸出電壓的能力也就越強(qiáng)。2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的模擬電壓值與理論輸出模擬電壓值之間的最大誤差。

顯然,這個(gè)差值越小,電路的轉(zhuǎn)換精度越高。

但轉(zhuǎn)換精度是一個(gè)綜合指標(biāo),包括零點(diǎn)誤差、增益誤差等,不僅與D/A轉(zhuǎn)換器中元件參數(shù)的精度有關(guān),還與環(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)。

故而要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果,一定要正確選用合適的D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù),同時(shí)還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。一般情況下要求D/A轉(zhuǎn)換器的誤差小于ULSB/2。3.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指D/A轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字信號(hào)開始到輸出模擬電壓或電流達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所用的時(shí)間。

它是反映D/A轉(zhuǎn)換器工作速度的指標(biāo)。

轉(zhuǎn)換時(shí)間越小,工作速度就越高。任務(wù)5.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)5.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理A/D轉(zhuǎn)換器是模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的接口電路。A/D轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間,要求輸入的模擬電壓保持不變,但在A/D轉(zhuǎn)換器中,因?yàn)檩斎氲哪M信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的,而輸出的數(shù)字信號(hào)是離散的,所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)只能在一系列選定的瞬間對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣,然后再把這些采樣值轉(zhuǎn)化為輸出的數(shù)字量,一般來(lái)說(shuō),A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程分為采樣

保持和量化與編碼兩步完成。1.采樣

保持采樣是周期性地獲取模擬信號(hào)樣值的過(guò)程,即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散、幅度上等于采樣時(shí)間內(nèi)模擬信號(hào)大小的模擬信號(hào),即將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖。

采樣電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受采樣脈沖控制的電子開關(guān),如圖53(a)所示,其工作波形如圖53(b)所示。

圖中,ui為模擬輸入信號(hào);us為采樣脈沖;uo為采樣后的輸出信號(hào)。在采樣脈沖us有效期(高電平tW期間)內(nèi),采樣開關(guān)S閉合接通,使輸出電壓等于輸入電壓,即uo=ui;在采樣脈沖us無(wú)效期(低電平Ts-tW期間)內(nèi),采樣開關(guān)S斷開,使輸出電壓等于0,即uo=0。

因此,每經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣周期,在輸出端便得到輸入信號(hào)的一個(gè)采樣值。

當(dāng)us按照一定頻率fS變化時(shí),輸入的模擬信號(hào)就被采樣為一系列的樣值脈沖。

當(dāng)然采樣頻率fS越高,在時(shí)間一定的情況下采樣到的樣值脈沖越多,因此輸出脈沖的包絡(luò)線就越接近于輸入的模擬信號(hào)。為了能不失真地恢復(fù)原模擬信號(hào),采樣頻率fS應(yīng)不小于輸入模擬信號(hào)頻譜中最高頻率f1max

的兩倍,這就是采樣定理,即A/D轉(zhuǎn)換器把采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)需要一定的時(shí)間,所以在每次采樣結(jié)束后都需要將這個(gè)斷續(xù)的脈沖信號(hào)保持一定時(shí)間以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖54(a)所示是一種常見的采樣

保持電路,它由采樣開關(guān)、保持電容和緩沖放大器組成。在圖54(a)中,利用場(chǎng)效應(yīng)管V做采樣開關(guān)。

在采樣脈沖us為高電平的tW期間,開關(guān)V接通,輸入模擬信號(hào)ui向電容C充電,由于C很小,充電很快,使電容C上的電壓uC跟隨ui變化,即在tW期間,uC=ui。

在采樣脈沖us為低電平,即Ts-tW期間,開關(guān)V斷開,因電容的漏電很小且運(yùn)算放大器的輸入阻抗又很高,所以電容C上的電壓可保持到下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)為止。

運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓跟隨器,具有緩沖作用,以減小負(fù)載對(duì)保持電容的影響。

在輸入一連串采樣脈沖后,輸出電壓uo波形如圖54(b)所示。2.量化與編碼輸入的模擬信號(hào)經(jīng)采樣

保持電路后,得到的是階梯形模擬信號(hào),它們是連續(xù)模擬信號(hào)在給定時(shí)刻上的瞬時(shí)值,但仍然不是數(shù)字信號(hào)。

必須進(jìn)一步將階梯形模擬信號(hào)的幅度等分成n級(jí),并給每級(jí)規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)電平值,然后將階梯電平分別歸并到最鄰近的基準(zhǔn)電平上。

數(shù)字量最小單位所對(duì)應(yīng)的最小量值叫作量化單位Δ。

將采樣

保持電路的輸出電壓歸化為量化單位Δ的整數(shù)倍的過(guò)程叫作量化。

用二進(jìn)制代碼來(lái)表示各個(gè)量化電平的過(guò)程,叫作編碼。

對(duì)采樣值進(jìn)行表示時(shí),使用的比特?cái)?shù)越多,表示就越精確。為了方便理解,圖55用4個(gè)電平對(duì)模擬波形進(jìn)行量化。

這里需要使用兩個(gè)比特,每個(gè)量化電平在縱軸上表示為一個(gè)2比特的編碼,每個(gè)取樣間隔都在橫軸上標(biāo)明。

使用4個(gè)量化電平(2比特)進(jìn)行量化編碼后的波形如圖55(b)所示。

圖中原始的模擬波形作為參考。

很容易看出,只用兩個(gè)比特表示采樣值時(shí),量化誤差大。圖56顯示了對(duì)相同波形使用16個(gè)量化電平(4比特)的情形。

使用16個(gè)量化電平(4比特)進(jìn)行量化編碼后的波形如圖56(b)所示。

很容易看出,與圖55(b)中僅使用4個(gè)量化電平的情況相比,使用16個(gè)量化電平所得到的結(jié)果更接近于原始波形。

這表明量化比特?cái)?shù)越多,精度越高。目前A/D轉(zhuǎn)換器的種類雖然很多,但從轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)看,可以歸結(jié)成兩大類:一類是直接A/D轉(zhuǎn)換器,另一類是間接A/D轉(zhuǎn)換器。

在直接A/D轉(zhuǎn)換器中,輸入模擬信號(hào)不需要中間變量就直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出,如逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器和并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器等,其特點(diǎn)是工作速度高,轉(zhuǎn)換精度容易保證,調(diào)準(zhǔn)也比較方便。

而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中,輸入模擬信號(hào)先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量(如時(shí)間、頻率等),再將中間變量轉(zhuǎn)換為最后的數(shù)字量,如單次積分型A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器等,其特點(diǎn)是工作速度較低,但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高,且抗干擾性能強(qiáng),一般在測(cè)試儀表中用得較多。下面以最常用的兩種A/D轉(zhuǎn)換器(并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器)為例,介紹A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。5.2.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖57所示為一個(gè)3位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖。

它由基準(zhǔn)電壓、電阻分壓器、電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換器組成。

其中電阻分壓器把基準(zhǔn)電壓按量化電平劃分,各個(gè)不同等級(jí)的量化電平分別加在相應(yīng)比較器的反相輸入端,作為比較器C1~C7的參考電壓,輸入模擬電壓同時(shí)加到各比較器的同相輸入端,根據(jù)輸入電壓ui的大小,各比較器輸出的狀態(tài)不同,它們經(jīng)寄存器送到代碼轉(zhuǎn)換電路,完成二進(jìn)制編碼,輸出3位二進(jìn)制數(shù),從而實(shí)現(xiàn)了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

表51是3位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的真值表。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度極快,是各種A/D轉(zhuǎn)換器中速度最快的一種,但它的電路復(fù)雜,所用比較器和觸發(fā)器數(shù)量多,所以這種A/D轉(zhuǎn)換器成本高、價(jià)格貴,一般場(chǎng)合較少使用,多用于要求轉(zhuǎn)換速度很高的情況。5.2.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種電壓—時(shí)間變換型ADC。

它的轉(zhuǎn)換原理是把輸入電壓先轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間間隔Δt,然后利用計(jì)數(shù)器在Δt時(shí)間內(nèi)對(duì)一已知的恒定頻率fc的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

可以看出當(dāng)fc為定值時(shí),計(jì)數(shù)值N與Δt成正比,從而把輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)字量。圖58是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖,它由積分器、比較器、時(shí)鐘控制門G、n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和定時(shí)器組成。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在一次轉(zhuǎn)換過(guò)程中要進(jìn)行兩次積分。

第一次積分器對(duì)模擬輸入電壓+ui進(jìn)行定時(shí)積分,第二次積分器對(duì)恒定基準(zhǔn)電壓-UREF進(jìn)行定值積分,二者具有不同的斜率,故稱為雙斜積分(簡(jiǎn)稱為雙積分)型A/D轉(zhuǎn)換器。首先控制信號(hào)提供清零脈沖CR,n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和定時(shí)器清零。S2瞬間閉合,積分電容放電。第二次積分稱為比較積分,積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓-UREF進(jìn)行反向積分,計(jì)數(shù)器從0開始重新計(jì)數(shù)。

由于在采樣結(jié)束時(shí),電容已充有電壓uO1,所以此時(shí)積分器輸出電壓為也就是說(shuō),積分器輸出電壓從UO1開始按直線規(guī)律增加,如圖59所示。

當(dāng)積分電壓上升至零時(shí),對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t2,比較階段結(jié)束,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。

此時(shí)式(58)為若令比較階段的時(shí)間間隔為Δt,即Δt=t2-t1。

由式(57)和式(59)可得由此可見,比較階段的時(shí)間間隔Δt正比于輸入模擬電壓ui,而與積分的時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)。

圖59中虛線表示了不同ui時(shí)的Δt。第二次積分結(jié)束時(shí),計(jì)數(shù)器的數(shù)值為為雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有極強(qiáng)的抗50Hz工頻干擾的優(yōu)點(diǎn),但它的轉(zhuǎn)換速度較慢,完成一次A/D轉(zhuǎn)換一般需幾十毫秒以上。

較慢的轉(zhuǎn)換速度對(duì)數(shù)字測(cè)量?jī)x表來(lái)說(shuō)一般無(wú)關(guān)緊要,因?yàn)閮x表的精度是關(guān)鍵,而速度一般不要求很快。

可是在自動(dòng)化設(shè)備中(如巡回檢測(cè)、數(shù)字遙測(cè)等),一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器需對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,如果一次A/D轉(zhuǎn)換需幾十到幾百毫秒,則太費(fèi)時(shí),這是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的美中不足之處。5.2.4A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1.分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位(LSB)變化一個(gè)數(shù)碼時(shí),對(duì)應(yīng)輸入模擬電壓的變化量,它是衡量A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)的分辨能力。

分辨率也可用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示,位數(shù)越多,能分辨的最小模擬電壓值就越小,分辨能力也越高。

例如:最大輸出電壓為5V的10位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為而同樣輸出電壓的8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出數(shù)字量與理論輸出數(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.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間,即從轉(zhuǎn)換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所需要的時(shí)間。

轉(zhuǎn)換時(shí)間越短意味著A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度越快。

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器速度最高,為數(shù)十納秒;雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器速度最慢,為數(shù)十毫秒。5.2.5集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。

其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān),可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào),只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。1.主要特性(1)8路8位A/D轉(zhuǎn)換器,即分辨率8位。(2)具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs。(4)單個(gè)+5V電源供電。(5)模擬輸入電壓范圍為0~+5V,不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。(6)工作溫度范圍為-40~+85℃。(7)低功耗,約15mW。2.外部特性(引腳功能)ADC0809芯片有28個(gè)引腳,采用雙列直插式封裝,如圖510所示。

下面說(shuō)明各引腳功能。VCC:電源端,+5V。GND:接地端。IN0~IN7:8路模擬量輸入端。D0~D7:8位數(shù)字量輸出端。A0、A1、A2:3位地址輸入端,用于選通8路模擬輸入IN0~IN7中的一路。ALE:地址鎖存允許信號(hào),輸入高電平有效。START:A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端,輸入一個(gè)正脈沖(至少100ns寬)使其啟動(dòng)(脈沖上升沿使ADC0809復(fù)位,下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換)。EOC:A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào),當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),此端輸出一個(gè)高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。OE:數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào),輸入高電平有效。

當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),此端輸入一個(gè)高電平才能打開輸出三態(tài)門,輸出數(shù)字量。CLOCK:時(shí)鐘脈沖輸入端。

要求時(shí)鐘頻率不高于640kHz。UREF(+)、UREF(-):基準(zhǔn)電壓,一般直接接供電電源。3.ADC0809的工作原理首先,輸入3位地址并使ALE=1,將地址存入地址鎖存器中。

此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位,下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換之后,EOC輸出信號(hào)變低,指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。

直到A/D轉(zhuǎn)換完成,EOC變?yōu)楦唠娖?指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器,這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。

當(dāng)OE輸入高電平時(shí),輸出三態(tài)門打開,轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。任務(wù)5.3半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器以其存儲(chǔ)容量大、體積小、功耗低、存取速度快、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)。

根據(jù)用途不同,存儲(chǔ)器分為兩大類。

一類是只讀存儲(chǔ)器ROM,用于存放永久性的、不變的數(shù)據(jù),如常數(shù)、表格、程序等,這種存儲(chǔ)器在斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

像計(jì)算機(jī)中的自檢程序、初始化程序便是固化在ROM中的,在計(jì)算機(jī)接通電源后,首先運(yùn)行它,對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)進(jìn)行自檢和初始化,自檢通過(guò)后,裝入操作系統(tǒng),計(jì)算機(jī)才能正常工作。另一類是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM,用于存放一些臨時(shí)性的數(shù)據(jù)或中間結(jié)果,需要經(jīng)常改變存儲(chǔ)內(nèi)容。

這種存儲(chǔ)器斷電后,數(shù)據(jù)將全部丟失。

如計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存,就是這一類存儲(chǔ)器。ROM和RAM同是用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù),但性能不同,兩者的結(jié)構(gòu)也完全不同。ROM主要由與陣列、或陣列和輸入、輸出緩沖級(jí)等電路構(gòu)成,它是一種大規(guī)模的組合邏輯電路;而RAM是由譯碼器、存儲(chǔ)器和讀/寫控制電路組成的,它屬于大規(guī)模時(shí)序邏輯電路。5.3.1只讀存儲(chǔ)器(ROM)只讀存儲(chǔ)器用于存放固定不變的信息,它在正常工作時(shí),只能按給定地址讀出信息,而不能寫入信息,故稱為只讀存儲(chǔ)器,簡(jiǎn)稱ROM。ROM的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)信息可靠,不會(huì)丟失,即使斷電,數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。1.掩膜只讀存儲(chǔ)器掩膜只讀存儲(chǔ)器,又稱固定ROM,這種ROM在制造時(shí),生產(chǎn)廠家利用掩膜技術(shù)把信息寫入存儲(chǔ)器中,使用時(shí)用戶無(wú)法更改。

掩膜只讀存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)是信息寫入必須由芯片制造商完成,因此當(dāng)生產(chǎn)批量小時(shí),成本高;不能更新存儲(chǔ)器的內(nèi)容,要更新只能換新的ROM。

掩膜只讀存儲(chǔ)器可分為二極管ROM、雙極型三極管ROM和MOS管ROM三種類型。

下面主要以二極管掩膜只讀存儲(chǔ)器為例介紹ROM的結(jié)構(gòu)和工作原理。2)讀數(shù)讀數(shù)主要是根據(jù)地址碼將指定存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)讀出來(lái)。

例如,當(dāng)?shù)刂反aA1A0=00時(shí),只有字線W0為高電平,其他字線均為低電平,故只有與字線W0相連接的2個(gè)二極管導(dǎo)通,此時(shí),輸出D3D2D1D0=0101;同理可知,當(dāng)A1A0=01、10、11時(shí),輸出D3D2D1D0依次為0010、1011和1101。

由此可知,所謂存儲(chǔ)信息1,就是指在字線和位線的交叉處接有二極管。

所謂存儲(chǔ)信息0,就是指在字線和位線的交叉處沒有二極管。

所以字線與位線的交叉點(diǎn)稱為存儲(chǔ)單元。

讀取信息時(shí),字線為高電平,與之相連的二極管導(dǎo)通,對(duì)應(yīng)的位線輸出高電平1,沒有二極管的位線輸出低電平0。

圖512可用圖513的簡(jiǎn)化陣列圖來(lái)表示,字線和位線交叉處的圓點(diǎn)“·”代表二極管(或MOS管、雙極型三極管),表示存儲(chǔ)1,沒有圓點(diǎn)的表示存儲(chǔ)0。交叉點(diǎn)的數(shù)目,即存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元的數(shù)量,稱為存儲(chǔ)容量。

常用存儲(chǔ)單元的數(shù)量表示存儲(chǔ)器的容量,寫成“字?jǐn)?shù)×位數(shù)”=存儲(chǔ)容量,對(duì)于圖512來(lái)說(shuō),其存儲(chǔ)容量為4×4。2.可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)用戶可直接寫入信息的只讀存儲(chǔ)器,稱為可編程只讀存儲(chǔ)器,簡(jiǎn)稱PROM,其使用更加靈活方便,通用性更強(qiáng),能較好地滿足電子技術(shù)發(fā)展的需要。

向芯片寫入信息的過(guò)程稱為對(duì)存儲(chǔ)器芯片編程。PROM是在掩膜只讀存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的,其存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)仍然是用二極管、晶體管作為受控開關(guān),不同的是在等效開關(guān)電路中串接了一個(gè)熔絲,如圖514所示。

在PROM中,每個(gè)字線和位線的交叉點(diǎn)都接有一個(gè)這樣的熔絲,在沒有編程前,熔絲都是連通的,所有存儲(chǔ)單元都相當(dāng)于存儲(chǔ)了1。

在用戶編程時(shí),只需按自己的要求,借助于一定的編程工具,將不需要連接的開關(guān)元件上串聯(lián)的熔絲燒斷,這樣相當(dāng)于該存儲(chǔ)單元改寫為0。

由于熔絲燒斷后不可恢復(fù),故這種可編程的存儲(chǔ)器只能進(jìn)行一次編程。

存儲(chǔ)器芯片經(jīng)編程后,只能讀出,不能再寫入。3.可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器由于PROM只能進(jìn)行一次編程,所以萬(wàn)一出錯(cuò),芯片只有報(bào)廢,這使用戶承擔(dān)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。

可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器克服了這個(gè)缺點(diǎn),它允許對(duì)芯片進(jìn)行反復(fù)改寫,即可以把寫入的信息擦除,再重新寫入信息。

因此這種芯片用于開發(fā)新產(chǎn)品,或?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行修改都是很方便、經(jīng)濟(jì)的,并且降低了用戶的風(fēng)險(xiǎn)。

芯片寫入信息后,在使用時(shí),仍然是只讀出,不再寫入,故仍稱為只讀存儲(chǔ)器。根據(jù)對(duì)芯片內(nèi)容擦除方式的不同,可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器有以下三種類型。1)紫外線擦除方式(EPROM)EPROM的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)是用具有浮柵和控制柵疊在一起的特殊疊柵結(jié)構(gòu)的MOS管替代熔絲開關(guān),這種疊柵MOS管又稱為SIMOS管。

它在專用的編程器下,用幅度較大的編程脈沖作用后,使浮柵中注入電荷,成為永久導(dǎo)通態(tài),相當(dāng)于熔絲接通,存儲(chǔ)信息1。

若將它置于專用的紫外線擦除器中受強(qiáng)紫外線照射后,可消除浮柵中的電荷,成為永久截止態(tài),相當(dāng)于熔絲斷開,從而擦除信息1,而成為存儲(chǔ)了信息0。

這種電寫入、紫外線擦除的只讀存儲(chǔ)器芯片上的石英窗口,就是供紫外線擦除芯片用的。

在向EPROM芯片寫入信息后,一定要用不透光膠紙將石英窗口密封,以免丟失芯片內(nèi)的信息。

芯片寫好后,數(shù)據(jù)可保持10年左右。2)電擦除可編程方式(EEPROM,也寫作E2PROM)E2PROM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)類似于EPROM,只是E2PROM的浮柵上在靠近漏極處增加了一個(gè)隧道二極管,利用它由編程脈沖控制向浮柵注入電荷或消除電荷,使它成為導(dǎo)通態(tài)或截止態(tài),從而實(shí)現(xiàn)電寫入信息和電擦除信息。E2PROM可以對(duì)存儲(chǔ)單元逐個(gè)擦除改寫,因此它的擦除與改寫可以邊擦除邊寫入一次完成,速度比EPROM快得多,可重復(fù)改寫的次數(shù)也比EPROM多,E2PROM芯片寫入數(shù)據(jù)后,可保持10年以上時(shí)間。3)快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)快閃存儲(chǔ)器是一種近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器,它的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)類似于E2PROM,只是它是在浮柵靠源極處有一個(gè)隧道二極管,并且工藝更先進(jìn),使它具有更低的編程電壓和更快的讀寫速度。

編程時(shí)向浮柵注入電子相當(dāng)于寫入1,消除浮柵中的電子相當(dāng)于寫入0。

快閃存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部設(shè)置有升壓電路,無(wú)須專用編程器就可以進(jìn)行擦寫操作,且具有速度快、壽命長(zhǎng)(可以重復(fù)改寫的次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次以上)等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于需要隨時(shí)讀寫數(shù)據(jù)的移動(dòng)設(shè)備中作存儲(chǔ)器。4.PROM的應(yīng)用可編程存儲(chǔ)器除了用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù),還可以用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯設(shè)計(jì)。通常PROM的地址譯碼器是一個(gè)全譯碼器,并且是不可編程的與陣列,又稱為固定與陣列,它可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于地址碼的全部最小項(xiàng)。

而存儲(chǔ)矩陣為可

編

程

的

或

陣

列,因

此PROM可方便地實(shí)現(xiàn)與

或邏輯功能。

而所有的組合邏輯函數(shù)都可變換為標(biāo)準(zhǔn)與

或式,所以都可以用PROM來(lái)實(shí)現(xiàn),只要PROM有足夠的地址線和數(shù)據(jù)輸出線就行了。

實(shí)現(xiàn)的方法就是把邏輯變量從地址線輸入,把邏輯函數(shù)值寫入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中,而數(shù)據(jù)輸出端就是函數(shù)輸出端。5.3.2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器也稱隨機(jī)讀/寫存儲(chǔ)器,可以在任意時(shí)刻對(duì)任意選中的存儲(chǔ)單元進(jìn)行信息的存入(寫)或取出(讀)操作。

它可用于存放二進(jìn)制信息,如數(shù)據(jù)、程序指令和運(yùn)算的中間結(jié)果。1.RAM的基本結(jié)構(gòu)RAM的結(jié)構(gòu)示意圖如圖516所示,它由行地址譯碼器、存儲(chǔ)矩陣和讀/寫控制電路三個(gè)部分組成。

從圖中可以看出,RAM電路中有地址線、控制線和數(shù)據(jù)線三類信號(hào)線。存儲(chǔ)矩陣由許多個(gè)存儲(chǔ)單元排列成n行、m列的矩陣組成,共有n×m個(gè)存儲(chǔ)單元,每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)1位二進(jìn)制數(shù)(1或0),存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元的數(shù)量又稱為存儲(chǔ)容量。

圖517給出了RAM的存儲(chǔ)單元與輸入/輸出的原理結(jié)構(gòu)圖,地址譯碼器分為行地址譯碼器和列地址譯碼器。

在給定地址碼后,行地址譯碼器輸出線(稱為行選線,用X表示,又稱字線)中有一條為有效電平,它選中一行存儲(chǔ)單元,同時(shí)列地址譯碼器的輸出線(稱為列選線,用Y表示,又稱位線)中也有一條為有效電平,它選中一列(或幾列)存儲(chǔ)單元,這兩條輸出線(行與列)交叉點(diǎn)處的存儲(chǔ)單元便被選中(可以是1位,或幾位),這些被選中的存儲(chǔ)單元由讀/寫控制電路控制,與輸入/輸出端接通,實(shí)現(xiàn)對(duì)這些單元的讀或?qū)懖僮鳌?.RAM的存儲(chǔ)單元1)靜態(tài)存儲(chǔ)單元靜態(tài)存儲(chǔ)單元由CMOS觸發(fā)器和門控管組成,它的工作狀態(tài)受行、列譯碼輸出的行選擇線和列選擇線控制。

當(dāng)靜態(tài)存儲(chǔ)單元被選通時(shí),其中的門控管導(dǎo)通,這時(shí)可通過(guò)讀/寫控制電路對(duì)選通的靜態(tài)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀/寫操作。

對(duì)于沒有被選通的靜態(tài)存儲(chǔ)單元,由于門控管截止,靜態(tài)存儲(chǔ)單元被封鎖,不能進(jìn)行讀/寫操作。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)的優(yōu)點(diǎn)是在不斷電情況下,可長(zhǎng)期保存二進(jìn)制信息,讀/寫控制電路簡(jiǎn)單,存取速度快;缺點(diǎn)是存儲(chǔ)容量小,靜態(tài)功耗大,適用于小容量存儲(chǔ)器。2)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元?jiǎng)討B(tài)存儲(chǔ)單元是利用MOS管柵極電容的存儲(chǔ)效應(yīng)組成的,由于柵極電容的容量很小,且存在漏電,因此柵極電容上存儲(chǔ)的信息不可能長(zhǎng)期保存。

為防止信息丟失,必須定時(shí)給柵極電容補(bǔ)充電荷,這種補(bǔ)充電荷的過(guò)程稱為刷新。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元的工作受行選擇線和列選擇線控制。

當(dāng)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元被選通時(shí),門控管導(dǎo)通,這時(shí)可對(duì)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫操作和讀操作,并對(duì)該存儲(chǔ)單元進(jìn)行一次刷新。

對(duì)于沒有被選通的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元,由于門控管截止,因此不能進(jìn)行讀/寫操作。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)單元電路簡(jiǎn)單、集成度高、功耗低,在大容量存儲(chǔ)器中采用較多;缺點(diǎn)是外圍電路較復(fù)雜。3.RAM的擴(kuò)展一片RAM的存儲(chǔ)容量是一定的。

在數(shù)字系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)中,單個(gè)芯片往往不能滿足存儲(chǔ)容量的需求,我們可以將若干個(gè)存儲(chǔ)器芯片組合起來(lái),擴(kuò)展成大容量的存儲(chǔ)器,從而滿足使用要求。RAM的擴(kuò)展有位擴(kuò)展和字?jǐn)U展兩種,也可以同時(shí)擴(kuò)展位、字以滿足對(duì)容量的需求。2)RAM的字?jǐn)U展若一片RAM的位數(shù)已夠用,而字?jǐn)?shù)不夠用,則采用字?jǐn)U展的方法來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)。

字?jǐn)U展通常用外加譯碼器控制芯片的片選輸入信號(hào)CS來(lái)實(shí)現(xiàn)。若字?jǐn)?shù)和位

數(shù)

都

不

夠

用,則

可

對(duì)

字

數(shù)

和

位

數(shù)

同

時(shí)

進(jìn)

行

擴(kuò)

展,便

組

成

了

大

容

量

的

存儲(chǔ)器。任務(wù)5.4數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)5.4.1數(shù)字電壓表的構(gòu)成數(shù)字電壓表是將被測(cè)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字顯示的一個(gè)簡(jiǎn)單的電路系統(tǒng)。

該系統(tǒng)選用了MC14433———3位半A/D轉(zhuǎn)換器、MC1413七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列、CD4511七段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器、MC1403能隙基準(zhǔn)電源和共陰極LED發(fā)光數(shù)碼管。

其中各部分的功能如下:(1)3位半A/D轉(zhuǎn)換器(MC14433):將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。(2)驅(qū)動(dòng)器(MC1413):驅(qū)動(dòng)顯示器的a,b,c,d,e,f,g七個(gè)發(fā)光段,驅(qū)動(dòng)發(fā)光數(shù)碼管(LED)進(jìn)行顯示。(3)譯碼器(CD4511):將二

十進(jìn)制(BCD)碼轉(zhuǎn)換成七段信號(hào)。(4)基準(zhǔn)電源(MC1403):提供精密電壓,供A/D轉(zhuǎn)換器作參考電壓。(5)顯示器(共陰極LED發(fā)光數(shù)碼管):將譯碼器輸出的七段信號(hào)進(jìn)行數(shù)字顯示,讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。3位半數(shù)字電壓表中的3位半是指十進(jìn)制數(shù)0000~1999。

其中,3位是指?jìng)€(gè)位、十位、百位,其數(shù)字范圍均為0~9;半位是指千位數(shù),它不能從0變化到9,而只能由0變到1,即二值狀態(tài),所以稱為半位。

數(shù)字電壓表原理框圖如圖519所示。5.4.2主要元器件介紹1)3位半A/D轉(zhuǎn)換器MC14433在數(shù)字儀表中,MC14433電路是一個(gè)低功耗3位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。

和其他典型的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器類似,MC14433A/D轉(zhuǎn)換器由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和控制電路組成。

使用MC14433時(shí)只要外接兩個(gè)電阻(分別是片內(nèi)RC振蕩器外接電阻和積分電阻RI)和兩個(gè)電容(分別是積分電容CI和自動(dòng)調(diào)零補(bǔ)償電容C0)就能執(zhí)行3位半的A/D轉(zhuǎn)換。MC14433采用24引線雙列直插式封裝,外引線排列,可參考如圖520所示的引腳標(biāo)注。圖520中各主要引腳功能說(shuō)明如下:(1)1腳:GNDA,模擬地,是高阻輸入端,作為輸入被測(cè)電壓VX和基準(zhǔn)電壓VREF的參考點(diǎn)。(2)2腳:VREF,外接基準(zhǔn)電壓輸入端。(3)3腳:VI,被測(cè)電壓輸入端。(4)4腳:R1,外接積分電阻端。(5)5腳:R1/C1,外接積分元件電阻和電容的公共接點(diǎn)。(6)6腳,C1,外接積分電容端,積分波形由該端輸出。(7)7和8腳:C01和C02,外接失調(diào)補(bǔ)償電容端。

推薦外接失調(diào)補(bǔ)償電容取0.1μF。(8)9腳:DU,實(shí)時(shí)輸出控制端,主要控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。

若在雙積分放電周期即階段5開始前,在DU端輸入一正脈沖,則該周期轉(zhuǎn)換結(jié)果將被送入輸出鎖存器并經(jīng)多路開關(guān)輸出,否則輸出端繼續(xù)輸出鎖存器中原來(lái)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

若該端通過(guò)一電阻和EOC短接,則每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果都將被輸出。(9)10腳:CPI(CLKI),時(shí)鐘信號(hào)輸入端。(10)11腳:CPO(CLKO),時(shí)鐘信號(hào)輸出端。(11)12腳:VEE,負(fù)電源端,模擬電路部分的負(fù)電源,一般取-5V。(12)13腳:GNDD,數(shù)字地端。(13)14腳:EOC,轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出端,每一A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束,EOC端輸出一正脈沖,其脈沖寬度為時(shí)鐘信號(hào)周期的1/2。(14)15腳:OR,過(guò)量程標(biāo)志輸出端,輸出低電平,正常量程OR為高電平。(15)16~19腳:對(duì)應(yīng)為DS4~DS1,分別是多路調(diào)制選通脈沖信號(hào)個(gè)位、十位、百位和千位輸出端,當(dāng)DS端輸出高電平時(shí),表示此刻Q0~Q3輸出的BCD代碼是該對(duì)應(yīng)位上的數(shù)據(jù)。(16)20~23腳:對(duì)應(yīng)為Q0~Q3,分別是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)輸出BCD代碼的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位輸出端。(17)24腳:VDD,整個(gè)電路的正電源端。2)七段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器CD4511CD4511是用于將二

十進(jìn)制代碼(BCD)轉(zhuǎn)換成七段顯示信號(hào)的專用標(biāo)準(zhǔn)譯碼器,它由4位鎖存器、7段譯碼電路和驅(qū)動(dòng)器三部分組成。

其引腳介紹及功能表見項(xiàng)目6。3)七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列MC1413MC1413采用NPN達(dá)林頓復(fù)合晶體管的結(jié)構(gòu),因此具有很高的電流增益和輸入阻抗,可直接接受MOS或CMOS集成電路的輸出信號(hào),并把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載。

該電路內(nèi)含有7個(gè)集電極開路反相器。MC1413電路結(jié)構(gòu)引腳圖如圖521所示,它采用16引腳的雙列直插式封裝,每一驅(qū)動(dòng)器輸出端均接有一釋放電感負(fù)載能量的續(xù)流二極管。4)高精度低漂移能隙基準(zhǔn)電源MC1403MC1403采用8條引線雙列直插標(biāo)準(zhǔn)封裝,如圖522所示。MC1403的輸出電壓的溫度系數(shù)為零,即輸出電壓與溫度無(wú)關(guān)。

該電路的特點(diǎn)是:①

溫度系數(shù)小;②

噪聲小;③

輸入電壓范圍大,穩(wěn)定性能好,當(dāng)輸入電壓從+4.5V變化到+15V時(shí),輸

出

電

壓

值

變

化

量

小

于3mV;④

輸

出

電

壓

值

準(zhǔn)

確

度

較

高,在2.475~2.525V以內(nèi);⑤

壓差小,適用于低壓電源;⑥

負(fù)載能力小,該電源最大輸出電流為10mA。5.4.3電路工作過(guò)程基準(zhǔn)電源MC1403的輸出接A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的VREF輸入端,為MC14433提供精準(zhǔn)的參考電壓。

被測(cè)輸入電壓Vx經(jīng)MC14433進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)采用多路調(diào)制方式輸出BCD碼,經(jīng)譯碼后送給4個(gè)LED七段數(shù)碼管。4個(gè)數(shù)碼管a~g段分別并聯(lián)在一起,達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列MC1413的4個(gè)輸出端Q1~Q4分別接4個(gè)數(shù)碼管的陰極,為數(shù)碼管提供導(dǎo)電通路。MC1413接收A/D轉(zhuǎn)換器MC14433輸出的位選通信號(hào)DS4~DS1,使Q0~Q3輪流為低電平,從而控制千位、百位、十位和個(gè)位4個(gè)數(shù)碼管輪流工作,實(shí)現(xiàn)掃描顯示。

由于選通的重復(fù)頻率較高,一個(gè)4位數(shù)的顯示周期僅為1.2ms,因此可以看到4個(gè)數(shù)碼管“同時(shí)”顯示3位半十進(jìn)制數(shù)碼。5.4.4電路原理圖用MC14433等元器件設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表的電路原理圖如圖523所示。

其元器件清單如表53所示。5.4.5安裝與調(diào)試(1)根據(jù)圖523所示的電路原理圖,自行繪制數(shù)字電壓表的安裝布線圖。(2)將元器件進(jìn)行檢測(cè),排查不合格產(chǎn)品。

按照布線圖將元器件安裝在萬(wàn)能板上,連接導(dǎo)線,焊接好電路。(3)電路調(diào)試。①

基準(zhǔn)電源的調(diào)試。

用萬(wàn)用表檢查MC1403的2腳輸出是否為2.5V,然后調(diào)整1kΩ電位器,使其輸出電壓為2.0V。②

檢查自動(dòng)調(diào)零功能。

將輸入端Vx接地,LED數(shù)碼管應(yīng)顯示0000,如果不是,應(yīng)檢測(cè)電源的正負(fù)電壓。③

調(diào)整線性度誤差。

用電阻、電位器構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入電壓Vx調(diào)節(jié)電路,調(diào)節(jié)電位器,輸出數(shù)碼將相應(yīng)變化。

調(diào)節(jié)電位器,用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量輸入電壓Vx,使Vx=1.000V,這時(shí)4位LED數(shù)碼管的指示值不一定是1.000,應(yīng)調(diào)整基準(zhǔn)電源電壓VREF,使指示值和標(biāo)準(zhǔn)值的誤差不大于5LSB。④

檢查自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。

改變輸入電壓Vx的極性,使Vx=-1.000V,觀察數(shù)碼管的“-”是否顯示。

同上法校正電路。⑤

檢查超量程溢出功能。

調(diào)節(jié)Vx值,當(dāng)Vx為2V,或|Vx|>VREF時(shí),觀察LED數(shù)碼管的顯示情況,此時(shí)OR端應(yīng)為低電平。

項(xiàng)

目

小

結(jié)(1)D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬信號(hào),通常由基準(zhǔn)電壓源、電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬電子開關(guān)和運(yùn)算放大器組成。

常用的D/A轉(zhuǎn)換器有倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,而權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度都比較高。

目前在雙極型集成D/A轉(zhuǎn)換器中多半采用權(quán)電流型的轉(zhuǎn)換電路。(2)A/D轉(zhuǎn)換要經(jīng)過(guò)取樣、保持、量化與編碼四個(gè)步驟。

本項(xiàng)目主要討論了并聯(lián)比較型和雙積分型兩種A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高,一般只用在超高速的場(chǎng)合;雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可獲得較高的精度,并具有較強(qiáng)的抗干擾能力,故在目前的數(shù)字儀表中應(yīng)用較多。(3)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器主要分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM兩大類,它是數(shù)字電路中重要的組成部分。(4)只讀存儲(chǔ)器ROM主要用來(lái)存放固定信息,它具有非易失性,一般只能讀出,ROM中的數(shù)據(jù)必須由專用的儀器寫入。

根據(jù)制造工藝來(lái)分,ROM分為二極管ROM、雙極型三極

管ROM和MOS管ROM;根

據(jù)

編

程

方

法

的

不

同,ROM分

為

固

定ROM、PROM、EPROM、EEPROM等,而可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM、EEPROM更為常見,但可編程ROM要用專用編程器進(jìn)行編程。(5)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM主要用來(lái)存儲(chǔ)暫存的信息,它具有易失性,可以讀取任何被選中的存儲(chǔ)單元的內(nèi)容,也可以將數(shù)據(jù)寫入任意指定的存儲(chǔ)單元。RAM分為SRAM和DRAM兩種:SRAM靠觸發(fā)器來(lái)存儲(chǔ)信息,在不停電的情況下其數(shù)據(jù)可長(zhǎng)期保持;DRAM靠存儲(chǔ)電容來(lái)存儲(chǔ)信息,DRAM必須動(dòng)態(tài)刷新。任務(wù)6.1項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的一般方法和步驟

任務(wù)6.2總體設(shè)計(jì)方案及工作原理

任務(wù)6.3單元電路設(shè)計(jì)

任務(wù)6.4安裝與調(diào)試任務(wù)6.1項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的一般方法和步驟“數(shù)字電子技術(shù)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)”的任務(wù)是讓學(xué)生通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題,鞏固和運(yùn)用“數(shù)字電子技術(shù)”課程中所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能,基本掌握常用數(shù)字電路的一般設(shè)計(jì)方法,提高設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐技能,提高自學(xué)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,鍛煉獨(dú)立思考和創(chuàng)新精神,有助于提高全面素質(zhì),為畢業(yè)設(shè)計(jì)及今后從事電子電路設(shè)計(jì)、研制電子產(chǎn)品打下一定的基礎(chǔ)。項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的一般設(shè)計(jì)方法和步驟如圖61所示。

但電路種類很多,設(shè)計(jì)方法和步驟也會(huì)因不同情況而異,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活掌握。

下面對(duì)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的主要環(huán)節(jié)做簡(jiǎn)要說(shuō)明。6.1.1任務(wù)書任務(wù)書是進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的依據(jù)。

任務(wù)書一般寫有以下內(nèi)容:(1)課題名稱;(2)主要技術(shù)指標(biāo)和要求;(3)提供的元器件、實(shí)驗(yàn)器材;(4)參考資料。6.1.2總體方案的選擇設(shè)計(jì)原理電路的第一步是選擇總體方案。

所謂總體方案,是指針對(duì)任務(wù)書提出的任務(wù)、要求和條件,從全局著眼,用具有一定功能的若干單元電路構(gòu)成的一個(gè)整體,來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)。

顯然,符合要求的總體方案通常不止一個(gè),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)廣開思路,提出若干種不同的方案,然后逐一分析每一個(gè)方案的可行性和優(yōu)缺點(diǎn),再加以比較,擇優(yōu)選用。

上述過(guò)程如圖62所示。

此外,在選擇過(guò)程中,常用框圖表示各方案的基本原理。

框圖一般不必畫得太詳細(xì),只要能說(shuō)明方案的基本原理即可。6.1.3單元電路的設(shè)計(jì)選定總體方案后,便可畫出詳細(xì)框圖,設(shè)計(jì)單元電路。

單元電路的設(shè)計(jì)方法如下:(1)設(shè)計(jì)單元電路的第一步,是根據(jù)設(shè)計(jì)要求和已選定的總體方案的原理框圖,明確對(duì)各單元電路的要求,必要時(shí)應(yīng)詳細(xì)擬定出主要單元電路的性能指標(biāo)。

可以用簡(jiǎn)略的文字標(biāo)出主要技術(shù)指標(biāo),關(guān)鍵問(wèn)題要做必要的文字說(shuō)明。(2)擬定出對(duì)各單元電路的要求后,應(yīng)全面檢查一遍,確認(rèn)無(wú)誤后便可按照一定的順序設(shè)計(jì)各單元電路的結(jié)構(gòu)形式,選擇元器件和計(jì)算參數(shù)等。

設(shè)計(jì)的順序可以按信號(hào)流程的方向逐一設(shè)計(jì)各單元電路,也可以按先難后易或先易后難的順序設(shè)計(jì)各單元電路。應(yīng)當(dāng)選擇哪種形式的電路作為所要設(shè)計(jì)的單元電路呢?最簡(jiǎn)單的辦法是從學(xué)過(guò)的和所了解的電路中選擇一個(gè)合適的電路。

在條件許可時(shí),應(yīng)查閱各種資料,這樣既可以豐富知識(shí),開闊眼界,而且可能找到更好的電路。

例如電路更簡(jiǎn)單、成本更低等。6.1.4元器件的選擇和參數(shù)的計(jì)算1.元器件的選擇由于數(shù)字集成電路的功能和種類相當(dāng)多,以至于單元電路的設(shè)計(jì)變得像“點(diǎn)菜譜”那樣容易。

從某種意義上講,數(shù)字電路的設(shè)計(jì)就是選擇最合適的元器件,并把它們組合起來(lái)。因此,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,經(jīng)常遇到選擇元器件的問(wèn)題,不僅在設(shè)計(jì)單元電路和總體電路及計(jì)算參數(shù)時(shí)要考慮選哪些元器件合適,而且在提出方案、分析和比較方案的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí),也要考慮到用哪些元器件以及它們的性能和價(jià)格如何等。

由此可見,選擇元器件是多么重要。那么,怎樣選擇元器件呢?其實(shí)只要弄清楚“需要什么”和“有什么”兩個(gè)問(wèn)題。所謂“需要什么”,是指項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)所選擇的方案,需要什么樣的元器件。

即每個(gè)元器件應(yīng)具有哪些功能和什么樣的性能指標(biāo)。所謂“有什么”,是指有哪些元器件,哪些實(shí)驗(yàn)室有,哪些在市場(chǎng)上可以買到,它們的性能各是什么,價(jià)格如何,體積多大等。

電子元器件種類繁多,而且新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),這就需要我們經(jīng)常關(guān)心元器件的信息和新動(dòng)向,多查資料。元器件的選擇可以從以下幾點(diǎn)來(lái)考慮:(1)應(yīng)熟悉集成電路有哪些種類,最好能夠熟悉若干種典型產(chǎn)品的型號(hào)、性能及價(jià)格等,以便設(shè)計(jì)時(shí)能及時(shí)提出方案,較快地設(shè)計(jì)出單元電路。(2)同一功能的數(shù)字集成電路,例如與非門,可能既有TTL產(chǎn)品,又有CMOS產(chǎn)品。而TTL中有肖特基、低功耗肖特基和先進(jìn)低功耗肖特基等不同的產(chǎn)品,CMOS數(shù)字器件也有普通型和高速型兩種不同的產(chǎn)品。

究竟選哪種產(chǎn)品好呢?在一般情況下可參考表61。

對(duì)于某些具體問(wèn)題究竟是選用TTL器件好,還是選用CMOS器件好,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)它們各自情況和特點(diǎn)靈活選用。(3)CMOS器件可以與TTL器件混合使用在同一電路中,前者的電源電壓盡量用+5V,以便兩者的高、低電平兼容。

但與用+15V供電的情況相比,用+5V供電時(shí)CMOS器件的某些性能較差,例如抗干擾的容限小,傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)等。

因此,必要時(shí)CMOS器件仍需要用+15V電源供電,在這種情況下,CMOS器件與TTL器件之間應(yīng)加電平轉(zhuǎn)換電路。(4)電阻器和電容器是兩種常用的分立元件,它們的種類很多,性能各異。

阻值相同、類型不同的兩種電阻器或容量相同、類型不同的兩種電容器用在同一個(gè)電路中的同一個(gè)位置,可能效果大不一樣。

此外,價(jià)格和體積也可能相差很大。

因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)熟悉各種常用電阻器和電容器的主要性能及特點(diǎn),以便設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)電路對(duì)它們的要求,作出正確的選擇。2.參數(shù)的計(jì)算在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中,常需要計(jì)算某些參數(shù)。

計(jì)算參數(shù)的方法主要在于正確運(yùn)用分析方法,弄清電路原理和用好計(jì)算公式。

但設(shè)計(jì)中計(jì)算參數(shù)與做習(xí)題有所不同,習(xí)題中通常將大多數(shù)參數(shù)值作為已知量給出,只要求一兩個(gè)參數(shù)值,而且答案一般是唯一的。

而設(shè)計(jì)時(shí),除了對(duì)電路性能指標(biāo)的要求外,通常沒有其他已知參數(shù),幾乎全部由設(shè)計(jì)者自己選擇和計(jì)算,而且理論上滿足要求的參數(shù)值一般不是唯一的,給設(shè)計(jì)者提供了選擇的自由,即可根據(jù)價(jià)格、體積和貨源等具體情況靈活選擇。

也就是說(shuō),設(shè)計(jì)中的計(jì)算參數(shù)包括“選擇”和“計(jì)算”兩個(gè)方面。6.1.5總體電路的畫法設(shè)計(jì)好單元電路后,應(yīng)畫出總體電路圖。

總體電路圖不僅是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和印刷電路板等工藝設(shè)計(jì)的主要依據(jù),而且在生產(chǎn)調(diào)試和維修時(shí)也離不開它,因此總體電路圖具有重要作用。在畫正式的總體電路圖前可先畫出總體電路草圖。

這樣可以檢查各單元電路之間的相互連線和配合是否有問(wèn)題,各單元電路分別畫在什么位置等?？傮w電路圖畫得好,不僅自己看起來(lái)方便,而且別人容易看懂,便于進(jìn)行技術(shù)交流。怎樣才能畫好總體電路圖呢?一般說(shuō)來(lái),主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)畫圖時(shí)應(yīng)注意信號(hào)的流向,通常從輸入端或信號(hào)源畫起,從左至右或由上至下按信號(hào)的流向依次畫出各單元電路。

但不要把電路圖畫成很長(zhǎng)的窄條,必要時(shí)可以按信號(hào)流向的主通道依次把各單元電路排列成類似字母“U”的形狀,它開口可以朝左,也可以朝其他方向。(2)盡量把總體電路圖畫在同一張圖紙上。

如果電路比較復(fù)雜,一張圖紙畫不下,則應(yīng)把主電路畫在同一張圖紙上,而把一些比較獨(dú)立或次要的部分(例如直流穩(wěn)壓電源)畫在另一張或幾張圖紙上,并用恰當(dāng)?shù)姆绞秸f(shuō)明各圖紙上電路連線的關(guān)系。(3)電路圖中所有連線都要表示清楚,各元器件之間的絕大多數(shù)連線應(yīng)在圖上直接畫出。

連線通常畫成水平線或豎線,一般不畫斜線。

互通連線的交叉線,應(yīng)在交叉處用圓點(diǎn)標(biāo)出。

還應(yīng)注意盡量使連線短些,少拐彎。

有的可用符號(hào)表示,例如地線常用“⊥”表示,集成電路器件的電源一般只要標(biāo)出電源電壓的數(shù)值(例+5V)即可;有的可采用簡(jiǎn)便畫法。

總之,以清晰明了、容易看懂為原則,但也要注意電路圖的緊湊和協(xié)調(diào),稀密恰當(dāng),避免出現(xiàn)有的地方畫得很密,有的地方空出一大塊。(4)電路圖中的中大規(guī)模集成電路器件,通常用方框表示。

在方框中標(biāo)出它的型號(hào),在方框的邊線兩側(cè)標(biāo)出每根連線的功能名稱和管腳號(hào)。(5)集成電路器件的管腳較多,有些管腳的連線是可以選擇的。

例如,用四2輸入與非門74LS00時(shí),可以有許多種接法,遇到這種情況,畫原理電路圖時(shí)通常不標(biāo)管腳號(hào)。

這樣做可以在實(shí)驗(yàn)布線或設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)有較多的靈活性,為合理布線提供了方便。

而布線時(shí)應(yīng)隨時(shí)把實(shí)際接線的管腳號(hào)填寫在原理電路圖上,以便以后調(diào)試或維修。6.1.6審圖在畫出總體電路圖,并計(jì)算出全部參數(shù)以后,至少應(yīng)進(jìn)行一次全面審查。

這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的原理電路中存在一些問(wèn)題是難免的,經(jīng)過(guò)審圖,可以發(fā)現(xiàn)和解決一部分或大部分問(wèn)題,為實(shí)驗(yàn)打下較好的基礎(chǔ)。

在審圖時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)先從全局出發(fā),檢查總體方案是否合適,有無(wú)問(wèn)題,再審查各單元電路的原理是否正確,電路形式是否合適。(2)檢查各單元電路之間的電平、時(shí)序等配合有無(wú)問(wèn)題。(3)檢查電路圖中有無(wú)煩瑣之處,是否可以簡(jiǎn)化。(4)根據(jù)圖中所標(biāo)出的各元器件的型號(hào)、參數(shù)值等,驗(yàn)算能否達(dá)到性能指標(biāo)。(5)要特別注意檢查電路圖中各元器件工作是否安全(尤其是CMOS器件),以免實(shí)驗(yàn)時(shí)損壞。6.1.7實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括電路的安裝與調(diào)試。

電路的安裝與調(diào)試在電子工程技術(shù)中占有重要位置,是把理論付諸實(shí)踐的過(guò)程,也是對(duì)理論設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)、修改,使之更加完善的過(guò)程。

實(shí)際上,任何一個(gè)好的設(shè)計(jì)方案都是安裝、調(diào)試后經(jīng)過(guò)多次修改才得到的。1.安裝安裝之前,一定要對(duì)元器件進(jìn)行測(cè)試,參數(shù)的性能指標(biāo)應(yīng)滿足要求,并留有余量。

要準(zhǔn)確識(shí)別各元器件的引腳,了解各元器件的使用注意事項(xiàng),以免出錯(cuò),造成人為故障,甚至損壞元器件。

設(shè)計(jì)的電路一般是安裝在實(shí)驗(yàn)箱上,為此,還必須熟悉實(shí)驗(yàn)箱的性能特點(diǎn)和使用方法。

安裝步驟一般如下:1)計(jì)算電路中主要元器件的數(shù)量電路安裝之前要計(jì)算電路中使用的元器件的數(shù)量,在滿足電路要求的情況下,盡量節(jié)省元器件的數(shù)目,選擇便宜的產(chǎn)品,以降低成本。2)合理安排主要元器件的位置計(jì)算元器件的數(shù)量之后,下一步要合理安排主要元器件的布局。

這樣才不至于造成因先安裝的電路占的面積過(guò)大而給后面電路的安裝造成麻煩,甚至使后面的電路安裝不下只好拆掉重新布局。3)依據(jù)調(diào)試先后順序連接電路電路的安裝順序應(yīng)該按調(diào)試的順序進(jìn)行。

調(diào)試一般采用先分塊調(diào)試,再整個(gè)電路聯(lián)調(diào)的方法,因此,安裝也要逐步進(jìn)行。在安裝的同時(shí)應(yīng)記錄下所用元器件的引腳號(hào)碼,目的是為檢查電路和調(diào)試提供方便。如果電路中同時(shí)使用多片相同型號(hào)的集成電路,則要標(biāo)明每一片對(duì)應(yīng)電路中的位置。4)檢查電路接線是否正確電路安裝完畢后不要急于通電,先要認(rèn)真檢查電路接線是否正確,包括錯(cuò)線(連線一端正確,另一端錯(cuò)誤)、少線(安裝時(shí)漏掉的線)和多線(連線的兩端在電路圖上都是不存在)。多線一般是因接線時(shí)看錯(cuò),或在改接線時(shí)忘記去掉原來(lái)的連線造成的,而檢查時(shí)又不易被發(fā)現(xiàn)。

檢查連線的方法有兩種:一種是按照設(shè)計(jì)的電路圖檢查安裝的線路,即把電路圖上的連線按一定順序在安裝好的線路中逐一對(duì)應(yīng)檢查,這種方法容易找出錯(cuò)線和少線。

另一種是按照實(shí)際線路來(lái)對(duì)照電路原理圖,把每一個(gè)元器件引腳連線的去向依次查清,檢查每個(gè)去處在電路圖上是否都存在。

不論用什么方法檢查,一定要在電路圖上把查過(guò)的線作出標(biāo)記,還要檢查每個(gè)元器件引腳的使用端數(shù)是否與圖紙上的相符。

檢查完連線后,再直觀檢查電源、地線、信號(hào)線、元器件引腳之間有無(wú)短路,連線處有無(wú)接觸不良,二極管、三極管和電解電容等引腳有無(wú)錯(cuò)接。2.調(diào)試調(diào)試包括測(cè)試和調(diào)整兩個(gè)方面。

測(cè)試是在安裝后對(duì)電路的參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量,調(diào)整是指在測(cè)試的基礎(chǔ)上對(duì)電路的參數(shù)進(jìn)行修正,使之滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試的方法有兩種:第一種是邊安裝邊調(diào)試的方法,也就是把復(fù)雜的電路按原理框圖上的功能塊進(jìn)行安裝和調(diào)試,在分塊調(diào)試的基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)大安裝和調(diào)試的范圍,最后完成整機(jī)調(diào)試。

對(duì)于新設(shè)計(jì)的電路,一般采用這種方法,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并加以解決。

另一種方法是在整個(gè)電路安裝完畢后,實(shí)行一次性調(diào)試。

這種方法一般適用于定型產(chǎn)品和需要相互配合才能運(yùn)行的產(chǎn)品。具體調(diào)試可按下列步驟進(jìn)行:1)通電觀察把經(jīng)過(guò)精確測(cè)量的電源電壓加入電路(先關(guān)斷電源開關(guān),待接通連線之后再打開電源開關(guān)),電源通電之后不要急于測(cè)量數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果,首先要觀察有無(wú)異常現(xiàn)象等,包括有無(wú)冒煙,是否聞到異常氣味,手摸元器件是否發(fā)燙,電源是否有短路現(xiàn)象等。

如果出現(xiàn)異常,應(yīng)立即關(guān)斷電源,待排除故障后方可重新通電。

然后再測(cè)量各元器件引腳電源電壓,而不只是測(cè)量各路總電源電壓,以保證元器件正常工作。2)分塊調(diào)試分塊調(diào)試是把電路按功能分成不同的部分,把每部分看作一個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試。

在分塊調(diào)試的過(guò)程中逐漸擴(kuò)大調(diào)試范圍,最后實(shí)現(xiàn)整機(jī)調(diào)試。

比較理想的調(diào)試順序是按照信號(hào)的方向進(jìn)行,這樣可以把前面調(diào)試過(guò)的輸出信號(hào)作為后一級(jí)的輸入信號(hào),為最后的聯(lián)調(diào)創(chuàng)造條件。3)整機(jī)聯(lián)調(diào)在分塊調(diào)試過(guò)程中,因逐步擴(kuò)大了調(diào)試范圍,實(shí)際上已經(jīng)完成了某些局部聯(lián)調(diào)工作。下面先要做好各功能塊之間接口電路的調(diào)試工作,再把全部電路接通,就可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)聯(lián)調(diào)。

即把各種測(cè)量?jī)x器及電路本身的顯示部分提供的信息與設(shè)計(jì)指標(biāo)逐一對(duì)比,找出問(wèn)題,然后進(jìn)一步修改電路的參數(shù),直到完全符合設(shè)計(jì)要求為止。4)系統(tǒng)精度的測(cè)量系統(tǒng)精度是設(shè)計(jì)電路時(shí)很重要的一個(gè)指標(biāo)。

如果是測(cè)量電路,被測(cè)元器件本身應(yīng)該是由精度高于測(cè)量電路的儀器進(jìn)行測(cè)試,然后才能作為標(biāo)準(zhǔn)元器件接入電路校準(zhǔn)精度。

例如,電容量測(cè)量電路,校準(zhǔn)精度時(shí)所用的電容不能以標(biāo)稱值計(jì)算,而要經(jīng)過(guò)高精度的電容表測(cè)量其準(zhǔn)確值后,才可作為校準(zhǔn)電容。5)注意事項(xiàng)(1)調(diào)試之前先要熟悉各種儀器的使用方法,并仔細(xì)加以檢查,避免由于儀器使用不當(dāng)或出現(xiàn)故障時(shí)做出錯(cuò)誤判斷。(2)測(cè)量用的儀器的地線和被測(cè)電路的地線應(yīng)連在一起。

只有使儀器和電路之間建立一個(gè)公共參考點(diǎn),測(cè)量結(jié)果才是正確的。(3)調(diào)試過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)器件或接線有問(wèn)題需要更換或修改時(shí),應(yīng)該先關(guān)斷電源,待更換完畢并經(jīng)認(rèn)真檢查后才可重新通電。安裝調(diào)試自始至終要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。

出現(xiàn)故障時(shí)要認(rèn)真查找故障原因,仔細(xì)作出判斷,切不可一遇故障解決不了就拆掉線路重新安裝。

因?yàn)橹匦掳惭b的線路仍然會(huì)存在各種問(wèn)題,況且原理上的問(wèn)題不是重新安裝就能解決的。6.1.8設(shè)計(jì)總結(jié)調(diào)試成功后需要寫出一份總結(jié)報(bào)告,按照統(tǒng)一的格式寫出設(shè)計(jì)說(shuō)明書。

編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書,能提高編制科技報(bào)告或技術(shù)資料的能力,同時(shí)也能使設(shè)計(jì)從理論上進(jìn)一步得到總結(jié)和提高。

總結(jié)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容:(1)題目名稱;(2)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求;(3)總體設(shè)計(jì)方案框圖,并說(shuō)明各部分的工作原理;(4)單元電路的設(shè)計(jì)和元器件的選擇;(5)計(jì)算各元器件的主要參數(shù),并標(biāo)在圖中適當(dāng)?shù)奈恢?(6)畫出完整的電路圖和必要的波形圖,并說(shuō)明主要工作原理;(7)安裝調(diào)試步驟;(8)畫出總體電路圖,列出元器件明細(xì)表;(9)整理性能測(cè)試數(shù)據(jù),并分析是否滿足要求,提出改進(jìn)意見;(10)有哪些收獲和體會(huì)。下面以簡(jiǎn)易數(shù)顯式電容計(jì)為例說(shuō)明項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的方法和步驟。任務(wù)6.2總體設(shè)計(jì)方案及工作原理6.2.1電容計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)及要求數(shù)顯式電容計(jì)具有測(cè)量速度快、讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn),正在逐步取代傳統(tǒng)的電容測(cè)試方法。

試設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)顯式電容計(jì),其主要指標(biāo)如下:(1)測(cè)量范圍為1~999nF。(2)用三位LED數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果。(3)具有超量程指示。(4)能自動(dòng)地進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

測(cè)量周期為4秒,測(cè)量結(jié)果保持2秒左右。(5)提供的主要器材包括:①NE556定時(shí)器(雙定時(shí)器)、MC14553(三位BCD計(jì)數(shù))、CD4511(BCD七段顯示譯碼器)、CD4001(四2輸入或非門)各一塊。

②

共陰結(jié)構(gòu)LED數(shù)碼管、三極管、二極管、阻容元件等。

③

直流穩(wěn)壓電源、雙蹤示波器。6.2.2電容計(jì)總體設(shè)計(jì)方案及工作原理簡(jiǎn)易數(shù)顯式電容計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖63所示,它由CT轉(zhuǎn)換電路、振蕩器、控制電路、計(jì)數(shù)器、顯示譯碼電路和超量程指示電路六部分組成。圖63中各模塊電路的功能如下:(1)CT轉(zhuǎn)換電路的作用是把被測(cè)電容的電容量Cx轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào),使脈沖信號(hào)的寬度Tx正比于Cx。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有定時(shí)時(shí)間正比于定時(shí)電容C的關(guān)系,因此可以用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)此功能。(2)多諧振蕩器產(chǎn)生周期性矩形脈沖,讓計(jì)數(shù)器在CT轉(zhuǎn)換期間計(jì)數(shù)。

如果Cx大,則Tx大,那么在Tx期間計(jì)數(shù)器計(jì)的脈沖數(shù)就多,而計(jì)到的脈沖數(shù)多,就代表Cx大。

只要調(diào)整好振蕩器的振蕩頻率,可以使計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)(用十進(jìn)制表示)就是被測(cè)電容的電容量(nF)數(shù)。(3)計(jì)數(shù)器是三位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。(4)顯示譯碼電路用于把計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)用十進(jìn)制數(shù)字顯示出來(lái)。(5)超量程指示電路的作用是當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)超過(guò)999時(shí),產(chǎn)生一個(gè)指示信號(hào),即代表被測(cè)電容的電容量超過(guò)了999nF,此時(shí)顯示器的讀數(shù)已不是Cx的值。(6)控制電路的作用是產(chǎn)生控制各部分電路正常工作的時(shí)序信號(hào)。

該電路用下降沿觸發(fā)CT轉(zhuǎn)換電路(單穩(wěn)態(tài)電路),用上升沿使計(jì)數(shù)器清零和超量程指示電路復(fù)位。

測(cè)量過(guò)程的時(shí)序圖如圖64所示。(7)設(shè)計(jì)時(shí)采用CMOS集成電路,電源電壓用+6V。任務(wù)6.3單元電路設(shè)計(jì)6.3.1CT轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)CT轉(zhuǎn)換電路的作用是把被測(cè)電容的電容量Cx轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào),使脈沖信號(hào)的寬度Tx正比于Cx。

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有定時(shí)時(shí)間正比于定時(shí)電容的關(guān)系,即tW≈1.1RC,因此,在這里CT轉(zhuǎn)換電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。用NE556其中的一個(gè)555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路如圖65所示,圖中R2和Cx為定時(shí)電阻、電容。CT轉(zhuǎn)換電路波形如圖66所示,圖中Tx≈1.1R2Cx。在電路中加入了由C1和R1組成的微分電路,這樣單穩(wěn)態(tài)電路只要靠輸入VI1

的下降沿觸發(fā),定時(shí)時(shí)間與VI1

的低電平寬度無(wú)關(guān)。考慮到定時(shí)精度和測(cè)量速度,設(shè)定測(cè)量范圍內(nèi)Tx的時(shí)間為0.1ms~0.1s,由于電路測(cè)量電容的范圍為1~999nF,則可通過(guò)計(jì)算取R2=91kΩ。6.3.2多諧振蕩器的設(shè)計(jì)多諧振蕩器用NE556中的另一個(gè)555定時(shí)器構(gòu)成,電路如圖67所示。多諧振蕩器的振蕩周期為

在Tx內(nèi)計(jì)數(shù)器計(jì)到的脈沖數(shù)N為根據(jù)設(shè)計(jì)要求,N就是被測(cè)電容Cx的電容量(nF)數(shù),則得即振蕩器的振蕩頻率約為10kHz。6.3.3計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)1.計(jì)數(shù)器的選用計(jì)數(shù)器采用MC14553,它是三位BCD加法計(jì)數(shù)器,集成電路引腳圖如圖68所示,其功能表如表62所示。2.MC14553功能說(shuō)明MC14553集成電路由三個(gè)同步級(jí)聯(lián)的下降沿觸發(fā)的BCD計(jì)數(shù)器、三個(gè)鎖存器以及分配鎖存器的多路選擇器組成。

此外,還有時(shí)鐘輸入端的整形電路、分配多路選擇器的時(shí)序掃描電

路

和

振

蕩

器

電

路,以

及

用

于

顯

示

控

制

的

數(shù)

據(jù)

選

擇

輸

出

組成。MC14553的主要引腳功能如下:(1)3腳和4腳CIA、CIB

為內(nèi)部振蕩器的外接電容端子。

振蕩器提供多路數(shù)據(jù)選擇器的低頻掃描時(shí)鐘脈沖,振蕩器的振蕩頻率取決于連接在3腳和4腳的外接電容的大小,若需外部時(shí)鐘,也可以從4腳處引入。(2)2、1、15腳

為顯示驅(qū)動(dòng)掃描時(shí)序輸出,低電平有效。

振蕩器產(chǎn)生的掃描時(shí)鐘信號(hào)與三個(gè)位選擇輸出信號(hào)的時(shí)序關(guān)系如圖69所示。(3)5、6、7、9腳QD、QC、QB、QA為8421BCD碼輸出端,QD為最高位。(4)13腳R為復(fù)位端,高電平有效。(5)11腳INH為時(shí)鐘禁止端,當(dāng)INH為1時(shí),禁止時(shí)鐘脈沖“CL”輸入BCD計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器保持禁止前的最后計(jì)數(shù)狀態(tài)。(6)10腳LE為鎖存器的鎖存允許端,當(dāng)LE為1時(shí),鎖存器呈鎖存狀態(tài),保持原有鎖存器內(nèi)的信息。

若需將鎖存器內(nèi)的信息清除,則在鎖存器LE端加0電平。(7)14腳OF為計(jì)數(shù)器溢出輸出端,計(jì)數(shù)器每逢輸入第1000個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿時(shí),溢出輸出端OF輸出一個(gè)完整的脈沖,該脈沖結(jié)束于上述條件下輸入時(shí)鐘的下降沿。3.計(jì)數(shù)器電路的連接根據(jù)CT轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換期間的輸出是高電平,以及要用來(lái)控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),可從表62灰色的三行中看出,將CT轉(zhuǎn)換電路的輸出加到12腳CL端,計(jì)數(shù)脈沖從11腳INH端引入,所以與多諧振蕩器輸出相連。13腳計(jì)數(shù)器復(fù)位端R,與控制電路輸出相連。14腳計(jì)數(shù)器溢出輸出端OF,