項目8 數(shù)字電壓表的設計與制作

項目8數(shù)字電壓表的設計與制作8.1項目描述本項目制作的數(shù)字電壓表電路主要由A／D轉換器、鎖存/七段譯碼驅(qū)動器、發(fā)光數(shù)碼管等組成。項目相關知識點有D／A、A／D轉換等。技能訓練有D／A、A／D轉換器的功能測試。

項目要求用集成A/D轉換器MC14433制作數(shù)字電壓表。要求兩檔直流電壓測量量程0~1.999V，0~199.9mV，位數(shù)字顯示。8.2項目資訊A／D轉換和D／A轉換是生產(chǎn)過程自動化控制不可缺少的重要組成部分，它還廣泛應用于數(shù)字測量、數(shù)字通信等領域。為何要進行數(shù)模和模數(shù)轉換？

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

實現(xiàn)數(shù)模轉換的電路稱數(shù)模轉換器

Digital-Analog

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

實現(xiàn)模數(shù)轉換的電路稱模數(shù)轉換器

Analog-DigitalConverter，簡稱A/D轉換器或ADC。利用D/A轉換、A/D轉換的系統(tǒng)檢測電路模擬電信號A/D轉換數(shù)字電路或計算機系統(tǒng)D/A轉換喇叭、顯示器等聲音、圖像等模擬信號模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號輸出模擬電壓

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020)△

可見，uO∝

D，uO的大小反映了數(shù)字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二進制數(shù)輸入模擬電壓輸出8.2.1D/A轉換器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時的模擬輸出電壓(用ULSB

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

倒

T形電阻網(wǎng)絡

DAC由倒T型電阻網(wǎng)絡、模擬開關和一個電流電壓轉換電路(簡稱I/U

轉換電路)組成。模擬開關Si

打向“1”側時，相應2R

支路接虛地；打向“0”側時，相應2R

支路接地。故無論開關打向哪一側，倒T型電阻網(wǎng)絡均可等效為下圖：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從A、B、C節(jié)點向左看去，各節(jié)點對地的等效電阻均為2R。因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2

=I32=22

()，I24=I4I1

=I22=21

()，I24=I8I0

=I12=20

()I24=I16可見，支路電流值Ii

正好代表了二進制數(shù)位Di

的權值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

模擬開關Si

受相應數(shù)字位Di

控制。當Di=1

時，開關合向“1”側，相應支路電流Ii

輸出；Di=0時，開關合向“0”側，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轉換結果，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算放大器。（3）轉換時間指DAC在輸入數(shù)字信號開始轉換，到輸出的模擬信號達到穩(wěn)定值所需的時間。轉換時間越小，轉換速度就越高。（2）轉換精度指DAC實際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個綜合指標，不僅與DAC中元件參數(shù)的精度有關，而且與環(huán)境溫度、求和運算放大器的溫度漂移以及轉換器的位數(shù)有關。通常要求DAC的誤差小于ULSB/2。主要要求：了解模數(shù)轉換的基本原理。了解A/D轉換器的主要參數(shù)。了解常用A/D轉換器。8.2.2A/D轉換器

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

模擬信號數(shù)字信號采樣保持量化編碼8.2.2A/D轉換器1.A/D轉換原理

“[]”表示取整。

基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號n

位二進制數(shù)輸出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0可見，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：把時間連續(xù)變化的模擬信號變換為時間離散的信號。

保持：保持采樣信號，使有充分時間轉換為數(shù)字信號。

量化：把采樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的

整數(shù)倍表示。

編碼：把量化的結果用二進制代碼表示。A/D轉換的一般步驟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)字量采樣信號是否會丟失原信號的信息呢？對信號進行量化會引起誤差嗎？量化誤差大小與ADC的位數(shù)、基準電壓VREF

和量化方法有關。

采樣定理：當采樣頻率不小于輸入模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍時，采樣信號可以不失真地恢復為原模擬信號。fs≥2fimax

量化誤差：因模擬電壓不一定能被ULSB

整除，量化時舍去余數(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轉換器的分類、特點及應用

常用ADC主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。A/D轉換器的分類、特點及應用分類特點應用并行比較型速度最快，但設備成本較高，精度也不易做高數(shù)字通信技術和高速數(shù)據(jù)采集技術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)、在線自動檢測系統(tǒng)、動態(tài)測控系統(tǒng)積分型精度可以做得很高，抗干擾性能很強，速度很慢數(shù)字儀表（數(shù)字萬用表、高精度電壓表）和低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)指ADC實際輸出數(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)來表示。3.主要參數(shù)（2）相對精度(又稱轉換誤差)指ADC輸出數(shù)字量的最低位變化一個數(shù)碼時，對應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。例如轉換誤差不大于1/2LSB，即說明實際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大誤差不超過1/2LSB。（3）轉換時間轉換速度比較：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完成一次轉換所需要的時間，即從轉換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時間。轉換時間越小，轉換速度越高。D/A

轉換是將輸入的數(shù)字量轉換為與之成正比的模擬電量。R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡DAC所需電阻種類少，轉換速度快，性能好，便于集成，因而被廣泛采用，但轉換精度較低。權電流網(wǎng)絡DAC轉換速度和轉換精度高，性能最佳。A/D轉換是將輸入的模擬電壓轉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屬于直接轉換型，其轉換速度最快，但價格貴；雙積分型ADC屬于間接轉換型，其速度慢，但精度高、抗干擾能力強；逐次逼近型也屬于直接轉換型，其速度較快、精度較高、價格適中，因而被廣泛采用。項目總結A/D轉換要經(jīng)過采樣、保持、量化與編碼這4個步驟實現(xiàn)。采樣-保持電路對輸入模擬信號抽取樣值，并展寬(保持)；量化是對樣值脈沖進行分級，編碼是將分級后的信號轉換成二進制代碼。在對