《電子電路設(shè)計(jì)與制作》 任務(wù)九 模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與制作

任務(wù)九模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與制作一、任務(wù)描述設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)字溫度計(jì)，能夠利用傳感器對(duì)溫度進(jìn)行采集，通過溫度與電壓近乎線性關(guān)系，以此來確定輸出電壓和相應(yīng)的電流，不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的電壓值，將電壓電流值經(jīng)過放大進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器和譯碼器，再由數(shù)碼管表示出來。自動(dòng)溫控報(bào)警系統(tǒng)實(shí)物圖二、任務(wù)分析（一）模數(shù)轉(zhuǎn)換1.模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念A(yù)DC，Analog-to-DigitalConverter的縮寫，指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器或者模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。亦稱模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換，與數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換相反，是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。例如，對(duì)圖象掃描后，形成象元列陣，把每個(gè)象元的亮度（灰階）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字表示，即經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，構(gòu)成數(shù)字圖象。通常有電子式的模/數(shù)轉(zhuǎn)換和機(jī)電式模/數(shù)轉(zhuǎn)換二種。在遙感中常用于圖象的傳輸，存貯以及將圖象形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的處理。例如：圖像的數(shù)字化等。信號(hào)數(shù)字化是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行數(shù)字近似，它需要用一個(gè)時(shí)鐘和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。所謂數(shù)字近似是指以N-bit的數(shù)字信號(hào)代碼來量化表示原始信號(hào)，這種量化以bit位單位，可以精細(xì)到1/2^N。時(shí)鐘決定信號(hào)波形的采樣速度和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的變換速率。轉(zhuǎn)換精度可以做到24bit，而采樣頻率也有可能高達(dá)1GHZ，但兩者不可能同時(shí)做到。通常數(shù)字位數(shù)越多，裝置的速度就越慢。2.模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)過程。在某些特定的時(shí)刻對(duì)這種模擬信號(hào)進(jìn)行測量叫做采樣，量化噪聲及接收機(jī)噪聲等因素的影響，采樣速率一般取fS=2.5fmax。通常采樣脈沖的寬度tw是很短的，故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。要把一個(gè)采樣輸出信號(hào)數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時(shí)模擬信號(hào)保持一段時(shí)間，這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號(hào)，量化的主要問題就是量化誤差。假設(shè)噪聲信號(hào)在量化電平中是均勻分布的，則量化噪聲均方值與量化間隔和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗值有關(guān)。編碼是將量化后的信號(hào)編碼成二進(jìn)制代碼輸出。這些過程有些是合并進(jìn)行的，例如，采樣和保持就利用一個(gè)電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，且所用時(shí)間又是保持時(shí)間的一部分。3.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的主要性能參數(shù)(1)分辨率它)分辨率表明A/D對(duì)模擬信號(hào)的分辨能力，由它確定能被A/D辨別的最小模擬量變化。一般來說，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，其分辨率則越高。實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器，通常為8，10，12，16位等。(2)量化誤差在A/D轉(zhuǎn)換中由于整量化產(chǎn)生的固有誤差。量化誤差在±1/2LSB（最低有效位）之間。例如：一個(gè)8位的A/D轉(zhuǎn)換器，它把輸入電壓信號(hào)分成28=256層，若它的量程為0~5V，那么，量化單位q為：q==≈0.0195V=19.5mVq正好是A/D輸出的數(shù)字量中最低位LSB=1時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值。因而，這個(gè)量化誤差的絕對(duì)值是轉(zhuǎn)換器的分辨率和滿量程范圍的函數(shù)。(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。一般轉(zhuǎn)換速度越快越好，常見有高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間<1us）、中速（轉(zhuǎn)換時(shí)間<1ms）和低速（轉(zhuǎn)換時(shí)間<1s）等。(4)絕對(duì)精度對(duì)于A/D，指的是對(duì)應(yīng)于一個(gè)給定量，A/D轉(zhuǎn)換器的誤差，其誤差大小由實(shí)際模擬量輸入值與理論值之差來度量。(5)相對(duì)精度相對(duì)精度：對(duì)于A/D，指的是滿度值校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字輸出所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入值（中間值）與理論值（中間值）之差。例如，對(duì)于一個(gè)8位0~+5V的A/D轉(zhuǎn)換器，如果其相對(duì)誤差為1LSB，則其絕對(duì)誤差為19.5mV，相對(duì)誤差為0.39%。（二）電路設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)要求，電路主要包括溫度的采集與信號(hào)的放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)碼顯示三部分。溫度的采集與放大數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)碼顯轉(zhuǎn)換示1.溫度采集與放大溫度的改變會(huì)影響一些電阻的阻值，溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而變化的特性來測量的。一般采用阻值的變化與溫度的變化有線性關(guān)系的電阻來采集溫度，最后通過阻值的變化來反映出溫度。Pt100鉑熱電阻與溫度之間存在著線性的關(guān)系，通過阻值的變化可以得到對(duì)應(yīng)的溫度。有些是采用熱電偶的方式，溫度檢測部分可以使用低溫?zé)崤?，熱電偶由兩個(gè)焊接在一起的異金屬導(dǎo)線所組成。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導(dǎo)體的溫差電勢組成。通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度。2.數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換就是將采集的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，能夠被數(shù)碼管識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。TC7107與MC14433都是三位半的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以直接與數(shù)碼管進(jìn)行連接顯示。3.數(shù)碼顯示數(shù)碼顯示就是將TC7107轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行顯示。一般數(shù)碼管有共陽極與共陰極兩類，共陽與共陰的只要區(qū)別就是其公共端是接陽極還是接陰極，如果接陰極就為共陰極，反之為共陽極。三、相關(guān)知識(shí)（一）TC7107芯片數(shù)字溫度計(jì)將采集的模擬的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并能通過數(shù)碼管顯示出來，采用TC7207三位半的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。它能直接驅(qū)動(dòng)7段數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)碼顯示，最后可得溫度的數(shù)字信號(hào)。TC7107是高性能，低功耗的三位半的A/D轉(zhuǎn)換器，它自身包含七段數(shù)碼顯示器、顯示驅(qū)動(dòng)器、參考源和時(shí)鐘系統(tǒng)。三位半是十進(jìn)制數(shù)0000-1999。所謂三位是指個(gè)位，十位，百位，其數(shù)字顯示范圍是0—9而半位是指千位數(shù)，它不能與個(gè)位，十位，百位那樣從0—9，只能由0-1變化，即二值狀態(tài)，所以稱為半位。如果超過了量程，那么千位數(shù)就會(huì)顯示1，反之就是0，一般采用將該顯示的零進(jìn)行消隱。與ADC0809芯片相比，TC7107使得電路簡化的同時(shí)又節(jié)約了成本，所以選擇TC7107更合適。1.TC7107特點(diǎn)TC7107是把模擬電路與邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規(guī)模的CMOS集成電路，其主要特點(diǎn)是：可以采用是電源供電，±5V的電源，有助于實(shí)現(xiàn)儀表的小型化。芯片內(nèi)部有異或門輸出電路，可以直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。功耗低，芯片本身消耗的電流只有1.8mA，功耗約16mW。輸入阻抗高，對(duì)輸入信號(hào)沒有衰減作用。能通過內(nèi)部的模擬開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)顯示極性的功能。噪聲低，失調(diào)溫標(biāo)和增益溫標(biāo)均很小。具有良好的可靠性，使用壽命長。整機(jī)組裝方便，無須外加有源器件，可以很方便的進(jìn)行功能檢查。2.TC7107管腳介紹TC7107芯片管腳如圖所示。TC7107芯片管腳芯片介紹管腳 管腳功能1 V+提供正電壓2 D1激活個(gè)位顯示的d部分3 C1激活個(gè)位顯示的c部分4 B1激活個(gè)位顯示的b部分5 A1激活個(gè)位顯示的a部分6 F1激活個(gè)位顯示的f部分7 G1激活個(gè)位顯示的g部分8 E1激活個(gè)位顯示的e部分9 D2激活十位顯示的d部分10 C2激活十位顯示的c部分11 A2激活十位顯示的a部分12 B2激活十位顯示的b部分13 F2激活十位顯示的f部分14 E2激活十位顯示的e部分管腳 管腳功能15 D3激活百位位顯示的d部分16 B3激活百位顯示的b部分17 F3激活百位顯示的f部分18 E3激活百位顯示的e部分19 AB4激活千位顯示1的上下兩部分20 POL激活負(fù)極性顯示21 BP/GND數(shù)字接地端22 G3激活百位顯示的g部分23 A3激活百位顯示的a部分24 C3激活百位顯示的c部分25 G2激活十位顯示的g部分26 V-提供負(fù)電源27 VINT積分輸出。積分電容的連接點(diǎn)28 VBUFF連接積分電阻。滿量程為200mV時(shí)，電阻阻值一般為47K?，若為2V時(shí)，電阻的阻值為470K?29 CAZ自動(dòng)調(diào)零電容的容量對(duì)系統(tǒng)噪聲會(huì)產(chǎn)生影響。滿量程為200mV時(shí)，使用的電容為0.47uF，若滿量程為2V時(shí)，電容為0.047uF管腳 管腳功能30 VIN-連接的是模擬低電平輸入信號(hào)31 VIN+連接的是模擬高電平輸入信號(hào)32 ANALOGCOMMON,主要用來設(shè)置模擬共模電壓，用于電池操作或那些輸入信號(hào)以電源為基準(zhǔn)的系統(tǒng)。其還可以充當(dāng)電源33（34） CREF-，CREF+大部分應(yīng)用中使用0.1uF的電容。如果存在大共模電壓，并且使用的200mV的量程，使用1uF的電容比較好，它將會(huì)使翻轉(zhuǎn)誤差保持為0.5個(gè)計(jì)數(shù)35（36） VREF-,VREF+。VREF+需要此模擬輸入引腳以生成滿量程輸出即1999個(gè)計(jì)數(shù)。在引腳35與36之間放置100mV電壓，其滿量程為199.9mV，在35與36管腳之間加1V的電壓時(shí)，其滿量程為2V37 TEST測試登。如果測試電壓升至V+時(shí)，所有的將會(huì)導(dǎo)通，并且數(shù)碼管顯示的讀書為-1888.除此之外還可以作為外部小數(shù)點(diǎn)的負(fù)供電電壓38,39,40 OSC3,OSC2,OSC1。這三部分組成振蕩器部分。對(duì)于48kHz的時(shí)鐘，38管腳接100pF電容，39管腳接100K?電阻，并且電容與電阻的另一端接 40管腳3.TC7107工作原理TC7107是雙積分型A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主要是在一個(gè)測量周期內(nèi)進(jìn)行兩次積分，兩次積分的方向相反，將被測電壓轉(zhuǎn)換成與其成正比的時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)填充標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘脈沖，用儀器記錄的脈沖個(gè)數(shù)來反映的值，所以它是變換型的。其原理圖如圖所示。(1)準(zhǔn)備階段:主要使積分器的輸出電壓變?yōu)?，保證輸入電壓=0作為其初始狀態(tài)。自動(dòng)調(diào)零電容一般為0.47uF。(2)采樣階段:主要是對(duì)被測量即對(duì)輸入的電壓進(jìn)行積分。(3)參考積分階段：這一階段主要是對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行與被測電壓進(jìn)行積分方向相反的積分（二）LM35傳感器LM35系列是精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。因此，LM35比按絕對(duì)溫標(biāo)校準(zhǔn)的線性溫度傳感器優(yōu)越感得多。LM35系列傳感器生產(chǎn)制作時(shí)已經(jīng)過校準(zhǔn)，輸出電壓與攝氏溫度一一對(duì)應(yīng)，使用極為方便。靈敏度為10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃(-55℃至+150℃溫度范圍內(nèi)),重復(fù)性好，低輸出阻抗，線性輸出和內(nèi)部精密校準(zhǔn)使其與讀出或控制電路接口簡單和方便，可單電源和正負(fù)電源工作。1.特性①在攝氏溫度下直接校準(zhǔn)②+10.0mV/℃的線性刻度系數(shù)③確保0.5℃的精度(在25℃)④額定溫度范圍為-55℃至+150