项目8 数字电压表的设计与制作

1、项目项目8 8 数字电压表的设数字电压表的设计与制作计与制作8.1 8.1 项目描述项目描述n本项目制作的数字电压表电路主要由本项目制作的数字电压表电路主要由AD转转换器、锁存换器、锁存/七段译码驱动器、发光数码管等七段译码驱动器、发光数码管等组成。项目相关知识点有组成。项目相关知识点有DA、AD转换等。转换等。技能训练有技能训练有DA、AD转换器的功能测试。转换器的功能测试。n 项目要求项目要求n用集成用集成A/D转换器转换器MC14433制作数字电压表。制作数字电压表。要求两档直流电压测量量程要求两档直流电压测量量程01.999V，0199.9mV，位数字显示。，位数字显示。8.2 8.2

2、 项目资讯项目资讯 A AD D转换和转换和D DA A转换是生产过程自动化控制不可缺少转换是生产过程自动化控制不可缺少的重要组成部分，它还广泛应用于数字测量、数字通信等的重要组成部分，它还广泛应用于数字测量、数字通信等领域。领域。为何要进行数模和模数转换？为何要进行数模和模数转换？ 感官和器件接触和接收的是模拟信号，在存储、感官和器件接触和接收的是模拟信号，在存储、传送中使用的是数字信号。传送中使用的是数字信号。数模和模数转换的概念和作用数模和模数转换的概念和作用 数模转换数模转换即将数字量转换为模拟电量即将数字量转换为模拟电量( (电压或电电压或电流流) )，使输出的模拟电量与输入的数字量

3、成正比。，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。 实现数模转换的电路称数模转换器实现数模转换的电路称数模转换器 D Digital-igital-Analog C Converteronverter，简称，简称D/AD/A转换器或转换器或DACDAC。 模数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。数字量与输入的模拟电量成正比。 实现模数转换的电路称模数转换器实现模数转换的电路称模数转换器 A Analog-nalog-D Digital igital C Converteronverter，简称，简称A/DA/D转换器或转换

4、器或 ADCADC。 利用利用D/A转换、转换、A/D转换的系统转换的系统检测电路检测电路模拟电模拟电信号信号A/D转换转换数字电路或数字电路或计算机系统计算机系统D/A转换转换喇叭、显示器等喇叭、显示器等声音、声音、图像等图像等模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号数字信号数字信号数字信号数字信号输出模拟电压输出模拟电压 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 ) 可见，可见，uO D，uO 的大小反映了数字量的大小反映了数字量 D 的大小。的大小。DACD0D1Dn- -2Dn- -1uO 8.2.1 D/A 8.2.1 D/A转换器转

5、换器 LSB Least Significant Bit 输入数字量输入数字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 是是 DAC 能输出的最小电压值，称为能输出的最小电压值，称为 DAC 的单的单位量化电压位量化电压，它等于，它等于 D 最低位最低位(LSB)为为 1、其余各位均、其余各位均为为 0 时的模拟输出电压时的模拟输出电压(用用 ULSB 表示表示)。S0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11

6、 10 00 00 0RRR 1. 1. 电路组成与转换原理电路组成与转换原理 R - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 DAC 由倒由倒 T 型电阻网络、模拟开关和一个电流型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路电压转换电路( (简称简称 I/U 转换电路转换电路) )组成。组成。模拟开关模拟开关 Si 打向打向“1”侧侧时，相应时，相应 2R 支路支路接虚接虚地地；打向打向“0”侧侧时，相应时，相应 2R 支路支路接地接地。故无论开。故无论开关打向哪一侧，倒关打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：型电阻网络均可等效为下图：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI2

7、2RI3RRRABC从从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。因此，因此，I =VREFRI3 =I2= 23 ( )，I24I2 =I32= 22 ( )，I24=I4I1 =I22= 21 ( )，I24=I8I0 =I12= 20 ( )I24=I16可见，支路电流值可见，支路电流值 Ii 正好代表了正好代表了二进制数位二进制数位 Di 的权值的权值 2i 。即即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0 RVI 4REF422模拟开关模拟开关 Si 受相应数字位受相应数字位

8、Di 控制。当控制。当 Di = 1 时，开时，开关合向关合向“1”侧，相应侧，相应支路电流支路电流 Ii 输出输出；Di = 0 时，开关时，开关合向合向“0”侧，侧， Ii 流入地而不能输出。流入地而不能输出。S0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRRu0 = - - i RF = - - D I0 RF = - - D RRV 4FREF2i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0

9、 20 ) I0 = D I0对对 n 位位 DAC， uO= - - D RRVn 2FREF若取若取 RF = R， 则则uO= - - D nV2REF n 位位 DAC 将参考电压将参考电压 VREF 分成分成 2n 份，份，uO 是是每份的每份的 D 倍。调节倍。调节 VREF 可调节可调节 DAC 的输出电压。的输出电压。uO= - - D RRV 4FREF23.3.主要参数主要参数 （1）分辨率分辨率 DAC 的最小输出电压变化量，的最小输出电压变化量，也即也即 DAC 的最小输出电压值的最小输出电压值121FSRLSB- - nUU分分辨辨率率 表示满度输出电压值，表示满度输

10、出电压值，FSR 即即 Full Scale Range指指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。小电压变化量与满刻度输出电压之比。 UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均为位均为 1例如，一个例如，一个 10 位的位的 DAC，分辨率为，分辨率为 0.000 978。DAC 的位数越多，分辨率值就越小，的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的能分辨的最小输出电压值也越小。最小输出电压值也越小。要获得较高精度的要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用转换结果，除了正确选用 DAC 的位数外，还要

11、选用低漂移高精度的求和运算放的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。大器。 （3）转换时间）转换时间指指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越高。转换时间越小，转换速度就越高。（2）转换精度）转换精度 指指 DAC 实际输出模拟电压与理实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂度有关，而且与环境温度、求

12、和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。移以及转换器的位数有关。 通常要求通常要求 DAC的误差小于的误差小于 ULSB / 2。主要要求：主要要求：了解了解模数转换的基本原理。模数转换的基本原理。了解了解 转换器的主要参数。转换器的主要参数。 了解常用了解常用 转换器。转换器。8.2.2 A/D 转换器转换器 A/D转换器可将输入的模拟电压量转换成与输入量成正比转换器可将输入的模拟电压量转换成与输入量成正比的数字量。由于的数字量。由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的般的A/D转换过程为：转换过程为：采样、保持、量化和编码采样、保持、量化和编

13、码4个步骤个步骤。 模拟信号模拟信号数字信号数字信号采采样样保保持持量量化化编编码码8.2.2 A /D 转换器转换器1. A /D 转换原理转换原理 “ ”“ ”表示取整。表示取整。 基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模拟输模拟输入信号入信号n 位二进制数输出位二进制数输出D = Dn-1 Dn-2 D1 D0 可见，输出数字量可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量正比于输入模拟量 uI 。 称为称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，的单位量化电压或量化单位，它是它是 ADC 的最小分辨电压。的最小分辨电压。 uD采样采样：把时间连续变化的模拟信号变换为时间离散的信号。把时

14、间连续变化的模拟信号变换为时间离散的信号。保持保持：保持采样信号保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。使有充分时间转换为数字信号。量化量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。整数倍表示。编码编码：把量化的结果用二进制代码表示。把量化的结果用二进制代码表示。A /D 转换的一般步骤转换的一般步骤 uI(t)C量化量化编码编码电路电路Dn- -1D1D0uI (t)S采样保持采样保持电路电路输入模拟量输入模拟量输出数字量输出数字量采样信号是否会丢失原信采样信号是否会丢失原信号的信息呢？号的信息呢？对信号进行量化会引起对信号进行量化会引

15、起误差吗？误差吗？量化误差大小量化误差大小与与 ADC 的位数、的位数、基准电压基准电压 VREF 和量化方法有关。和量化方法有关。 采样定理：采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率的两倍时，采样信号可以中最高频率的两倍时，采样信号可以 不失真地恢复为原模拟信号。不失真地恢复为原模拟信号。f fs s2f2fimaximax 量化误差：量化误差：因模拟电压不一定能被因模拟电压不一定能被 ULSB 整除，整除， 量化时舍去余数而引起的误差。量化时舍去余数而引起的误差。 划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法最大量化误差最大量化误差 = = (

16、1/8)V最大量化误差最大量化误差 = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平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模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/1

17、5V(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转换器的分类、特点及应用转换器的分类、特点及应用 常用常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。 A/D转换器的分类、特点及应用转换器的分类、特点及应用分类分类特点特点应用应用并行比较型并行比较型速度最快，但设备成速度最快，但设备成本较高，精度也不易本较高，精度也不易做高做高数字通信技术和高速数数字通信技术和高速数据采集技术据采集技术逐次逼近型逐次逼近型工作速

18、度中等，精度工作速度中等，精度也较高，成本较低也较高，成本较低中高速数据采集系统、中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动在线自动检测系统、动态测控系统态测控系统积分型积分型精度可以做得很高，精度可以做得很高，抗干扰性能很强，速抗干扰性能很强，速度很慢度很慢数字仪表（数字万用表、数字仪表（数字万用表、高精度电压表）和低速高精度电压表）和低速数据采集系统数据采集系统指指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。的倍数来表示。 3. 主要参数主要参数 （2）相对精度）相对精度(又称转

19、换误差又称转换误差) 指指 ADC 输出数字量的最低位变化一输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。个数码时，对应输入模拟量的变化量。 （1）分辨率分辨率 例如例如 最大输出电压为最大输出电压为 5V 的的 8 位位 ADC 的分辨率为：的分辨率为： 5V / 28 = 19.6 mA 分辨率也可用分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。分辨的最小模拟电压值就越小。 例如例如 转换误差不大于转换误差不大于 1/2 LSB，即说明，即说明 实际输出数字量与理想输出数字量实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过

20、之间的最大误差不超过 1/2 LSB。 （3）转换时间）转换时间 转换速度比较：并联比较型转换速度比较：并联比较型 逐次逼近型逐次逼近型 双积分型双积分型 数十数十 ns 数十数十 s 数十数十 ms 指指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。转换时间越小，转换速度越高。 D/A 转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量。电量。R - 2R 倒倒T 形电阻网络形电阻网络 DAC 所需电阻种类少

21、，转所需电阻种类少，转换速度快，性能好，便于集成，因而被广泛采用，但转换速度快，性能好，便于集成，因而被广泛采用，但转换精度较低。权电流网络换精度较低。权电流网络 DAC转换速度和转换精度高，转换速度和转换精度高，性能最佳。性能最佳。 A/D 转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量字量。常用。常用 主要有并联比较型、双积分型和逐次主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型逼近型。其中，并联比较型 ADC 属于直接转换型，其属于直接转换型，其转换速度最快，但价格贵；双积分型转换速度最快，但价格贵；双积分型 ADC 属于间接转属于间接转换型，其速度慢，但精度高、抗干扰能力强；逐次逼近换型，其速度慢，但精度高、抗干扰能力