数字电路制作与调试项目化教程（活页式）教案 182 温度检测电路的制作与调试

《数字电路制作与调试》教案课程名称数字电子技术课程代码M01F28D10总学时64任课教师

单元教案授课日期授课地点根据实际情况填写，有几个填写几个。授课班级班级人数教学单元教学单元、教学目标、教学方式、评价方式与课程大纲的相应内容保持一致。项目6温度检测电路的制作与调试教学时数按单元的教学时数填写。4教学目标教学目标应是此单元的教学目标结合实际授课内容的具体化，其描述参见文中举例。AOB14：了解A/D转换以及D/A转换的原理以及实现方法。AOB15：理论与实验结合的教学方式，培养学生科学思维与创新意识，做到知行合一，“知者行之始，行者知之成”。BOB1：清楚了解常用集成电路的AD/DA转换芯片功能和使用；BOB2：能设计简单的组合逻辑电路和时序逻辑电路，能设计多通道温度检测系统；BOB3：能熟练使用Multisim仿真软件对所设计的电路进行调试和仿真；BOB4：电子设计小项目制作培养学生严谨、踏实、精益求精的大国工匠精神、专业荣誉感和职业使命感。微课视频：解读电子信息技术【课程思政】教学方式一体化教学评价方式课堂表现（30%）作业完成（30%）项目完成（40%）教学资源教学资源包含理论上使用的纸质或网络教学资源，实践课使用的设备、工具和耗材等资源。任课教师需保证所有资源可用。1.《数字电子技术实用教程》，郭慧等编著，校本教材；2.数字电路实验箱25套，Multisima9.0仿真软件，学习通APP；3.网络学习资源在线测试：第六单元单元测试

微课视频10：解读电子信息技术发展现状与未来等等/design/process/edit.html?courseOpenId=9boyamcro69oaawrvqbbkw行业网站推荐：/products/design-tools/ise-design-suite.html单元教学设计第一次课（2学时根据根据实际教学时数填写。教学内容教学内容部分的详略可以根据实际情况调整。对于新教师、新课程，要求详细填写；其余填写内容要点即可。任务6.1集成D/A转换器的逻辑功能测试课程思政：对电路设计的思路和想法，学生各抒己见引出言论自由与客观公正。将模拟信号转换为数字信号的过程，简称A/D转换（AnalogtoDigital），完成模数转换的电路称之为模数转换器，简称ADC（AnalogtoDigitalConverter）。将数字信号转换为模拟信号的过程，简称D/A转换（DigitaltoAnalog），完成数模转换的电路称之为数模转换器，简称DAC（DigitaltoAnalogConverter）。6.1.1D/A转换器的工作原理数字系统中实际参加运算的数字量是以二进制数码的形式表示的，这就要求DAC输入的是二进制数字量，通过转换将输入的数字量以模拟量的形式输出，而且输出的电压模拟量大小一定与输入的数字量大小成正比。现假设DAC转换的比例系数为k，则输出的模拟电压公式为V其中i=0n-1图6.2表示了4位二进制数字量与经过D/A转换后（转换的比例系数k=1）输出的电压模拟量之间的对应关系。由此可见，两个相邻数码转换出的模拟电压值是不连续的，两者的电压差值由最低码位所代表的位权值决定。它是DAC所能分辨的最小数字量，常用1LSB（LeastSignifantBit）表示。对应于最大输入数字量的最大模拟电压输出值（绝对值），称为满量程输出值，用FSR（FullScaleRange）表示。图6.2DAC输入与输出关系数模转换器的分类如图6.3所示。数模转换数模转换器直接式数模转换器间接式数模转换器权电阻式数模转换器T型电阻式数模转换器权电流式数模转换器电容式数模转换器图6.3数模转换器的分类在集成电路的数模转换器中，很少采用间接式数模转换器。一般来说，数模转换器的工作原理比模数转换器的工作原理要简单。有些模数转换器的电路中，还含有相应的X数模转换器电路，作为反馈部件来使用。一般电阻式DAC的结构如图6.4所示。图6.4DAC组成框图6.1.2D/A转换器的分类倒T形电阻网络D/A转换器根据电阻网络的不同，可分为权电阻网络D/A转换器、倒T形电阻网络D/A转换器形式。在单片集成D/A转换芯片中采用最多的是倒T形电阻网络D/A转换器。下面以4位倒T形电阻网络D/A转换器为例阐述D/A转换的原理，如图6.5所示。图6.54位倒T形电阻网络D/A转换器倒T形电阻网络是目前集成D/A芯片中使用最多的一种，它有如下特点：（1）电路中电阻的种类很少，便于集成和提高精度。（2）无论模拟开关如何变换，各支路中的电流都保持不变，因此不需要电流建立时间，提高了转换速度。.常用的CMOS开关倒T型电阻网络D/A转换器的集成电路有AD7520（10位）、AD1210（12位）和AD7546（16位）等。权电流式D/A转换器尽管倒T形电阻网络D/A转换器具有较高的转换速度，但由于电路中存在模拟开关电压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。4位权电流型D/A转换器原理\t"/wenku/rd/dianzi/201506/_blank"电路如图6.6所示。电路中用一组恒流\t"/wenku/rd/dianzi/201506/_blank"电源代替了倒T形网络。这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为I/2，I/4，I/8，I/16。VO-VV-V图6.6权电流D/A转换器的原理电路6.1.3D/A转换器的技术指标转换精度转换精度是指D/A转换器实际输出的模拟电压值与理论输出模拟电压值之间的最大误差。显然，这个差值越小，电路的转换精度越高。在D/A转换器中一般用分辨率和转换误差描绘转换精度。（1）分辨率D/A转换器的分辨率是指输入数字量中对应于数字量的最低位（LSB）发生单位数码变化时，引起的输出模拟电压的变化量∆U与满度值输出电压U之比。在n位的D/A转换器中，输出的模拟电压应能区分出输入代码的2n个不同的状态，给出2n分辨率式中n为D/A转换器中输入数字量的位数。例如：8位D/A转换器的分辨率为分辨率此分辨率若用百分比表示，为0.4%。分辨率表示D/A转换器在理论上能够达到的精度。DAC的位数越多，分辨率的值越小，即在相同情况下输出的最小电压越小，分辨能力越强。在实际使用中，通常把2n或n叫作分辨率，例如8位DAC的分辨率为28或8位。（2）转换误差DAC在实际使用中均存在误差，常见的误差主要包括以下三种：非线性误差、漂移误差和增益误差。非线性误差：理想的DAC转换特性是一条通过原点和满量程输出理论值的一条品线。而实际的DAC会偏离理想直线，通常表现为一条曲线，如图6.7所示。产生该输出误差的原因主要是模拟电子开关的导通电阻和导通压降以及R、2R电阻值的偏差，而且因这些偏差在电路的不同部分是不同的，是一种随机偏差，故以非线性误差的形式反映出输出电压上。理想直线理想直线实际曲线FSRVOOD最大数字量图6.7非线性误差漂移误差：误差电压与输入数字量的大小无关，输出电压的转换特性曲线将在竖直方向上进行上下平移，不改变转换特性的线性度，如图6.8所示。通常把这种性质的误差称作漂移误差或平移误差。产生该误差的主要原因是运算放大器的零点漂移。理想直线理想直线实际直线FSRVOOD最大数字量图6.8漂移误差增益误差：只改变理想直线的斜率，并不破坏其线性，称作增益误差或比例系数误差，如图6.9所示。增益误差主要是由参考电压VREF和Rf/R不稳定造成的，增益校准只能暂时消除该误差。理想直线理想直线实际直线FSRVOOD最大数字量图6.9增益误差转换速度通常以建立时间ts表征D/A转换器的转换速度。建立时间ts是指输入数字量从全“0”到全“1”（或反之，即输入变化为满度值）时起，到输出电压达到相对于最终值为±1/2LSB范围内的数值为止所需的时间，建立时间又称为转换时间。DAC0832的转换时间ts小于500ns。电源抑制比在高品质的转换器中，要求模拟开关电路和运算放大器的电源电压发生变化时，对输出电压的影响非常小，输出电压的变化与对应的电源电压的变化之比，称为电源抑制比。此外，还有功耗、温度系数以及高低输入电平的数值、输入电阻、输入电容等指标，在此不一一介绍。6.1.4集成D/A转换器D/A转换芯片DAC0832简介目前根据分辨率、转换速度、兼容性及接口特性的不同，集成DAC有多种不同类型和不同系列的产品。DAC0832是DAC0830系列的8位倒T形电阻网络转换器。DAC0832是8位数据输入，它与单片机、CPLD、FPGA可直接连接，接口电路简单，转换控制容易且使用方便，在单片机及数字系统中得到广泛应用。值得注意的是，DAC0832是电流输出型芯片，要外接运算放大器将模拟输出电流转换为模拟输出电压。其管脚图和逻辑图分别如图6.10和图6.11所示。图6.10DAC0832管脚图图6.11DAC0832逻辑图DAC0832主要由两个8位寄存器（输入寄存器和DAC寄存器）和一个8位D/A转换器组成。使用两个寄存器的好处是能简化某些应用中硬件接口电路的设计。此D/A转换芯片为20脚双列直插式封装，各管脚含义如下：D10~D17：8位数字量数据输入线。ILE：数字锁存允许信号，高电平有效。CS：输入寄存器选通信号，低电平有效WR1：输入寄存器的写选通信号，低电平有效。由逻辑电路图可知，片内输入寄存器的选通信号LE1=CS+WR1∙ILE。当LXFER：数据传输信号，低电平有效；WR2为DAC寄存器的写选通信号，低电平有效。DAC寄存器的选通信号LE2=XFER+VREF：基准电压输入端。RFB：反馈信号输入端。芯片内已有反馈电阻。IOUT1、IOUT2：电流输出端。IOUT1与IOUT2的和为常数，IOUT1、IOUT2随DAC寄存器中的数据线性变化。Vcc：电源端。DGND：数字地。AGND：模拟地。集成D/A转换芯片DAC0832工作方式（1）单缓冲工作方式单缓冲工作方式接法如图6.12（a）所示。这种工作方式是：在DAC两个寄存器中有一个是常通状态，或者使两个寄存器同时选通及锁存。（2）双缓冲工作方式双缓冲工作方式接法如图6.12（b）所示。这种工作方式是通过控制信号将输入数据锁存于输入寄存器中，当需要D/A转换时，再将输入寄存器的数据转入DAC寄存器中，并进行D/A转换。对于多路D/A转换接口要求并行输出时，必须采用双缓冲同步工作方式。采用双缓冲工作方式的优点是；可以消除在输入数据更新时，输出模拟量的不稳定现象；可以在模拟量输出的同时，就将下一次要转换的数据输入到输入寄存器中，提高了转换速度；用这种工作方式可同时更新多个D/A输出，这样给多个D/A器件系统、多处理器系统中的D/A器件协调一致工作带来了方便。（3）直通工作方式直通工作方式接法如图6.12（c）所示。这种工作方式使两个寄存器一直处于选通状态，寄存器的输出随输入数据的变化而变化，输出模拟量也随输入数据变化。这种工作方式较为简单，因此也较为常用。图6.12DAC0832的三种工作方式任务6.2集成A/D转换器的逻辑功能测试6.2.1A/D转换器的工作原理A/D转换是将时间和数值上连续变化的模拟量转换成时间上离散且数值大小变化也离散的数字量。A/D转换原理框图如图6.18所示，由于输入的模拟信号在时间上连续变化，输出的数字信号在时间上离散变化，所以在信号的转换过程中只能在选定的瞬间对模拟信号取样，并通过A/D转换电路将取样值转换成相应的数字量输出。实现模拟信号的A/D转换，需要经过四个过程：取样、保持、量化、编码。图6.18A/D转换原理框图（1）取样与保持取样是将时间上连续变化的模拟信号定时加以检测，取出某一时间的值，以获得时间上断续的信号。取样的作用是将时间上、幅度上连续变化的模拟信号在时间上离散化。取样的过程可以用一个受控开关形象表示，如图6.19（a）所示，ui为输入模拟电压信号，框内的开关S受脉冲宽度为tw、周期为TS的矩形取样脉冲信号s(t)控制，取样波形如图6.19（b）由于取样后的信号与输入的模拟信号相比发生了很大变化，为了保证取样后的信号uOf其中，fs为取样脉冲信号s(t)的频率；fimax为输入模拟信号ui表6.2给出了A/D转换常用的基带信号（即原始信号）频率和取样频率。UUUU（a）取样过程的受控开关形象表示（b）取样波形图6.19取样过程（2）量化与编码数字信号在时间上、幅度上均离散变化，所以数字信号的值必须是某个规定的最小数字单位的整数倍。为了将取样保持后的模拟信号转换成数字信号，还需对其进行量化与编码。量化是将取样保持后在时间上离散、幅度上连续变化的模拟信号取整变为离散量的过程，即将取样与保持后的信号转换为某个最小单位电压整数倍的过程。编码是将量化后的信号数值用二进制代码表示。对于单极性的模拟信号，一般采用二进制自然码表示；对于双极性的模拟信号，通常使用二进制补码表示。经编码后的结果即为ADC的输出值。ADC电路输入的电压信号ui与输出的数字信号D之间的关系为：D其中，K为比例系数，不同的ADC电路，K各不相同；VREF由于ADC输入的模拟电压信号是连续变化的，而n位二进制代码只能表示2n种状态，所以取样保持后的信号不可能与最小单位电压的整数倍完全相等，只能接近某一量化电平，这就是量化误差。量化一般有两种方法：舍尾取整法——取最小量化单位计算公式为∆=Um为模拟电压信号的最大值，n为数字代码的位数。当输入信号的幅值在0~∆时，量化的结果取0；如果输入信号的幅值在∆~2∆，那么量化结果取∆；以此类推，这种量化方法是只舍不入，其量化误差四舍五入法——以量化级的中间值为基准的量化方法，取∆=当输入信号的幅值在0～∆2时，量化结果的取值为0；当输入信号的幅值在∆2～3∆2时，量化取值为0V～1V模拟信号转换为3位二进制代码，划分量化电平的两种方法如图6.20所示。（a）舍尾取整法（b）四舍五入法图6.20划分量化电平的两种方法6.2.2A/D转换器的分类A/D转换器经历了多次的技术革新，从并行、逐次逼近型、积分型ADC，到近年来新发展起来的∑-Δ型和流水线型ADC，它们各有其优缺点，能满足不同应用场合的使用。逐次比较型A/D转换器图6.21所示为逐次逼近式A/D转换器的原理框图。从图中可以看出逐次逼近式A/D转换器由比较器、控制逻辑、逐次比较寄存器、电压输出D/A转换电路等几个部分组成。图6.21逐次逼近式A/D转换器原理框图其主要原理是将一待转换的输入模拟信号UI与一个推测信号UF相比较，根据推测信号是大于还是小于输入信号来确定是增大还是减小该推测信号，以便向输入模拟信号逼近。推测信号由D/A转换器输出，当推测信号与输入模拟信号相等时，向D/A转换器输入的数值就是输入模拟信号对应的数字量。逐次逼近式A/D转换器的速度较慢，转换时间t与A/D转换的位数N和时钟周期T的关系式为：t=逐次逼近式A/D转换器由于电路结构简单，所以得到广泛应用。一般用于中速的A/D转换场合。双积分型A/D转换器图6.22所示为双积分式A/D转换器工作原理图。它由积分电路、比较器、控制逻辑、计数器等组成，如图6.22（a）所示。（b）图6.22双积分式A/D转换器工作原理图在进行模数转换过程中，首先将开关拨至输入电压端，对输入模拟电压UI进行固定时间积分，称为一次积分；积分时间结束后，再将开关拨至标准电压输入端，进行反向积分，称为二次积分，在此过程中通过计数器进行计时，当积分输出回到0时，积分结束。由于标准电压是恒定的，所以可以通过一次积分时间、反向积分时间等参数计算出输入模拟电压值UI。如图6.22（b）所示，由于曲线A对应的输入电压较大，曲线B对应的输入电压较小，所以在固定积分时间内A对应的积分输出大于B对应的积分输出，而在二次积分过程中，由于标准电压是恒定的，所对应的积分曲线斜率也是恒定的，所以二次积分的时间T1和T2的比值等于输入模拟电压的比值。6.2.3A/D转换器的技术指标ADC转换器的主要技术指标有转换精度、转换速度和电源抑制比等。转换精度在A/D转换器中，是用分辨率和转换误差来表示转换精度的。（1）分辨率ADC的分辨率是指引起输出二进制(或十进制)数字量最低有效位变动一个数码时，对应输入模拟量的最小变化。它反映了它对输入模拟量微小变化的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。显然,它与输出的二进制数的位数有关，在A/D转换器分辨率的有效值范围内，输出二进制数的位数越多,分辨率越小，分辨能力就越高。但超出了AD转换器分辨率的极限值，再增加位数，也不会提高分辨率。实际的A/D转换器，通常为８、10、12、16位等。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分2n个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的12例如，输入的模拟电压最大为5V时，若使用8位的ADC,可分辨的最小输入电压为128×5（2）转换误差转换误差是指ADC实际输出的数字量与理论输出数字量之间的差值，并用最低有效位LSB的倍数来表示。转换误差通常以相对误差的形式给出。例如，相对误差≤±LSB/２,就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的一半.A/D转换器的位数应满足所要求的转换误差。例如A/D转换器的输入模拟电压的范围是0V~5V，要求其转换误差为0.05%，则其允许最大误差为2.5mV，在此条件下，如果系统不考虑其它误差，选用12位的A/D转换芯片就能满足要求。如果考虑到系统还有其他误差，那么应相应地增加A/D转换器的位数，才能使转换误差不会超出所要求的范围。转换速度A/D转换器的转换速度应用A/D转换器的转换时间和转换频率来表示。转换时间是指完成一次转换所需要的时间，即从接收到转换控制信号开始到得到稳定的数字量输出为止所需要的时间。转换速度是指单位时间内完成的转换次数。A/D转换器的转换速度主要取决于A/D转换器的转换类型。不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器转换速度最高，约为数十纳秒;逐次逼近型/转换器速度次之，约为数十微秒;双积分型/转换器速度最慢，约为数十毫秒。此外，在组成高速A/D转换器时，还应将采样-保持电路中的采样时间计入转换时间内。电源抑制比在输入模拟信号不变的情况下，转换电路的电源电压的变化对输出也会产生影响。这种影响可用输出数字量的绝对变化量来表示。电源抑制比是输入电源电压变化量（以伏为单位）与转换电路输出变化量（以伏为单位）的比值，其单位常用分贝表示。此外，还有功率消耗、稳定系数、输入模拟电压范围以及输出数字信号的逻辑电平等技术指标。6.2.4集成A/D转换器集成A/D转换器的种类很多，ADC080X系列ADC转换器如ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804、ADC0805，是较流行的中速廉价型单通道8位MOSA/D转换器。该集成A/D转换器是美国国家半导体公司（NationalSemiconductorCorporation）的产品。这一系列的五个不同型号产品的结构原理基本相同，但非线性误差不同。这一系列的最大非线性误差中，ADC0801为±1/4LSB，ADC0802/0803为±1/2LSB，ADC0804/0805为±1LSB，显然ADC0801的精度最高，其市场售价也最高。这个系列是20管脚双列直插式封装芯片。其特点是内含时钟电路，只要外接一个电阻和电容就可自身提供时钟信号；也可自行提供VREF/2端的参考电压，允许输入信号是差动的或不共地的电压信号。图6.23是该系列的管脚图。图6.23ADC080X系列的管脚图各管脚功能介绍如下：CS，RD，WR（管脚1、2、3）：数字控制输入端，满足标准TTL电平。其中CLKIN（管脚4）和CLKR（管脚19）：ADC0801~ADC0805内部有时钟电路，只要在CLKI和CLKR两端外接一对电阻R、电容Ｃ即可产生A/D转换器所需要的时钟，其振荡频率为fCLK≈11.1RC。其典型应用参数为：R=10kΩ，C=150pF，fCLK≈640kHz，转换时间为100μs。若采用外部时钟，则外部时钟应从CLKI端输入，此时不接INTR（管脚5）：转换结束信号输出端，输出转变为低电平表示本次转换已结束（可作为微处理器查询和中断信号）。如果将CS和WR与INTRADC0801~ADC0805转换器的工作时序如图6.24所示，CS为0时，允许进行A/D转换。WR由低电平跳到高电平时，8位逐次比较需8×8=64个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次转换需66～73个时钟周期。在典型应用fCLK≈640kHz时，转换时间为103～114μs。图6.24ADC080X工作时序图VIN(+)（管脚6）和VIN(-)（管脚7）：被转换的电压信号从VIN(+)和VIN(-)端输入，允许此信号是差动的或不共地的电压信号，如果输入电压信号VIN的变化范围从0V～VAGND（管脚8）和DGND（管脚10）：AGND为模拟地，DGND为数字地，分别有输入端。数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合产生的干扰。VREF/2（管脚9）：参考电压VREF/2可以由外部电路供给，从VREF/2端直接送入，电压应是输入电压的二分之一。教学重点A/D、D/A转换器的工作原理、分类及技术指标；集成A/D、D/A转换器逻辑功能测试。教学难点A/D、D/A转换器的工作原理、分类及技术指标；集成A/D、D/A转换器逻辑功能测试。教学流程教学环节“教学环节”根据教学课前、课中、课后的具体设计填写，如预习、引入新课、具体学习任务、课堂小结、作业等等，表格自行增删。教师活动教师对学生学习活动的把控及观察、评价等信息应在此处有体现，也可以在具体活动的前面描写设计意图或者在具体活动后面增加设计总结。学生活动学生在这个环节中要需要做的事情，包含是否采用分组学习以及如何分组、组内分工等信息。内容回顾1.回顾上一节课的内容；2.课程思政：对电路设计的思路和想法，学生各抒己见引出言论自由与客观公正。1.使用学习通APP，抢答积极参与问答环节；2.讲解自己对预习知识点的理解。讲授1.讲授A/D、D/A转换器的工作原理、分类和技术指标；2.集成A/D转换器逻辑功能测试思路；3.实验要完成的任务。1.学生积极参与学习通APP课堂互动；2.积极回答教师提问；3.认真思考、笔记记录关键内容。分组实操练习安排学生分组完成：1.简易任务：《集成A/D、D/A转换器逻辑功能测试。转换器逻辑功能测试》；2.学生操作时注意巡视；对于提前完成的同学，安排一人对一组帮扶任务，确保每组都能及时完成，不打击任何学生的学习积极性。分组完成：1.硬件连接；2.软件仿真预检验硬件电路方案设计可行性；3.操作演示。4.填写实验结果任务书。总结与课后任务1.总结本次课程内容；2.布置书面作业。1.思考教师总结；2.填写实验结果任务书第二次课（2学时根据根据实际教学时数填写。教学内容教学内容部分的详略可以根据实际情况调整。对于新教师、新课程，要求详细填写；其余填写内容要点即可。项目描述：作为模拟电量转换成数字量或数字量转换成模拟电量输出的接口电路，A/D和D/A转换器是将微型计算机的应用领域扩展到检测和过程控制的必要装置，是把计算机和生产过程、科学实验