数字电子电路分析与应用-学习情境六

任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用一、概述一般来说，自然界中存在的物理量大都是连续变化的物理量，如温度、时间、角度、速度、流量、压力等。由于数字电子技术的迅速发展，尤其是计算机在控制、检测以及许多其他领域中的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况非常普遍。为了能够用数字系统处理模拟信号，必须把模拟信号转换成相应的数字信号，才能送入数字系统(例如计算机等)中进行处理。同时，还经常需要把处理后得到的数字信号再转换成相应的模拟信号，作为最后的输出。这种将模拟量转换为数字量的转换称为模数转换，用A/D表示(AnalogtoDigital);而将数字信号变换为模拟信号叫做数模转换，用D/A表示(DigitaltoAnalog。带有模数和数模转换电路的测控系统大致可用图6.1示意。下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用图中模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入A/D转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由D/A转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。图中将模拟量转换为数字量的装置称为A/D转换器，简写为ADC(AnalogtoDigitalConverter);把实现数模转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC(DigitaltoAnalogConverter)。A/D和D/A转换器是数字控制系统中不可缺少的组成部分，是用计算机实现工业过程控制的重要接口电路。为了保证数据处理结果的准确性，A/D转换器和D/A转换器必须有足够的转换精度。同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，A/D转换器和D/A转换器还必须有足够快的转换速度。因此，转换精度和转换速度乃是衡量A/D转换器和D/A转换器性能优劣的主要标志。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用二、A/D转换器的构成A/D转换器的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号，即将模拟量转换成与其成比例的数字量。实际应用中用到大量的连续变化的物理量，如温度、流量、压力、图像、文字等信号，需要经过传感器变成电信号，但这些电信号是模拟量，它必须变成数字量才能在数字系统中进行加工、处理。因此，模数转换是数字电子技术中非常重要的组成部分，在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用1.A/D转换器的组成与工作原理A/D车令换器是模拟系统和数字系统之间的接口电路，A/D转换器在进行转换期间，要求输入的模拟电压保持不变，但在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号进行采样，然后再把这些采样值转化为输出的数字量。一个完整的A/D转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码四部分电路。在具体实施时，常把这四个步骤合并进行。例如，采样和保持是利用同一电路连续完成的。量化和编码是在转换过程中同步实现的，而且所用的时间又是保持的一部分。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用1)采样定理图6.2所示是某一输入模拟信号经采样后得出的波形。为了保证能从采样信号中将原信号恢复，必须满足条件2)采样保持电路图6.3所示的是一个实际的采样保持电路LF198的电路结构图，图中A1,A2是两个运算放大器，S是模拟开关，L是控制S状态的逻辑单元电路。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用3)量化与编码为了使采样得到的离散的模拟量与n位二进制码的2n个数字量一一对应，还必须将采样后离散的模拟量归并到2n个离散电平中的某一个电平上，这样的一个过程称为量化。量化后的值再按数制要求进行编码，以作为转换完成后输出的数字代码。量化和编码是所有A/D车令换器不可缺少的核心部分之一。数字信号具有在时间上离散和幅度上断续变化的特点。这就是说，在进行A/D转换时，任何一个被采样的模拟量只能表示成某个规定最小数量单位的整数倍，所取的最小数量单位叫做量化单位，用△表示。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用若数字信号最低有效位用LSB表示，1LSB所代表的数量大小就等于△，即模拟量量化后的一个最小分度值。把量化的结果用二进制码，或是其他数制的代码表示出来，称为编码。这些代码就是A/D转换的结果。既然模拟电压是连续的，那么它就不一定是△的整数倍，在数值上只能取接近的整数倍，因而量化过程不可避免地会引入误差。这种误差称为量化误差。将模拟电压信号划分为不同的量化等级时通常有以下两种方法，如图6.4所示，它们的量化误差相差较大。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用4)A/D车令换器的分类按转换过程，A/D转换器可大致分为直接型A/D转换器和间接型A/D转换器。直接型A/D转换器能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。常用的电路有并行比较型和反馈比较型两种。间接型A/D转换器是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间T或频率F，然后再对中间变量量化编码，得出转换结果。A/D转换器的大致分类如图6.5所示。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用2.并行比较型A/D转换器3位并行比较型A/D转换器原理电路如图6.6所示。它由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。图中的8个电阻将参考电压UREF分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为七个比较器C1~C7的参考电压，其数值分别为UREF/15,3UREF/15,13UREF/15。输入电压为u1，它的大小决定各比较器的输出状态，根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，CP作用后，触发器的输出状态Q7~Q1与对应的比较器的输出状态C07~C01相同。经代码转换网络(优先编码器)输出数上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用字量D2D1D0。优先编码器优先级别最高是Q7，最低是Q1。设u1变化范围是0~UREF，输出3位数字量为D2,D1,D0,3位并行比较型A/D转换器的输入、输出关系如表6.1所示。通过观察此表，可确定代码转换网络输出、输入之间的逻辑关系为:上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用在并行A/D转换器中，输入电压uI同时加到所有比较器的输出端，从uI加人经比较器、D触发器和编码器的延迟后，可得到稳定的输出。如不考虑上述器件的延迟，可认为输出的数字量是与uI输入时刻同时获得的。并行A/D转换器的优点是转换时间短，可小到几十纳秒，但所用的元器件较多，如一个n位转换器，所用的比较器的个数为2n-1个。3.逐次逼近型A/D转换器1)概述逐次逼近型A/D转换器属于直接型A/D转换器，它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。我们用天平称量物体的例子来说明逐次逼近的概念。假设用四个分别为8g,4g,2g和1g的祛码去称量重量为13g的物体，称量的过程如表6.2所示。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用A/D转换过程相当于一架天平称量物体的过程，不过这里不是加减祛码，而是通过D/A转换器及寄存器加减标准电压，使标准电压值与被转换电压平衡。这些标准电压通常称为电压祛码。逐次逼近型A/D转换器由比较器、环形分配器、控制门、寄存器与D/A转换器构成。比较的过程首先是取最大的电压祛码，即寄存器最高位为“1”时的二进制数所对应的D/A转换器输出的模拟电压，将此模拟电压uA与u1进行比较，当uA大于u1时，最高位置0;反之，当uA小于u1时，最高位“1”保留，再将次高位置“1"，转换为模拟量与u1进行比较，确定次高位“1”保留还是去掉。依次类推，直到最后一位比较完毕，寄存器中所存的二进制数即为u1对应的数字量。以上过程可以用图6.7加以说明，图中表示将模拟电压u1转换为四位二进制数的过程。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用2)逐次逼近型A/D转换器的工作原理下面结合图6.8的逻辑图具体说明逐次比较的过程。这是一个输出3位二进制数码的逐次逼近型A/D转换器。图中的C为电压比较，当u1≥UA时，比较器的输出UB=0;当u1<UA时UB=1。FA,FB和FC三个触发器组成了3位数码寄存器，触发器F1~F5构成环型分配器，和门G1~G9一起组成控制逻辑电路。转换开始前先将FA,FB,FC置“0”，同时将F1~F5组成的环型移位寄存器置成[Q1Q2Q3Q4Q5]=10000状态。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用转换控制信号鱿变成高电平以后，转换开始。第一个CP脉冲到达后，FA被置成“1”,而FB,FC被置成“0”。这时寄存器的状态[QAQBQC]=100加到D/A转换器的输入端上，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压UA(800mV)。UA和u1比较，其结果不外乎两种:若u1≥UA，则UB=0;若u1<UA，则UB=1。同时，移位寄存器右移一位，使[Q1Q2Q3Q4Q5]=01000。第二个CP脉冲到达时FB被置成“1”。若原来的UB=1(u1<UA)，则FA被置成“0”。此时电压祛码为400mV;若原来的UB=0(ui≥UA)，则FA的“1”状态保留，此时的电压祛码为400mV加上原来的电压祛码值。同时移位寄存器右移一位，变为00100状态。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用第三个CP脉冲到达时FC被置成“1”。若原来的UB=1，则FB被置成“0”;若原来的UB=0，则FB的“1”状态保留，此时的电压祛码为200mV加上原来保留的电压祛码值。同时移位寄存器右移一位，变成00010状态。第四个CP脉冲到达时，同时根据这时UB的状态决定FC的“1”是否应当保留。这时FA,FB,FC的状态就是所要的转换结果。同时，移位寄存器右移一位，变为00001状态。由于Q5=1，于是FA,FB,FC的状态便通过门G6,G7,G8送到了输出端第五个CP脉冲到达后，移位寄存器右移一位，使得[Q1Q2Q3Q4Q5]=10000，返回初始状态。同时，由于Q5=0，门G6,G7,G8被封锁，转换输出信号随之消失。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用所以对于图示的A/D转换器完成一次转换的时间为(n+2)TCP。同时为了减小量化误差，令D/A转换器的输出产生-△/2的偏移量。另外，图6.7中量化单位△的大小依u1的变化范围和A/D转换器的位数而定，一般取△=UREF/2n

。显然，在一定的限度内，位数越多.量化误差袱小.精度越高。4.双积分型A/D转换器1)双积分型A/D转换器的工作原理双积分型A/D转换器属于间接型A/D转换器，它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间跳然后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种A/D转换器多称为电压一时间变换型(简称VT型)。图6.9给出的是VT型双积分式A/D转换器的原理图。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用转换开始前，先将计数器清零，并接通S0使电容C完全放电。转换开始，断开S0。整个转换过程分两阶段进行。第一阶段，令开关S1置于输入信号Ui一侧。积分器对Ui进行固定时间T1的积分。积分结束时积分器的输出电压为:可见积分器的输出UO1与U1成正比。这一过程称为转换电路对输入模拟电压的采样过程。在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器计数。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用当计数器达到满量程N时，计数器由全“1”复“0”，这个时间正好等于固定的积分时间T1。计数器复“0”时，同时给出一个溢出脉冲(即进位脉冲)使控制逻辑电路发出信号，令开关S1转换至参考电压-UREF一侧，采样阶段结束。第二阶段称为定速率积分过程，将UO1转换为成比例的时间间隔。采样阶段结束时，一方面因参考电压-UREF的极性与U1相反，积分器向相反方向积分。计数器由0开始计数，经过T2时间，积分器输出电压回升为零，过零比较器输出低电平，关闭计数门，计数器停止计数，同时通过逻辑控制电路使开关S1与U1相接，重复第一步。因此得到:上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用式(6一3)表明，反向积分时间T2与输入模拟电压成正比。在T2期间计数门G2打开，标准频率为fCP的时钟通过G2，计数器对UG计数，计数结果为D，由于:则计数的脉冲数为:上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用计数器中的数值就是A/D转换器转换后的数字量，至此即完成了VT转换。若输入电压U’>U1，U’O1<UO1

，则T’2<T2它们之间也都满足固定的比例关系，如图6.10所示。双积分型A/D转换器若与逐次逼近型A/D转换器相比较，因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号的平均值有所响应，所以，它的突出优点是工作性能比较稳定且抗干扰能力强;由以上分析可以看出，只要两次积分过程中积分器的时间常数相等，计数器的计数结果与RC无关，所以，该电路对RC精度的要求不高，而且电路的结构也比较简单。双积分型A/D转换器属于低速型A/D转换器，一次转换时间在1一2ms，而逐次比较型A/D转换器可达到1μs不过在工业控制系统中的许多场合，毫秒级的转换时间已经绰绰有余，双积分型A/D转换器的优点正好有了用武之地。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用2)主要特点(1)性能比较稳定、转换精度高。双积分型A/D转换器，因在完成一次转换过程中要进行两次积分，故只要两次积分的时间常数未变，转换结果就不会受时间常数的影响。而且R,C数值的缓慢变化和偏差都不会影响电路的转换精度。至于时钟信号周期，只要在每次转换过程中TCP不变，那么在较长时间里发生的缓慢变化，也不会带来转换误差。(2)抗干扰能力强、电路较简单由于转换器输入端使用了积分器，所以对交流噪声有很强的抑制能力。在积分时间等于交流电网周期的整数倍时，能有效地抑制电网的工频干扰。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用因为在双积分型A/D转换器中，不需要使用D/A转换器，所以电路结构比较简单。(3)工作速度低。双积分型A/D转换器的主要缺点是工作速度低。双积分型A/D转换器，由于其特点特别突出，所以在对转换精度要求较高、对转换速度要求不高的场合得到了广泛使用，例如数字电压表等检测仪器。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用3)集成双积分型A/D转换器集成双积分型A/D转换器品种有很多，大致分成二进制输出和BCD输出两大类，图6.11是BCD码双积分型A/D转换器的框图，它是一种位BCD码A/D转换器。这一芯片输出数码的最高位(千位)仅为0或1，其余3位均由0~9组成，故称为位。位的3表示完整的三个数位有十进制数码0~9，的分母2表示最高位只有0,1二个数码，分子1表示最高位显示的数码最大为1,显示的数值范围为0000一1999。同类产品有ICL7107,ICL7109,5(14433等。双积分型A/D转换器一般外接配套的LED显示器件或LCD显示器件，可以将模拟电压ui用数字量直接显示出来。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用为了减少输出线，译码显示部分采用动态扫描的方式，按着时间顺序依次驱动显示器件，利用位选通信号及人眼的视觉暂留效应，就可将模拟量对应的数字量显示出来。这种双积分型A/D转换器的优点是，利用较少的元器件就可以实现较高的精度；一般输入都是直流或缓变化的直流量，抗干扰性能很强。广泛用于各种数字测量仪表、工业控制柜面板表、汽车仪表等方面。5.A/D转换器的主要参数在A/D转换器中，用分辨率和转换误差来描述转换精度。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用1)分辨率在A/D转换器中，分辨率用输出二进制或十进制数的位数表示，分辨率是指引起输出二进制数字量最低有效位变动一个数码时，输入模拟量的最小变化量。小于此最小变化量的输入模拟电压，将不会引起输出数字量的变化。也就是说，A/D转换器的分辨率，实际上反映了它对输入模拟量微小变化的分辨能力。显然，它与输出的二进制数的位数有关，输出二进制数的位数越多，分辨率越小，分辨能力越高。但超出了A/D转换器分辨率的极限值，再增加位数，也不会提高分辨率。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用输出为n位二进制数的A/D转换器，应能区分输入模拟电压的2n个不同等级。例如，当n=8时，应能区分的输入电压的差异是UI(max)/28，如果输出是四位半十进制数(8421BCD码)，则应能区分的输入电压的差异将是UI(max)/(2x104)所谓四位半，是指输出的十进制数可以从0到19999，最高位只能是0或1，其他位可以为0~9中的任何数。2)转换误差A/D转换器的转换误差通常以相对误差形式给出，它表示A/D转换器实际输出的数字量和理想输出数字量的差别，并用最低有效位LSB的倍数表示。例如，当给出的相对误差≤LSB/2时，其含义是A/D转换器实际输出数字量和理论上应得到的输出数字量，两者之间的误差不大于最低位的1/2。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用3)转换速度A/D转换器的转换速度，主要取决于电路的类型，不同类型的A/D转换器，转换速度差别很大。并联比较型A/D转换器的转换速度最高，8位输出单片集成A/D转换器的转换时间可以不超过50ns。逐次渐近型A/D转换器次之，8位输出单片集成A/D转换器的转换时间可以不超过400ns。多数在10一50μs之间。双积分A/D转换器最低，转换时间大都在几十毫秒到数百毫秒之间。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用三、常用的集成ADC的应用逐次逼近型A/D转换器是大量使用的A/D转换器，现在介绍A/D公司生产的一种逐次逼近型集成A/D转换器ADC0809。ADC0809是比较常用的集成芯片A/D转换器，它属于CMOS型8位A/D转换器ADC0809采用逐次比较方式进行A/D转换，适用于分辨率较高而转换速度适中的场合。图6.12

(A)为它的原理框图。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。8路模拟开关使得ADC0809可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用(1)ADCOSO9的引脚排列如图6.12(B)所示。各引脚的功能如下:①IN0~IN7：8路模拟输入端②UREF(+)、UREF(-):基准电压的正、负极输入端。由此输入基准电压，其中心电压在VDD/2附近，偏差不应超过0.1V。③START:启动脉冲信号输入端，当需要启动A/D转换器过程时，在此端加一个正脉冲，脉冲的上升沿将所有的内部寄存器清零，下降沿开始A/D转换器过程。④A2、A1、A0:模拟输入通道的地址选择线;用于选择IN0~IN7上哪一路模拟电压送入比较器进行A/D转换。⑤ALE:地址锁存允许信号，高电平有效，当ALE=1时，将地址信号有效锁存，并经译码器选中一个通道。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用⑥CLK:时钟脉冲输入端。⑦D0~D7：转换器的数码输出端，D7为高位，D0为低位。⑧OE:输出允许信号，高电平有效，当OE=1时，打开输出锁存的三态门，将数据送出。⑨EOC:车令换结束信号，高电平有效，在START信号上升沿之后1一8个时钟周期内，EOC信号输出变为低电平，标志转换器正在进行转换，当转换结束，数字量已锁人“三态输出锁存器”，所得数据可以读出时，EOC信号输出变为高电平，作为通知接收数据的设备取该数据的信号。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用模拟量输入部分:ADC0809对输入模拟量要求:信号单极性，电压范围是0一5V，若信号太小，必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如果模拟量变化太快，那么需在输入前增加采样保持电路。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A2、A1、A0三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中通道的模拟量进入转换器进行转换。A2、A1、A0为地址输入线，用于选通IN0~IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表6.3所示。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用数字量输出部分:START为转换启动信号，当START上跳沿时，所有内部寄存器清零;下跳沿时，开始进行AlD转换;在转换期间，START应保持低电平。EOC为转换结束信号，当EOC为高电平时，表明转换结束;否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=1，输出转换得到的数据;OE=0，输出数据线呈高阻状态。D7~D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500kHz,UREF(+)、UREF(-)为参考电压输入。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用(2)工作时序与使用说明。ADC0808/0809的工作时序如图6.13所示。当通道选择地址有效时，ALE信号一出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随ALE之后(或与ALE同时)出现。START的上升沿将逐次逼近寄存器SAR复位，在该上升沿之后的2μs加8个时钟周期内(不定)，EOC信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到转换完成后EOC再变高电平。微处理器收到变为高电平的EOC信号后，便立即送出OE信号，打开三态门，读取转换结果。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行(当然，不能在转换过程中进行)，然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成(因为ADC0808/0809的时间特性允许这样做)。这样可以用一条写指令既选择模拟通道又启动转换。在与微机接口时，输入通道的选择可有两种方法，一种是通过地址总线选择，一种是通过数据总线选择。如用EOC信号去产生中断请求，要特别注意EOC的变低相对于启动信号有2μs+8个时钟周期的延迟，要设法使它不致产生虚假的中断请求。为此，最好利用EOC上升沿产生中断请求，而不是靠高电平产生中断请求。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用(3)ADC0809的应用举例。ADC0809广泛用于微型计算机应用系统，可利用微机提供CP脉冲至CLE端，同时微机的信号对ADC0809的START,ALE,A2、A1、A0端进行控制，选中IN0~IN7中的某一个模拟输入通道，并对输入的模拟信号进行模/数转换，通过三态寄存器的D0~D7输出转换后的数字信号。ADC0809也可以独立使用，电路如图6.14所示，OE,ALE通过一个电阻接+5V电源，高电平有效状态。将EOC连接到START引脚上施加一个触发启动脉冲后，集成电路便处于一种连续转换的工作状态，因为EOC端在转换结束时送出的脉冲提供了下一个触发启动脉冲。模拟输入通道的选择可通过置A2、A1、A0的状态而实现。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用四、D/A转换器的构成1.D/A转换器的基本概念把数字信号转换为模拟信号称为数1模转换，简称D/A(DigitaltoAnalog)转换，实现D/A车令换的电路称为D/A转换器，或写为DAC(Digital-AnalogConverter)。随着计算机技术的迅猛发展，人类从事的许多工作，从工业生产的过程控制、生物工程到企业管理、办公自动化、家用电器等各行各业，几乎都要借助于数字计算机来完成。但是，计算机是一种数字系统，它只能接收、处理和输出数字信号，而数字系统输出的数字量必须还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制。数/模转换是数字电子技术中非常重要的组成部分。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用D/A车令换器是利用电阻网络和模拟开关，将多位二进制数D转换为与之成比例的模拟量的一种转换电路，因此，输入应是一个n位的二进制数，它可以按二进制数转换为十进制数的通式展开为:而输出应当是与输入的数字量成比例的模拟量A：上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用式中的K为转换系数。其转换过程是把输入的二进制数中为1的每一位代码，按每位权的大小，转换成相应的模拟量，然后将各位转换以后的模拟量，经求和运算放大器相加，其和便是与被转换数字量成正比的模拟量，从而实现了数模转换。一般的D/A转换器输出A是正比于输入数字量D的模拟电压量。比例系数K为一个常数，单位为伏特。D/A转换器的种类很多，分类方法如图6.15所示。这里主要介绍常用的权电阻网络。2.权电阻网络D/A转换器1)工作原理权电阻网络D/A转换器的基本原理图如图6.16所示。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用这是一个四位权电阻网络D/A转换器。它由权电阻网络、电子模拟开关和放大器组成该电阻网络的电阻值是按四位二进制数的位权大小来取值的，低位最高(23R)，高位最低(20R)，从低位到高位依次减半S0、S1、S2和S3为四个电子模拟开关，其状态分别受输入代码d0、d1、d2和d3四个数字信号控制。输入代码di为1时开关Si连到1端，连接到参考电压UREF上，此时有一支路电流Ii流向放大器的A节点。di为0时开关Si连到0端直接接地，节点A处无电流流入。运算放大器为一反馈求和放大器，此处我们将它近似看作是理想运放。因此我们可得到流入节点A的总电流为:上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用可得结论:iΣ与输入的二进制数成正比，故而此网络可以实现从数字量到模拟量的转换。另一方面，对通过运放的输出电压，我们有同样的结论:运放输出为:当RF=R时，将式(6一5)代人，得:上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用将上述结论推广到n位权电阻网络D/A转换器，输出电压的公式可写成:权电阻网络D/A转换器的优点是电路简单，电阻使用量少，转换原理容易掌握;缺点是所用电阻依次相差一半，当需要转换的位数越多，电阻差别就越大，在集成制造工艺上就越难以实现。为了克服这个缺点，通常采用T形或倒T形电阻网络D/A转换器。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用3.倒下形电阻解码网络D/A转换器倒T形电阻解码网络D/A转换器是目前使用最为广泛的一种形式，其电路结构如图6.19所示。图6.19所示是一个n位二进制数D/A转换器的电路原理图。dn…d1d0是输入的n位二进制数，它们控制着由N沟道增强型MOS管组成的n个电子开关Sn-1,…、S1,S0,R,2R组成倒T形电阻转换网络，运算放大器完成求和运算，UREF是输出模拟电压，是参考电压，也叫做基准电压。当输入数字信号的任何一位是“1”时，对应开关便将2R电阻接到运放反相输入端，而当其为“0”时，则将电阻2R接地。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用由图6.19可知，按照虚短、虚断的近似计算方法，求放大器反相输入端的电位为虚地，所以无论开关合到那一边，都相当于接到了“地”电位上。在图示开关状态下，从最左侧将电阻折算到最右侧，先是2R//2R并联，电阻值为R，再和R串联，又是2R，一直折算到最右侧，电阻仍为R，则可写出电流I的表达式为:上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用只要UREF选定，则电流I为常数。流过每个支路的电流从右向左，分别为、、、…。当输入的数字信号为“1”时，电流流向运放的反相输入端，当输入的数字信号为“0”时，电流流向地，可写出iΣ的表达式为:在求和放大器的反馈电阻等于R的条件下，输出模拟电压为:上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用与权电阻解码网络相比，所用的电阻阻值仅两种，串联臂为R，并联臂为2R，便于制造和扩展位数。4.D/A转换器的主要参数1)分辨率分辨率是用以说明D/A转换器在理论上可达到的精度。用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度，显然输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率越高。所以实际应用中，往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用此外，D/A转换器的分辨率也定义为电路所能分辨的最小输出电压ULSB与最大输出电压Um之比来表示，即:上式说明，输入数字代码的位数n越多，分辨率越小，分辨能力越高，例如，5G7520十位D/A转换器的分辨率为:上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用2)车令换误差转换误差是用以说明D/A转换器实际上能达到的转换精度。转换误差可用输出电压满度值的百分数表示，也可用LSB的倍数表示。产生静态误差的原因有:基准电源UREF不稳定、运放的零点漂移、模拟开关导通时的内阻和压降以及电阻网络中阻值的偏差等。动态误差则是在转换的动态过程中产生的附加误差，它是由于电路中的分布参数的影响，使各位的电压信号到达解码网络输出端的时间不同所致。3)建立时间tset它是在输入数字量各位由全0变为全1，或由全1变为全0，输出电压达到某一规定值所需要的时间。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用目前，在内部只含有解码网络和模拟开关的单片集成D/A转换器中，tset≤,0.1μs;在内部还包含有基准电源和求和运算放大器的集成D/A转换器中，最短的建立时间在1.5μs左右。4)转换速率SR。D/A转换器的转换速率SR可用大信号工作状态下输出模拟电压的变化率表示。一般在不包含参考电压源和运算放大器时，集成D/A转换器的转换速度可以做得比较高，如果要求整个D/A转换器有较高的转换速率，则应选配转换速率较高的运算放大器。不难理解，D/A转换器完成一次转换所需的时间，应包括建立时间和上升(或下降)时间两部分，其最大值为:上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用五、常用集成DAC的应用1.常用集成D/A转换器简介目前市场上出售的集成D/A转换器有两大类，一类器件的内部只包含电阻网络和模拟开关，另一类器件还包含了参考电压源发生电路和运算放大器。因此，在使用前一类器件时，必须外接参考电压源和运算放大器。常见的D/A转换芯片见表6.5，表中同时给出了芯片的主要参数。为了提高对D/A转换芯片的实际应用能力，下面给出DAC0832实用线路举例。DAC0832是CMOS型的8位微机兼容D/A转换器，内有8位输入寄存器、8位DAL寄存器，其电路采用倒T形电阻网络，电子模拟开关，都集成在芯片上。但运算放大器是外接的。DAC0832的引脚排列如图6.20所示。上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用DAC0832共有20个引脚，各引脚的功能说明如下:①D7~D0为数据输入端，D7为最高位，D0为最低位;②IOUT1为模拟电流输出端1，接到运算放大器的反相输入端;③IOUT2为模拟电流输出端2，接到运算放大器的同相输入端;④RF为外接运算放大器提供的反馈电阻引出端;⑤UREF基准参考电压，取值范围为-10~+10v;⑥VDD为电源电压，取值范围为-10~+10v;⑦DGND为数字信号接地端;⑧AGND为模拟信号接地端;上一页下一页返回任务1A/D转换器和D/A转换器的分析与应用⑨ILE是输入寄存器锁存允许信号，高电平有效，它与WR1,CS共同控制输入寄存器选通;⑩CS为输入片选信号，低电平有效;⑾WR1是写入信号1，低电平有效，CS=0,WR1=1才能将数据线中的数据写入输入寄存器中;⑿XFER控制传输信号输入端，低电平有效，控制WR2选通DAC寄存器;⒀WR2是写入信号2，低电平有效，它与XFER配合，当两者均匀为0时，将输入寄存器中的值写入DAL寄存器中。上一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真一、数字电压表的特点与指标参数数字电压表(DigitalVoltMeter)简称DVM，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。数字电压表是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心，可以扩展成各种通用数字仪表、专用数字仪表及各种非电量的数字化仪表(如:温度计、湿度计、酸度计、重量、厚度仪等)，几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化仪表等各个领域。因此对数字电压表作全面深入的了解是很有必要的。下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真1.数字电压表的特点1)显示清晰直观，读数准确传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免会引入人为的测量误差。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，能避免人为测量误差(例如视差)，保证读数的客观性与准确性;同时它符合人们的读数习惯，能缩短读数和记录的时间。新型数字电压表还增加了标志符显示功能，包括测量项目、符号单位和特殊符号、为解决DVM不能反映被测电压的连续变化过程以及变化趋势这一难题，一种“数字/模拟条图”仪表业已问世。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真“模拟图条”有双重含义:第一，被测量为模拟量;第二，利用条状图形来模拟被测量的大小及变化趋势。这类仪表将数字显示与高分辨率模拟条图显示集于一身，兼有DVM与模拟电压表之优点。智能数字电压表均带微处理器和标准接口，可配合计算机和打印机进行数据处理或自动打印，构成完整的测试系统。2)显示位数多显示位数通常为3位、4位、5位、6位、7位、8位元等几种。判定数字仪表的位数有两条原则:能显示0一9所有数字的位是整数位;分数位的数值是以最大显示值中最高位数字为分子，用满量程时最高数字作分母。例如，某数字仪表的最大显示值为1999,满量程计数值为2000，这表明该仪表有3个整数位，而分数位的分子为1，分母是2，故称之为3位，读作三位半。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真3)准确度高准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合。数字电压表的准确度远优于模拟式电压表。4)分辨率高分辨率是指数字电压表所能显示的最小数字(零除外)与最大数字的百分比，它反映仪表灵敏度的高低。需要指出，分辨率与准确度属于两个不同的观念。从测量角度看，分辨率与测量误差无关，准确度才是代表测量误差的大小。5)测量范围宽多量程DVM一般可测量。一1000V直流电压，配上高压探头还可测上万伏的高压。

上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真6)扩展能力强在数字电压表的基础上，还可扩展成各种通用及专用数字仪表、数字多用表(DMM)和智能仪表，以满足不同的需要。如通过转换电路测量交直流电压、电流，通过特性运算可测量峰值、有效值、功率等，通过变化适配可测量频率、周期、相位等。7)测量速度快数字电压表在每秒钟内对被测电压的测量次数，叫测量速率，单位是“次/S”。它主要取决于A/D转换器的转换速率，其倒数是测量周期。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真8)输入阻抗高数字电压表具有很高的输入阻抗，通常为10一10000MΩ，最高可达1TΩ。在测量时从被测电路上吸取的电流极小，不会影响被测信号源的工作状态，能减小由信号源内阻引起的测量误差。9)集成度高，微功耗新型数字电压表普遍采用CMOS大规模集成电路，整机功耗很低。10)抗干扰能力强5

位以下的DVM大多采用积分式A/D车。换器，其串模抑制比、共模抑制比个另。可达100dB,80~120dB。高档DVM还采用数字滤波、浮地保护等先进技术，进一步提高了抗干扰能力，共模抑制比可达180dB。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真2.数字电压表的发展趋势采用新技术、新工艺，由LSI和VLSI构成的新型数字仪表及高档智能仪器的大量问世，标志着电子仪器领域的一场革命，也开创了现代电子测量技术的先河(1)广泛采用新技术，不断开发新产品。(2)模块化的发展方向。新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，许多数字仪表将由标准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。表面安装技术(SMT)和表面安装元器件(SMD)将获得普遍应用。这项技术被誉为世界电子工艺技术的一项重要突破。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路(SMIC)和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印制板上，再用波峰焊接机焊接，由此取代传统的打孔焊接工艺，使印制板安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。(3)多重显示仪表。为彻底解决数字仪表不便于观察连续变化量的技术难题，“数字/模拟条图”双显示仪表已成为国际流行款式，它兼有数字仪表准确度高、模拟式仪表便于观察被测量的变化过程及变化趋势的两大优点。模拟条图大致分成三类:①液晶(LCD)条图，呈断续的条状，这种显示器的分辨力高、微功耗，体积小，低压驱动，适于电池供电的小型化仪表。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真②等离子体(PDP)光柱显示器，其优点是自身发光，亮度高，显示清晰，观察距离远，分辨力较高，缺点是驱动电压高，耗电较大③LED光柱，它是由多只发光二极管排列而成。这种显示器的亮度高，成本低，但像素尺寸较大，功耗高，驱动电路复杂(4)安全性。仪器仪表在设计和使用中的安全性，对于生产厂家和广大用户都是至关重要的问题。一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准(例如美国UL认证，欧洲GS认证，ISO9001国际标准质量认证);另一方面用户必须安全操作，时刻注意仪表上的各种安全警告指示。仪表的保护电路在于最大限度地减小或防止因误操作而造成的危害。以DMM为例，常见的误操作是用电流挡或电阻挡去测量电压。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真(5)操作简单化。由于数字电压表的使用范围越来越广，为方便用户操作，节约操作时间，数字电压表使用简化控制操作方式的趋势也愈加盛行。二、数字电压表电路的组成部分数字电压表是以数字形式显示被测直流电压的大小和极性的测试仪表，它将输入的模拟量转换成数字量输出。本节在此以基于双积分转换器MC14433芯片的数字电压表为例，讲解数字电压表的组成与工作原理。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真其工作过程如图6.26所示，交流电经过AC/DC转换成直流，经过电阻分压及稳压放大后，进入双积分转换器MC14433转化成数字信号，再通过CD4511译码器变换成七段码，最后驱动LED显示器显示出相应的数值，完成电压测试。数字电压表电路大致分为5个模块，分别为基准电压模块、模拟量输入模块、A/D转换模块、译码驱动模块、显示电路模块。1.A/D转换模块A/D转换模块是数字电压表电路的核心部分，它将输入的模拟信号转换成数字信号。该模块主要由双积分A/D转换器MC14433组成。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式A/D转换器。和其他典型的双积分A/D转换器类似，MC14433A/D转换器由积分器、比较器、计数器和控制电路组成。使用MC14433时只要外接两个电阻(分别是片内RC振荡器外接电阻和积分电阻R1)和两个电容(分别是积分电容C1和自动调零补偿电容C0)就能执行三位半的A/D转换。MC14433内部原理框图如图6.27所示，CMOS模拟电路实现了如下功能:(1)提高A/D转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达100MΩ以上。(2)和外接的R1,C1构成一个积分放大器，完成V/T转换即电压一时间的转换。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真(3)构造了电压比较器，完成“0"电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“1”还是“0"。比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号。(4)与外接电容器C0构成自动调零电路。除“CMOS模拟电路”以外，MC14433内部含有四位十进制计数器，对反积分时间进行三位半BCD码计数(0一1999)，并锁存于三位半十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信号(D明作用下，实现A/D转换结果的锁定和存储。借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0~Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1~DS4，实现三位半数码的扫描方式(多路调制方式)输出。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真MC14433内部的控制逻辑是A/D转换的指挥中心，它统一控制各部分电路的工作。根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成A/D转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。在对基准电压UREF进行积分时，控制逻辑令4位计数器开始计数，完成A/D转换。MC14433内部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，并利用内部电容形成振荡，产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈RC多谐振荡器，一般外接电阻为360kSL时，振荡频率为100kHz;当外接电阻为470kΩ时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750kΩ时，振荡频率为50kHz。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真若采用外时钟频率，则不要外接电阻，时钟频率信号从GP1(10脚)端输入，时钟脉冲CP信号可从CPO(原文资料为CLKO)(11脚)处获得。MC14433内部可实现极性检测，用于显示输入电压UX的正负极性;而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压UX超出量程范围时，输出过量程标志OR(低有效)。MC14433是双斜率、双积分A/D转换器，采用电压一时间间隔(V/T)方式，通过先后对被测模拟量电压UX和基准电压UREF的两次积分，将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，用计数器测出这个时间间隔对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。双积分过程可以做如下概要理解:上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真首先对被测电压UX进行固定时间T1,固定斜率的积分，其中T1=4000TCP。显然，不同的输入电压积分的结果不同(不妨理解为输出曲线的高度不同)。然后再以固定电压UREF以及由R1,C1所决定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零，显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言，这一次的积分时间必然不同。于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数，则该数N就是被测电压对应的数字量，由此实现了A/D转换。积分电阻电容的选择应根据实际条件而定。若时钟频率为66kHz,C1一般取0.1μF。R1的选取与量程有关，量程为2V时，取R.为470kΩ;量程为200mV时，取R1为27kΩ。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真选取R1和C1的计算公式如下:式中，△UC为积分电容上充电电压幅度，上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真MC14433采用24引线双列直插式封装，外引线排列.参考图6.28的引脚标注，各主要引脚功能说明如下:1端:UAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX和基准电压UREF的参考点。2端:UREF，外接基准电压输入端3端:UX，是被测电压输入端4端:R1，外接积分电阻端5端:R1

/C1，外接积分元件电阻和电容的公共接点。6端:C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真7和8端:C01和C02，外接失调补偿电容端。推荐外接失调补偿电容C0取0.1μF。9端:DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。若该端通过一电阻和EOC短接，则每次转换的结果都将被输出。10端:CPI(CLKI)，时钟信号输入端。11端:CPO(CLKO)，时钟信号输出端。12端:UEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向USS端。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真13端:USS，负电源端14端:EOC，转换周期结束标志输出端，每一A/D转换周期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的1/2。15端:OR，过量程标志输出端，当|UX|>UREF时，OR输出低电平，正常量程时OR为高电平。16~19端:对应为DS4

~DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当DS端输出高电平时，表示此刻Q0

~Q3输出的BCD代码是该对应位上的数据。20~23端:对应为Q0

~Q3，分别是A/D转换结果数据输出BCD代码的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位输出端。24端:VDD，整个电路的正电源端。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真2.译码驱动模块本模块包括译码器和驱动器两个电路。译码器(MC4511)将二一十进制(BCD)码转换成七段信号;驱动器(MC1413)驱动显示器的a,h,。、d、e,.f,g七个发光段，驱动发光数码管(LED)进行显示。1)七段锁存一译码一驱动器CD4511CD4511是专用于将二一十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由四位锁存器，七段译码电路和驱动器三部分组成。(1}四位锁存器(LATCH):它的功能是将输入的A,B,C和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端(LE端，即LATCHENABLE)控制下起锁存数据的作用。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码;当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码由此可见，利用LE端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。(2)七段译码电路:将来自四位锁存器输出的BCD代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端:LT(LAMPTEST)灯测试端。当LT=0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示;当LT=1时，译码器输出状态由BI端控制BI(BLANKING)消隐端。当BI=0时，控制译码器为全0输出，发光数码管各段熄灭BI=1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。(3)驱动器:利用内部设置的NPN管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。CD4511电源电压VDD范围为5一15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配和真值表参见学习情境二。2)七路达林顿驱动器阵列MC1413MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真该电路内含有7个集电极开路反相器(也称OC门)。MC1413电路结构和引脚如图6.29所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的续流二极管。适合驱动小功率灯组、继电器阵列、垂直控制电路组等，用途广泛，在工业和消费类电子中均有应用。其晶体管阵列耐压高，还设有反向电压抑制二极管，使其可稳定驱动感性负载。峰值浪涌电流为500mA，可直接驱动小功率自炽灯。3.基准电压模块A/D车令换需要外接标准电压源作参考电压。标准电压源的精度应当高于A/D转换器的精度。常用的高精度低漂移能隙MC1403集成稳压源，该电路的特点是:上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真(1)温度系数小。(2)噪声小。(3)输入电压范围大，稳定性能好，当输入电压从+4.5V变化到+15V时，输出电压值变化量小于3mV。(4)输出电压值准确度较高，其值在2.475~2.525V以内。(5)压差小，适用于低压电源。(6)负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。4.显示电路模块本模块使用七段LED数码管作为显示器，将数字电压表的测量结果以数字形式读出。

上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真5.模拟量输入模块本模块将被测的模拟电压信号加以处理，输入A/D转换器，包括量程选择和交直流转换电路两部分。1)量程选择与分压稳定电路因设计需要，数字电压表常需要在多个量程间切换，例如设计要求量程为:0.001-1.999V,0.01一19.99V,0.1一199.9V,0一1999V;选MC14433的基准电压为2V，则其量程为0.001一1.999V，所以其他量程分别为“X10”<“X100“<”X1000”挡位。电路如图6.30所示，用4个电阻串联进行分压，使进入MC14433的电压均小于2V，有:上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真取R4=10kΩ，则R1=9MΩ,R2=900kΩ,R3=90kΩ。2)电压跟随器和AC/DC转换电路电压跟随器的作用是保护电路，使后级电路不承受超出安全值的电压。经过电压跟随器后，半波整流后的平均值与有效值之间的关系如图6.31所示，图6.31中的IC1进行半波整流，IC2是平均值一有效值变换电路，其作用是将经半波整流后得到的输出电压加以平滑和放大，将U‘放大到有效值U，放大倍数A=U/U’=2.22。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真三、数字电压表电路的工作原理本系统是三位半数字电压表，三位半是指数字电压表测量范围为十进制数0000~1999。所谓三位是指个位、十位、百位，其数字范围均为0一9，而所谓半位是指千位数，它不能从0变化到9，而只能由0变到1,即二值状态，所以称为半位。数字电压表主要部分是A/D转换器，显示方法通常采用动态扫描(工作时四个数码管轮流点亮，利用人眼的视觉残留特性能够得到整体效果，当扫描频率过低时显示的数码会有闪烁感)方式，采用这种方式较为省电，但需要字形译码驱动电路和字位驱动电路。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真以双积分型A/D转换器(MC14433)为核心所构成的3位数字电压表的典型电路如图6.32所示。1.扫描显示基本原理扫描显示的原理电路如图6.33

(A)所示，图中有4个数码管，但它们的七段(a,h,c,d、c,f,g)输入端是并联在一起的，并和同一个显示译码器的输出端相连。这样，当译码器有输出时，这4个数码管的七段输入都加上了信号，但绝不会4个数码管都被点亮显示，因为每位数码管的共阴极端电位(D1~D4)是由DS1~DS4输出的多路调制选通脉冲信号决定的，这些选通脉冲是一系列顺序脉冲。每个DS选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真DS和EOC的时序关系是在EOC脉冲结束后，紧接着是DS1输出正脉冲。以下依次为DS2、DS3和DS4。其中DS1对应最高位(MSD),DS4则对应最低位(LSD)。这样在某一时刻，只有一个选通脉冲为高电平，经非门反向后为低电平，于是它所对应的数码管被导通，此时该位数据在Q0~Q3端输出。由于顺序脉冲依次为高电平，于是各个数码管依次显示。在对应DS2、DS3和DS4选通期间，Q0~Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0~9。在DS1选通期间，Q0~Q3输出千位的半位数0或1及过量程、欠量程和极性标志信号。可见要实现扫描显示，需同时达到如下两个要求：①用顺序脉冲控制各数码管的共阴端电位，某一时刻只能有1个数码管导通。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真②译码器所输出的七段代码要和选通脉冲(顺序脉冲)相配合，即某位数码管的选通脉冲有效时，译码器要给出该位数码管所对应的七段代码。但要指出，尽管各数码管是在不同时刻依次点亮的，由于人的眼睛存在暂留效应，只要顺序脉冲的频率(扫描频率)比较适中，各数码管的显示仍然是稳定的。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真2.千位(0和1)和正、负极性显示问题在图6.32所给出的数字电压表电路中，最高位(千位)上的数码管的功能与其余3位上的数码管是不同的，它实际上只有半位的含义，即没有显示或只显示1。在位选信号DS1选通期间Q0~Q3的输出内容如下:Q3表示千位数，Q3

=0代表千位数的数字显示为1,Q3=1代表千位数的数字显示为0。Q2表示被测电压的极性，Q2的电平为1，表示极性为正，即UX>0,Q2的电平为0，表示极性为负，即UX<0。显示数的负号(负电压)由MC1413中的一只晶体管控制，符号位的“一”阴极与千位数阴极接在一起，当输入信号UX为负电压时，Q2端输出置“0”,Q2负号控制位使得驱动器不工作，通过限流电阻RM使显示器的“一”(即g段)点亮;当输入信号UX为正电压时，Q2端输出置“1”，负号控制位使达林顿驱动器导通，电阻RM接地，使“一”旁路而熄灭。上一页下一页返回任务2数字电压表电路的设计与仿真小数点显示是由正电源通过限流电阻RDP供电燃亮小数点。若量程不同则选通对应的小数点。过量程是当输入电压UX超过量程范围时，输出过量程标志信号OR。3.电路元器件参数及功能数字电压表部分元器件参数及功能见表6.6。上一页返回任务3数字电压表电路的制作与调试一、数字电压表电路的制作数字电压表的制作包括电路设计与仿真、PCB电路板的设计、整机安装与调试三部分。1.电路的设计与仿真设计一个电子电路系统时，首先必须明确系统的设计任务，根据任务进行方案选择，然后对方案中的各个部分进行单元电路设计，参数计算和器件选择，最后将各个部分连接在一起，画出一个符合设计要求的完整的系统电路图。1)明确系统的设计任务要求对系统的设计任务进行具体分析，充分了解系统的性能、指标、内容及要求，以明确系统应完成的任务。下一页返回任务3数字电压表电路的制作与调试本任务是要求设计一个测量范围为(直流电压)0一1.999V,0一19.99V,0一199.9V,0一1999V的三位半数字电压表。

2)方案选择这一步的工作要求是把系统要完成的任务分配给若干个单元电路，并画出一个能表示各单元功能的整机原理框图。方案选择的重要任务是根据掌握的知识和资料，针对系统提出的任务、要求和条件，完成系统的功能设计。在这个过程中要敢于探索，勇于创新，力争做到设计方案合理、可靠、经济、功能齐全、技术先进。并且对方案要不断进行可行性和有缺点的分析，最后设计出一个完整框图。框图必须正确反映应完成的任务和各组成部分的功能，清楚表示系统的基本组成和相互关系。上一页下一页返回任务3数字电压表电路的制作与调试3)单元电路的设计、参数计算和器件选择根据系统的指标和功能框图，明确各部分任务，进行各单元电路的设计、参数计算和器件选择。(1)单元电路设计。单元电路是整机的一部分，只有把各单元电路设计好才能提高整机设计水平。每个单元电路设计前都需明确各单元电路的任务，详细拟定出单元电路的性能指标，与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。具体设计时，可以模仿传输先进的电路，也可以进行创新或改进，但都必须保证性能要求。而且，不仅单元电路本身要设计合理，各单元电路间也要互相配合，注意各部分的输入信号、输出信号和控制信号的关系。上一页下一页返回任务3数字电压表电路的制作与调试(2)参数计算。为保证单元电路达到功能指标要求，就需要用电子技术知识对参数进行计算。例如，放大电路中各电阻值、放大倍数的计算;振荡器中电阻、电容、振荡频率等参数的计算。只有很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，计算的参数才能满足设计要求。参数计算时，同一个电路可能有几组数据，注意选择一组能完成电路设计要求的功能，在实践中能真正可行的参数。计算电路参数时应注意下列问题:①元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求。②元器件的极限参数必须留有足够充裕量，一般应大于额定值的1.5倍。③电阻和电容的参数应选计算值附近的标称值。上一页下一页返回任务3数字电压表电路的制作与调试(3)器件选择。①元件的选择。阻容电阻和电容种类很多，正确选择电阻和电容是很重要的。不同的电路对电阻和电容性能要求也不同，有些电路对电容的漏电要求很严，还有些电路对电阻、电容的性能和容量要求很高。例如，滤波电路中常用大容量(100一3000μF)铝电解电容，为滤掉高频通常还需并联小容量0.01一0.1μF)瓷片电容。设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。②分立元件的选择。分立元件包括二极管、晶体三极管、场效应管、光电二(三)极管、晶闸管等，根据其用途分别进行选择。上一页下一页返回任务3数字电压表电路的制作与调试选择的期间种类不同，注意事项也不同。例如，选择晶体三极管时，首先注意是选择NPN型还是PNP型管、是高频管还是低频管、是大功率管还是小功率管，并注意管子的参数PCM,ICM,BVCEO,ICBO,T和刀是否满足电路设计指标的要求，高频工作时，要求T=5~10，为工作频率。③集成电路的选择。由于集成电路可以实现很多单元电路甚至整机电路的功能，所以选用集成电路来设计单元电路和总体电路既方便又灵活，它不仅使系统体积缩小，而且性能可靠，便于调试及运用，在设计电路时颇受