电子电路分析制作与调试-项目８　 温度检测电路的设计与装调

８.１Ａ／Ｄ转换８.１.１Ａ／Ｄ转换器１.Ａ／Ｄ转换器的分类常用ＡＤＣ有积分型、逐次逼近比较型、并行比较型／串并行比较型、Σ－Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。下面简要介绍常用的几种类型的基本原理与特点。１）积分型积分型Ａ／Ｄ转换器（ＴＬＣ７１３５）的工作原理是先将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器／计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率；但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，所以转换速率极低。初期的单片Ａ／Ｄ转换器大多采用积分型，现在逐次逼近比较型已逐步成为主流。下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换２）逐次逼近比较型逐次逼近比较型Ａ／Ｄ转换器（ＡＤＣ０８０８）由一个比较器和Ａ／Ｄ转换器通过逐次比较逻辑构成，从二进制数最高位开始，顺序地对每一位输入电压与内置Ａ／Ｄ转换器输出进行比较，经ｎ次比较而输出数字值。其电路规模属于中等，其优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（＜１２位）时价格便宜，但高精度（＞１２位）价格很高。２.Ａ／Ｄ转换器的主要技术指标１）分辨率分辨率指数字量变化一个最小时模拟信号的变化量，定义为满刻度与２ｎ的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。上一页下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换２）转换速率转换速率是指完成一次从模拟转换到数字所需要的倒数。积分型Ａ／Ｄ转换器的转换时间是ｍｓ级，逐次逼近比较型转换器的转换时间是μｓ级。３）量化误差量化误差为由Ａ／Ｄ转换器的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率Ａ／Ｄ转换器的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率Ａ／Ｄ转换器（理想Ａ／Ｄ）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。上一页下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换４）偏移误差偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的具体值，可外接电位器调至最小。５）满刻度误差满刻度误差是指满刻度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。６）线性度线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上３种误差。上一页下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换８.１.２典型芯片ＡＤＣ０８３２介绍ＡＤＣ０８３２是一种８位分辨率、双通道Ａ／Ｄ转换芯片。由于它体积小、兼容性好、性价比较高而深受单片机（一种可编程的数字程序芯片）及企业爱好者欢迎，它目前已经有很高的普及率，数据以串行输出的方式，还有一种应用广泛的型号是ＴＬＣ５４９。ＡＤＣ０８３２具有以下特点：８位分辨率；双通道Ａ／Ｄ转换；输入输出电平与ＴＴＬ／ＣＭＯＳ兼容；５Ｖ电源供电时，输入电压在０～５Ｖ；工作频率为２５０ｋＨｚ，转换时间为３２μｓ；一般功耗仅为１５ｍＷ；８Ｐ－ＤＩＰ（双列直插）、ＰＩＣＣ多种封装；商用级芯片温宽为０℃～７０℃，工业级芯片温宽为－４０℃～８５℃。上一页下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换ＡＤＣ０８３２芯片接口说明如图８－１所示，各引脚功能如下。ＣＳ：片选使能，低电平芯片使能。ＣＨＯ：模拟输入通道０，或作为ＩＮ＋／－使用。ＣＨＩ：模拟输入通道１，或作为ＩＮ＋／－使用。ＧＮＤ：芯片参考０电位（地）。ＤＩ：数据信号输入，选择通道控制。ＤＯ：数据信号输出，转换数据输出。ＣＬＫ：芯片时钟输入。ＵＣＣ（ＵＲＥＦ）：电源输入及参考电压输入（复用）。上一页下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换这款数字集成芯片的控制电路属于时序操作型，一般的数字逻辑时序电路需要复杂的器件和精准的时间来调控，因此，需要更好地操作ＡＤＣ０８３２芯片，一般选用单片机芯片用特定的语言程序转换为硬件时序操作ＡＤＣ转换过程，图８－２是ＡＤＣ０８３２的时序驱动图。８.１.３温度检测电路温度传感器的种类繁多，如普通的温感电阻、热电偶、ＰＴ１００、ＬＭ３５、ＡＤ５９０等。这里采用ＡＤ５９０温度传感器完成温度检测电路的调试。上一页下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换ＡＤ５９０温度传感器是一种已经集成化的温度传感器，它会将温度转换为电流，其规格主要包含：温度每增加１℃，输出电流会增加１μＡ；可测量范围为－５５℃～１５０℃；供电电压范围为４～３０Ｖ等特性。ＡＤ５９０温度传感器的实物引脚排列和符号如图８－３（ａ）、图８－３（ｂ）所示。ＡＤ５９０的输出电流是以绝对温度零度（－２７３℃）为基准，每增加１℃，输出电流会增加１μＡ，因此在室温（２５℃）时，其输出电流ＩＯＵＴ＝（２７３＋２５）μＡ＝２９８μＡ。上一页下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换１.ＡＤ５９０基本应用原理基本应用原理电路如图８－４所示。（１）ＵＯ的值为Ｉ０乘上１０ｋΩ，对室温（２５℃）而言，输出值为１０ｋΩ×２９８μＡ＝２.９８Ｖ。（２）测量ＵＯ时，不可分出任何电流；否则测量值会不准确。２.ＡＤ５９０的实际应用温度测量实际应用电路如图８－５所示。上一页下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换电路分析如下：（１）ＡＤ５９０的输出电流Ｉ＝（２７３＋Ｔ）μＡ（Ｔ为摄氏温度），因此测量的电压Ｕ２＝（２７３＋Ｔ）μＡ×１０ｋΩ＝（２７３＋Ｔ／１００）Ｖ。为了将电压测量出来，又要保证输出电流Ｉ不分流，所以使用电压跟随器，其输出电压Ｕ２等于输入电压Ｕ。（２）由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此使用稳压二极管作为稳压器件，再利用可变电阻分压，使输出电压Ｕ１调整至２.７３Ｖ。（３）接下来使用差动放大器，其输出Ｕ０＝（１００ｋΩ／１０ｋΩ）×（Ｕ２－Ｕ１）＝Ｔ／１０，如果现在温度为２８℃，输出电压为２.８Ｖ，输出电压通过Ａ／Ｄ转换器，转换输出的数字量就和摄氏温度成为线性比例关系。上一页下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换（４）输出电压接在ＡＤＣ０８３２的ＣＨＯ或ＣＨＩ上就可以用单片机进行转换。因为ＡＤＣ０８３２的转换需要严格的时序，这里用单片机来实现特定的时序要求。时序解释如下。（１）起始动作。在第一个时钟下降沿到来之前，ＣＳ为０，ＤＩ为１。（２）通道选择。在第２、第３个时钟下降沿到来之前，ＤＩ输出两个二进制数，表示选择通道，之后ＤＩ便失去作用。上一页下一页返回８.１Ａ／Ｄ转换（３）输出数据。在第４个时钟之后的连续８个时钟信号作用下，由ＤＯ连续输出８个转换后的数字量。单片机通过时序可采集ＡＤＣ０８３２转换的数字信号，进而从单片机的输出端可判断ＡＤＣ０８３２采集的电压值。例如，ＡＤＣ０８３２的输入端为１Ｖ时，输出数字量为００１１００１１；ＡＤＣ０８３２的输入端为２Ｖ时，输出数字量为０１１００１１０；ＡＤＣ０８３２的输入端为４Ｖ时，输出数字量为１１００１１００。上一页返回８.２Ｄ／Ａ转换８.２.１Ｄ／Ａ转换器１.Ｄ／Ａ转换器分类Ｄ／Ａ转换器的内部电路构成无太大差异，一般按输出是电流还是电压、能否做乘法运算等进行分类。大多数Ｄ／Ａ转换器由电阻阵列ｎ个电流开关（或电压开关）构成，按数字输入值切换开关，可产生比例于输入的电流（或电压）。此外，也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部的。一般来说，由于电流开关的切换误差小，所以大多采用电流开关型电路。电流开关型电路如果直接输出产生的电流，则为电流输出型Ｄ／Ａ转换器；电压开关型电路则为直接输出电压型Ｄ／Ａ转换器。下一页返回８.２Ｄ／Ａ转换１）电压输出型电压输出型Ｄ／Ａ转换器（如ＴＬＣ５６２０）虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用了内置输出放大器以低阻抗方式输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故它常作为高速Ｄ／Ａ转换器使用。２）电流输出型电流输出型Ｄ／Ａ转换器（如ＤＡＣ０８３２）很少直接利用电流输出，大多外接电流—电压转换电路来得到电压输出。要想输出电压有两种方法：一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流—电压转换；二是外接运算放大器。上一页下一页返回８.２Ｄ／Ａ转换３）乘算型Ｄ／Ａ转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果并将其输出，因而称之为乘算型Ｄ／Ａ转换器（ＡＤ７５３３）。乘算型Ｄ／Ａ转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化衰减的衰减器及对输入信号进行调制和解制使用。４）一位Ｄ／Ａ转换器一位Ｄ／Ａ转换器与前述转换方式全然不同，它先将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制输出，然后用数字滤波器进行平均化而得到一般的电压输出（又称位流方式），用于音频等场合。上一页下一页返回８.２Ｄ／Ａ转换２.Ｄ／Ａ转换器的主要技术指标１）分辨率分辨率指输出模拟电压的最小增量，即Ｄ／Ａ转换器输入一个最低有效位（ＬＳＢ），而在输出端上模拟电压的变化量。２）建立时间建立时间是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间。Ｄ／Ａ转换器中常用建立时间来描述其速度，而不是Ｄ／Ａ转换器中常用的转换速率。上一页下一页返回８.２Ｄ／Ａ转换３）转换精度转换精度是指输入端加最大数值时，Ｄ／Ａ转换器的实际输出值和理论计算值之差，它主要包括非线性误差、比例系统误差、失调误差。４）线性度在理想情况下，Ｄ／Ａ转换器的数字输入量作等量增加时，其模拟输出电压也应作等量增加，但实际输出往往有偏离，偏离程度即为线性度。上一页下一页返回８.２Ｄ／Ａ转换８.２.２ＤＡＣ０８３２转换器的应用１.ＤＡＣ０８３２的介绍ＤＡＣ０８３２是采样频率为８位的Ｄ／Ａ转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使ＤＡＣ０８３２芯片具备双缓冲、单缓冲和直通３种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路Ｄ／Ａ异步输入、同步转换等）。所以这个芯片的应用很广泛。图８－６（ａ）、图８－６（ｂ）所示为ＤＡＣ０８３２的内部逻辑电路和引脚排列。上一页下一页返回８.２Ｄ／Ａ转换Ｄ／Ａ转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过ＲＦＢ端引用片内固有电阻，也可外接。ＤＡＣ０８３２逻辑输入满足ＴＴＬ电平，可直接与ＴＴＬ电路或微机电路连接。ＤＡＣ０８３２引脚功能说明。（１）Ｄ０～Ｄ７：数据输入线，ＴＬＬ电平。（２）ＩＬＥ：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。（３）ＣＳ：片选信号输入线，低电平有效。上一页下一页返回８.２Ｄ／Ａ转换（４）ＷＲ１：为输入寄存器的写选通信号。（５）ＸＦＥＲ：数据传送控制信号输入线，低电平有效。（６）ＷＲ２：为ＤＡＣ寄存器写选通输入线。（７）Ｉｏｕｔ１：电流输出线。当输入全为１时Ｉｏｕｔ１最大。（８）Ｉｏｕｔ２：电流输出线。其值与Ｉｏｕｔ１之和为一常数。（９）Ｒｆｂ：反馈信号输入线，芯片内部有反馈电阻。（１０）ＵＣＣ：电源输入线（＋５～＋１５Ｖ）。（１１）Ｕｒｅｆ：基准电压输入线（－１０～＋１０Ｖ）（１２）ＡＧＮＤ：模拟地，模拟信号和基准电源的参考地。（１３）ＤＧＮＤ：数字地，两种地线在基准电源处共地比较好。上一页下一页返回８.２Ｄ／Ａ转换２.Ｄ／Ａ转换器ＤＡＣ０８３２的应用ＤＡＣ０８３２是采用ＣＭＯＳ工艺制成的单片直流输出型８位数／模转换器。如图８－７所示，它由倒Ｔ形Ｒ－２Ｒ电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压ＶＲＥＦ四大部分组成。运算放大器输出的模拟量Ｕｏ为由上式可见，输出的模拟量与输入的数字量（Ｄｎ－１·２ｎ－１＋Ｄｎ－２·２ｎ－２＋Ａ＋Ｄ０·２０）成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。上一页下一页返回８.２Ｄ／Ａ转换ＤＡＣ０８３２输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。试验线路如图８－８所示。当Ｄ７