《數字電子技術項目式教程》課件第6章

項目六溫度檢測與顯示電路的實現項目描述項目分析任務模/數轉換器(ADC)軟件仿真A/D轉換器的計算機仿真實驗項目實施小結

習題

溫度檢測儀是工業(yè)生產中應用比較廣泛的一種檢測裝置。溫度是生產工藝過程中最基本、最重要的控制參數之一,關系到生產條件的建立,產品的產量、質量和生產效率,也影響到生產設備和儀器、儀表的使用壽命與安全。日常生活中有許多使用溫度檢測的例子,如電熱水器將水燒開后自動斷電等。溫度測量儀由溫度傳感器(即感溫元件)完成對溫度的

檢測。常用的溫度檢測儀器如圖6－1所示。圖6－1常用的溫度檢測儀器

項目描述

構建一個溫度檢測電路,且用十進制數字顯示當前測量的溫度,顯示的溫度誤差不大于1℃。

項目分析

由于數字系統(tǒng)對信息的存儲能力、傳輸和處理速度高于模擬系統(tǒng),尤其是計算機技術的發(fā)展,對信息的傳輸、處理帶來了革命性的變化。然而代表自然界中信息的物理量其變

化許多都是連續(xù)的,如溫度、壓力等,它們都屬于模擬量,通過傳感器,可以把這些物理量轉換成電信號(如電壓、電流等)。把這些模擬的電信號直接輸入到數字系統(tǒng)中處理是不行的,如何解決這一問題?這就要把模擬信號通過一定的電路轉換為數字信號,再輸入到數字統(tǒng)中進行相應的處理。基于這一思路,溫度檢測與顯示項目的構成框圖如圖6－2所示。圖6－2溫度檢測原理電路框圖

任務模/數轉換器(ADC)

A/D轉換器是用來把連續(xù)變化的模擬信號轉換為一定格式的數字信號的器件。ADC的基本原理如圖6－3所示。它完成對某ti時刻輸入模擬量VA(ti)進行二進制編碼的功能,輸出的二進制碼與VA(ti)的大小成一定的比例關系,輸出二進制碼為n位數字量D。圖中,

VREF為參考電壓。圖6－3ADC原理框圖

ADC的轉換關系可以表示為

由于模擬信號在時間上是連續(xù)的,而數字信號則是離散量,因此A/D轉換必須按一定的時間間隔取模擬電壓值,再對其進行A/D轉換,該過程稱為對模擬信號的采樣。而A/D轉換需要時間,這就要將采樣時刻的電壓值保持下來。對保持下來的模擬電壓值進行量化和編碼,從而得到數字量輸出D。因此A/D轉換必須包含四個過程:采樣、保持、量化和

編碼。

6.1.1A/D轉換的一般過程

1.采樣和保持

(1)采樣。采樣又稱取樣或抽樣,是將時間上連續(xù)的模擬信號轉換為時間間隔均勻的模擬量,也就是將模擬量轉換為一串幅度與模擬信號一致的脈沖,如圖6－4所示。圖中VA(t)為模擬輸入信號;S(t)為采樣脈沖信號,周期為Ts;VO(t)為采樣輸出信號。采(取)樣器實際上是一個模擬開關,在采樣脈沖tp

期間,開關閉合,信號通過;否則開關斷開,沒有信號。即僅僅在Ts、2Ts、3Ts…這些離散的時間點上有信號,而在其他時間點上沒有信號。圖6－4采樣過程波形圖

為了保證能夠由采樣信號完全恢復原信號特征,采樣脈沖應滿足:．

式中,fimax為輸入信號VA(t)中最高頻率分量的頻率。上式又稱為采樣定理。

(2)保持。由于采樣脈沖寬度往往很窄,因此采樣值的寬度也很窄,而進行A/D轉換需要一定的時間。為了后續(xù)電路能很好地完成轉換功能,通常在采樣后,將采樣值保存起來,直到下一次采樣值到來再更新。實現上述功能的電路稱為保持電路。

在實際應用中常將采樣和保持電路合為一體,稱為采樣保持電路。圖6－5(a)給出了一種典型的采樣保持電路。它們包括存儲采樣值的電容C、模擬開關V和緩沖運算放大器A等主要部分。圖中用場效應管作為模擬開關,在采樣脈沖持續(xù)期內,開關接通,模擬信號對電容C充電。電容C充電時,電容上的電壓隨模擬信號變化,VO

輸出也隨之變化。

當采樣結束時,開關斷開,電容上電壓保持不變,VO

也保持不變,如圖6－5(b)所示。圖6－5采樣保持電路及輸出

2.量化和編碼

采樣保持電路的輸出信號VO

雖然已經成為在時間上離散的階梯信號,但在數值上仍是某一時刻模擬量的值,可能有無限多個值難以用二進制數字量來表示。模擬輸入電壓和數字輸出的關系如圖6－6所示,每一個數字量對應一個離散的階梯信號電平,那么介于兩個離散電平之間的采樣點就要歸類到這兩個電平之一上。這種取整歸并的過程稱為量化。離散電平之間的最小電壓差,也就是ADC能分辨的最小模擬電壓值就叫做分辨率,可用LSB(LeastSignificantBit)表示。圖6－6模擬輸入電壓和數字輸出的關系圖

量化常采用四舍五入或只舍不入的方法。量化的過程如圖6－7所示,VO

為采樣保持電路輸出的電壓,Vg是量化以后的電壓。Vg

與VO之間的差值稱為量化誤差。影響量化誤差的主要因素是量化階梯(即量化單位LSB)。圖中,LSB=1V,將0~7V電壓分為7個階梯。如果按四舍五入方法量化,最大量化誤差為1/2LSB=0.5V,量化過程如圖6－7(a)所示。如果按只舍不入的方法量化,最大量化誤差為1LSB,量化過程如圖6－7(b)所示。圖6－7量化及編碼

量化后的電壓Vg為LSB的整數倍,則Vg=N

(

LSB)。將N用二進制編碼來表示的過程稱為編碼。

ADC電路中的核心是量化與編碼電路,各種A/D轉換技術的差異主要反映在這部分電路上。下面介紹各種A/D轉換技術時,著重介紹這方面的內容。

6.1.2ADC的主要技術參數

ADC的技術參數有靜態(tài)和動態(tài)之分,主要的靜態(tài)參數是轉換精度(分辨率和轉換誤差),主要的動態(tài)參數是轉換時間(轉換速度),其次還有轉換電壓范圍等。

1.分辨率

ADC的分辨率是指轉換器所能分辨的輸入模擬量最小值,也就是使輸出數字量最低位發(fā)生變化時輸入模擬量的最小值。ADC的分辨率不僅與輸入電壓(或電流)有關,而且和

數字量位數有關。如n位二進制ADC,其分辨率為

2.轉換誤差

轉換誤差主要包括量化誤差、偏移誤差、增益誤差等,其中量化誤差是A/D轉換器本身固有的一種誤差,而其他幾種誤差則是由內部電路各元器件及單元電路偏差產生的。

ADC的誤差是指與輸出數字量對應的理論模擬值和產生該數字量的實際輸入模擬量之間的差值,通常以LSB為單位表示。

3.轉換時間

轉換時間被定義為ADC完成一次完整轉換所需的時間,也就是從發(fā)出對輸入模擬信號進行采樣的命令開始,直到輸出端產生完整而有效的數字量輸出所需的時間。

4.輸入電壓范圍

輸入電壓范圍是指集成A/D轉換器能夠轉換的模擬電壓范圍。單極性工作的芯片有+5V、+10V或-5V、-10V等,雙極性工作的芯片有以0V為中心的±2.5V、±5V、±10V等,其值取決于基準電壓的值。理論上最大輸入電壓范圍VImax

=VREF(2n

-1)/2n,有時也用VREF

近似代替。

6.1.3常用的A/D轉換技術

A/D轉換將輸入模擬信號轉換成相對應的數字信號輸出。常用的A/D轉換電路有并行比較型A/D轉換、逐次逼近型A/D轉換、雙積分型A/D轉換、ΣΔ調制型A/D轉換等電路。

1.并行比較型ADC電路

并行比較型ADC是一種高速A/D轉換器。圖6－8所示為三位并行ADC的原理圖。它由下列各部分組成:圖6－8三位并行ADC的原理圖

(1)電阻分壓器。它由9個電阻串聯組成,產生不同數值的參考電位,分別送到各比較器。由原理圖可得參考電位為

(2)電壓比較器。三位ADC共有8個電壓比較器,其中比較器8作為溢出指示。當溢出時,比較器輸出為“1”;否則,輸出為“0”。

當VA<V1

時,所有比較器的輸出全為低電平,時鐘CP到來時觸發(fā)器的狀態(tài)全為0。

當V1≤VA<V2

時,除電壓比較器C1

輸出為1外,其余所有比較器的輸出全為0;時鐘CP到來時觸發(fā)器1的狀態(tài)為1,其余所有觸發(fā)器的狀態(tài)為0。依此類推,其真值表如表6－1所示。

(3)寄存器及編碼電路。8個觸發(fā)器在時鐘脈沖的作用下,將比較器的結果暫存于其中,供編碼器使用,從而編譯生成相應的二進制代碼;如有溢出,輸出溢出標志。由表6－1得出編碼器的表達式為

2.逐次逼近型ADC電路

逐次逼近型ADC電路的原理如圖6－9所示。圖6－9逐次逼近型ADC電路

3.雙積分型ADC電路和ΣΔADC電路

雙積分型ADC電路的工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)或頻率(脈沖頻率),然后由定時器或計數器獲得數字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率,工作性能穩(wěn)定,抗干擾能力強;缺點是由于轉換精度依賴于積分時間,因此轉換速率很低,多用在測量儀表的A/D轉換電路中。

ΣΔ型ADC電路的量化誤差非常小,轉換精度可以做得很高,使芯片在較低的成本條件下獲得很高的性能,但轉換速率較低,主要用于音頻和測量領域。

【例6－1】對于一個10位逐次逼近型A/D轉換電路,當時鐘頻率為1MHz時,其轉換時間是多少?如果要求完成一次轉換的時間小于10μs,試問:時鐘頻率應選多大?

解

由逐次逼近型A/D轉換電路的工作原理可知:位長為n的寄存器,需要經過n次比較,即需n個CP脈沖,在第(n+1)個CP作用下,寄存器的狀態(tài)被送至輸出端,在第(n+2)個CP作用下,邏輯控制電路恢復到初始狀態(tài),同時將輸出端狀態(tài)清除掉,為下一次A/D轉換作好準備。因此,對于位長為n的寄存器,完成一次A/D轉換所需時間T為(n+2)個時鐘周期。

(1)時鐘頻率為1MHz,時鐘周期1μ

s,故求得

T=(10+2)×1μ

S=12μ

S

(2)當要求完成一次轉換的時間小于10μ

S時,則有

T=(10+2)TCP≤10μ

S

故求得

f=1.2MHz

6.1.4典型集成ADC器件及其應用

集成ADC芯片分辨率通常有6、8、10、12、14、16、18位等,許多型號的產品性能各異,大多數將采樣保持電路和A/D轉換電路制作在一個芯片上。按輸入模擬信號的通道來分,它有單通道、多通道兩種類型。表6－2列出了幾種常用的ADC模塊。

1.ADC0808/0809的功能

ADC0808/0809是美國國家半導體公司(NS)生產的8位數字輸出、8路模擬輸入的逐次逼近型A/D轉換器,采用28腳封裝,與8位微機兼容,其三態(tài)輸出可以直接驅動數據

總線。ADC0808的誤差±1/8LSB,ADC0809的誤差為±1LSB。

其原理圖、芯片實物圖和引腳圖如圖6－10所示。三位地址信號經鎖存譯碼輸出控制8個模擬輸入通道。ADC的輸出信號為三態(tài)輸出,具有與計算機接口完全兼容的輸出電

平。圖中各引腳的功能如下:

(1)IN7~IN0:8路模擬輸入。

(2)ADDC、ADDB、ADDA:3位地址變量,ADDC為高位地址,如011選擇IN3作為輸入。

(3)ALE:地址鎖存允許信號,上升沿有效。

(4)START:A/D轉換的啟動脈沖信號,上升沿將數據寄存器清0,下降沿開始進行轉換。

(5)CLK:時鐘輸入端,范圍為10~1280kHz。

(6)D7~D0:輸出數據。

(7)EOC:轉換結束信號,高電平有效。

(8)OE:數據輸出允許控制信號,輸入高電平有效。如采用中斷方式,則EOC=1,發(fā)出中斷請求,計算機發(fā)出讀數據指令使OE=1,這時計算機從ADC中取走數據。

(9)VREF+、VREF-:基準參考電壓的正端和負端。圖6－10

ADC0808/0809原理圖、芯片實物圖、引腳圖

2.ADC0808/0809的典型接法

ADC0809的典型接法如圖6－11(a)所示。外加時鐘的頻率典型值為500kHz,如VCC=5V,啟動信號為單脈沖,外加模擬電壓為2.5V,即燈L7亮,其余滅,8位輸出數據為10000000B。改變不同的輸入模擬電壓將會有對應的輸出數據。圖611(b)為其實物連接電路。圖6－11

ADC0809應用電路

軟件仿真

A/D轉換器的計算機仿真實驗

利用仿真軟件分析ADC的工作過程,圖6－12為ADC0809的仿真電路圖。圖6－12ADC0809仿真電路

1.ADC0809功能引腳的連接

ADDC、ADDB、ADDA:接地,即對IN0模擬通道輸入電壓進行A/D轉換。

ALE、START:接時鐘信號發(fā)生器,頻率可選擇為1Hz,在時鐘信號上升沿完成

ADDC、ADDB、ADDA三位地址鎖存,在下降沿啟動A/D轉換。

CLK:接時鐘信號發(fā)生器,時鐘頻率可輸入100kHz。

VREF(+):基準參考電壓的正端,接+5V。

VREF(-):基準參考電壓的負端,接地。

OE:數據輸出允許控制信號,接+5V。

2.仿真電路原理

在圖6－12中,RW1為可調電位器,為ADC0809提供模擬電壓,電壓范圍為0~5V,從模擬通道IN0輸入;使用U2:A~U3:B共8個反相器,增強ADC0809輸出數據驅動能

力;VD1~VD8用于指示A/D轉換后的數據,R1~R8

為限流電阻。

如果電路連接正確,開始仿真后,ADC0809對模擬通道IN0輸入電壓自動進行A/D轉換,由于數據輸出允許控制信號OE接高電平,A/D轉換結果立即從OUT1~OUT8

輸出,經8個反相器驅動發(fā)光二極管。從圖中可知,當輸出的數據為高平時,發(fā)光二極管點亮。

3.仿真練習

(1)調節(jié)RW1使IN0的輸入電壓分別為0V、2.5V和5V。

①啟動仿真,用發(fā)光二極管觀看VD8~VD1的轉換數據輸出。

②用邏輯分析儀同時觀察ALE、START、CLK、EOC和VD8~VD1的工作波形。

③分析工作波形的時序關系,并做記錄。

(2)調節(jié)RW1,并用電壓表測量其輸出電壓,觀察VD8~VD1

的變化,測出ADC的分辨率。

(3)改變ADDC、ADDB、ADDA三位地址,如101,尋找模擬電壓所對應的輸入通道。

項目實施

一、溫度傳感器AD590

溫度傳感器將自然界溫度物理量轉換為相應的電信號。AD590是美國模擬器件公司生產的兩端單片集成感溫電流源,圖6－13為AD590的引腳圖、符號和溫度特性曲線。其主要特性如下:

溫度范圍:-55℃~+150℃;

輸出電流:1μA/℃;

電源范圍:+4V~30V。圖6－13

AD590

從特性曲線可以看出,AD590的輸出電流與溫度成線性關系,溫度變化1℃時,輸出電流變化1μA。流過器件的電流(A)與器件所處環(huán)境的熱力學溫度(開爾文)度數之比為常

數,即

式中:I為流過器件(AD590)的電流,單位為μA;T為熱力學溫度,單位為K。

溫度傳感器AD590把溫度的變化轉化為電流的變化,其電路模型相當于一個恒流源,在實際使用中,往往需把電流轉換為電壓,也即把電流的變化轉變?yōu)殡妷旱淖兓M行處理。AD590的簡單應用電路如圖6－14所示,AD590的正極接電源正極,負極接取樣電阻,VO

為電壓輸出。取樣電阻一般為10的整數倍,當取樣電阻為10kΩ,則溫度變化1℃,輸出電壓VO變化10mV,如圖6－14(a)所示;如取樣電阻為1kΩ,則溫度變化1℃時,輸出電壓VO

變化1mV。為了保證取樣電阻的準確,一般用可變電阻與固定電阻相串聯的電路形式,如圖6－14(b)所示。圖6－14

AD590的簡單應用電路

輸出電壓為

式中,R為采樣電阻,單位為Ω;T為使用環(huán)境溫度,單位℃。

二、溫度檢測電路

為了實現本項目中所給定的任務,結合圖6－2的溫度檢測原理電路框圖,在此直接給出圖6－15所示的實現電路。下面對各部分電路進行分析。圖6－15溫度檢測儀實現電路

1.溫度傳感器

有多種溫度傳感器可供選擇,根據上面對溫度傳感器AD590的介紹,在實現任務時可選擇該溫度傳感器。溫度傳感器電路由AD590、電位器RW1

和電阻R1

組成,工作時調整RW1使RW1+R1

準確地等于1kΩ,溫度傳感器電路的輸出電壓VO

與環(huán)境溫度具有如下的關系:

2.A/D轉換

可根據分辨率選擇A/D轉換器的數據位數。由AD590的工作溫度范圍-55℃~+150℃知溫度檢測電路的溫度誤差為±1℃,如果做到溫度范圍的全覆蓋,可知共有(150-(-55)+1)=206個溫度間隔。為了能夠準確地分辨這206個溫度間隔,A/D轉換器的數據位數最小應為8位,因為8位A/D共有28-1=255個數據間隔。因此,這里選擇ADC0809。

圖6－15中,ADC0809為典型應用電路,三位地址端ADDA~ADDC接地,ADC0809只對INT0(通道0)輸入的模擬信號進行A/D轉換;參考電壓VREF(+)接+5V,VREF(-)接地,輸入的模擬信號的電壓范圍為0~5V;地址鎖存允許信號ALE和轉換啟動信號START接在一起,受同一個單脈沖信號控制,脈沖信號上升沿完成地址鎖存,下降沿啟動ADC0809開始A/D轉換;CLOCK時鐘端接連續(xù)時鐘信號CLK,典型的時鐘信號頻率為500kHz,一般情況下大約98個時鐘脈沖完成一次轉換;輸出允許信號OUTPUTENABLER接高電平,一次轉換所產生的8位二進制代碼從數據端輸出。

為了做到連續(xù)地自動轉換,啟動信號和時鐘信號可由振蕩器產生,如圖6－16所示,CD4060外接4MHz晶體和內部電路一起構成振蕩器,經內部分頻,Q3輸出250kHz方波信號,該信號可作ADC0809的時鐘信號CLK,Q13輸出大約244Hz的方波信號,用作ADC0809的啟動轉換信號START。圖6－16CD4060振蕩器

3.信號調理電路

ADC0809輸入的模擬信號電壓最高為5V,則每攝氏溫度值對應的輸入電壓應為5/255=19.6(mV)。由此可見傳感器出來的信號并不能直接加到ADC0809上,中間還應有電壓轉換電路。該電路由U1:A和U1:B兩個運算放大器構成。

在圖6－15中,VO是溫度傳感器電路的輸出電壓,溫度變化一攝氏度,VO

變化1mV,而V2變化19.6mV,因而,從VO到V2

之間還需有19.6倍的電壓放大。集成運放U1:A及其外圍電路構成同相放大器,提高輸入阻抗,減小對VO

的影響,調節(jié)RW2

使電壓放大至19.6倍。

U1:B、R5、R6、R7

、R8

和電位器RW3構成減法放大器,目的是保證在溫度為0℃時

V2=0V。由圖6－15可知:

如R5

=R6,R7=R8,則V2=V1-V3。

在所測溫度為0℃時,V2=0