《電子電路設計與制作》 任務九 模數(shù)(AD)轉換器的設計與制作

任務九模/數(shù)(A/D)轉換器的設計與制作一、任務描述設計并制作一個數(shù)字溫度計，能夠利用傳感器對溫度進行采集，通過溫度與電壓近乎線性關系，以此來確定輸出電壓和相應的電流，不同的溫度對應不同的電壓值，將電壓電流值經(jīng)過放大進入到A/D轉換器和譯碼器，再由數(shù)碼管表示出來。自動溫控報警系統(tǒng)實物圖二、任務分析（一）模數(shù)轉換1.模數(shù)轉換的概念ADC，Analog-to-DigitalConverter的縮寫，指模/數(shù)轉換器或者模擬/數(shù)字轉換器。亦稱模擬一數(shù)字轉換，與數(shù)/模(D/A)轉換相反，是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉換成離散的數(shù)字量。例如，對圖象掃描后，形成象元列陣，把每個象元的亮度（灰階）轉換成相應的數(shù)字表示，即經(jīng)模/數(shù)轉換后，構成數(shù)字圖象。通常有電子式的模/數(shù)轉換和機電式模/數(shù)轉換二種。在遙感中常用于圖象的傳輸，存貯以及將圖象形式轉換成數(shù)字形式的處理。例如：圖像的數(shù)字化等。信號數(shù)字化是對原始信號進行數(shù)字近似，它需要用一個時鐘和一個模數(shù)轉換器來實現(xiàn)。所謂數(shù)字近似是指以N-bit的數(shù)字信號代碼來量化表示原始信號，這種量化以bit位單位，可以精細到1/2^N。時鐘決定信號波形的采樣速度和模數(shù)轉換器的變換速率。轉換精度可以做到24bit，而采樣頻率也有可能高達1GHZ，但兩者不可能同時做到。通常數(shù)字位數(shù)越多，裝置的速度就越慢。2.模數(shù)轉換的過程模數(shù)轉換包括采樣、保持、量化和編碼四個過程。在某些特定的時刻對這種模擬信號進行測量叫做采樣，量化噪聲及接收機噪聲等因素的影響，采樣速率一般取fS=2.5fmax。通常采樣脈沖的寬度tw是很短的，故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。要把一個采樣輸出信號數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時模擬信號保持一段時間，這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉換成離散時間、離散幅度的數(shù)字信號，量化的主要問題就是量化誤差。假設噪聲信號在量化電平中是均勻分布的，則量化噪聲均方值與量化間隔和模數(shù)轉換器的輸入阻抗值有關。編碼是將量化后的信號編碼成二進制代碼輸出。這些過程有些是合并進行的，例如，采樣和保持就利用一個電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在轉換過程中同時實現(xiàn)的，且所用時間又是保持時間的一部分。3.模/數(shù)轉換器（ADC）的主要性能參數(shù)(1)分辨率它)分辨率表明A/D對模擬信號的分辨能力，由它確定能被A/D辨別的最小模擬量變化。一般來說，A/D轉換器的位數(shù)越多，其分辨率則越高。實際的A/D轉換器，通常為8，10，12，16位等。(2)量化誤差在A/D轉換中由于整量化產(chǎn)生的固有誤差。量化誤差在±1/2LSB（最低有效位）之間。例如：一個8位的A/D轉換器，它把輸入電壓信號分成28=256層，若它的量程為0~5V，那么，量化單位q為：q==≈0.0195V=19.5mVq正好是A/D輸出的數(shù)字量中最低位LSB=1時所對應的電壓值。因而，這個量化誤差的絕對值是轉換器的分辨率和滿量程范圍的函數(shù)。(3)轉換時間轉換時間是A/D完成一次轉換所需要的時間。一般轉換速度越快越好，常見有高速（轉換時間<1us）、中速（轉換時間<1ms）和低速（轉換時間<1s）等。(4)絕對精度對于A/D，指的是對應于一個給定量，A/D轉換器的誤差，其誤差大小由實際模擬量輸入值與理論值之差來度量。(5)相對精度相對精度：對于A/D，指的是滿度值校準以后，任一數(shù)字輸出所對應的實際模擬輸入值（中間值）與理論值（中間值）之差。例如，對于一個8位0~+5V的A/D轉換器，如果其相對誤差為1LSB，則其絕對誤差為19.5mV，相對誤差為0.39%。（二）電路設計根據(jù)任務要求，電路主要包括溫度的采集與信號的放大、數(shù)模轉換、數(shù)碼顯示三部分。溫度的采集與放大數(shù)模轉換數(shù)碼顯轉換示1.溫度采集與放大溫度的改變會影響一些電阻的阻值，溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而變化的特性來測量的。一般采用阻值的變化與溫度的變化有線性關系的電阻來采集溫度，最后通過阻值的變化來反映出溫度。Pt100鉑熱電阻與溫度之間存在著線性的關系，通過阻值的變化可以得到對應的溫度。有些是采用熱電偶的方式，溫度檢測部分可以使用低溫熱偶，熱電偶由兩個焊接在一起的異金屬導線所組成。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩種金屬的接觸電勢和單一導體的溫差電勢組成。通過將參考結點保持在已知溫度并測量該電壓，便可推斷出檢測結點的溫度。2.數(shù)模轉換數(shù)模轉換就是將采集的溫度模擬信號轉換為數(shù)字信號，能夠被數(shù)碼管識別的數(shù)字信號。TC7107與MC14433都是三位半的模數(shù)轉換器，可以直接與數(shù)碼管進行連接顯示。3.數(shù)碼顯示數(shù)碼顯示就是將TC7107轉換成的數(shù)字信號進行顯示。一般數(shù)碼管有共陽極與共陰極兩類，共陽與共陰的只要區(qū)別就是其公共端是接陽極還是接陰極，如果接陰極就為共陰極，反之為共陽極。三、相關知識（一）TC7107芯片數(shù)字溫度計將采集的模擬的信號轉換為數(shù)字信號，并能通過數(shù)碼管顯示出來，采用TC7207三位半的A/D轉換器進行模數(shù)轉換。它能直接驅動7段數(shù)碼管進行數(shù)碼顯示，最后可得溫度的數(shù)字信號。TC7107是高性能，低功耗的三位半的A/D轉換器，它自身包含七段數(shù)碼顯示器、顯示驅動器、參考源和時鐘系統(tǒng)。三位半是十進制數(shù)0000-1999。所謂三位是指個位，十位，百位，其數(shù)字顯示范圍是0—9而半位是指千位數(shù)，它不能與個位，十位，百位那樣從0—9，只能由0-1變化，即二值狀態(tài)，所以稱為半位。如果超過了量程，那么千位數(shù)就會顯示1，反之就是0，一般采用將該顯示的零進行消隱。與ADC0809芯片相比，TC7107使得電路簡化的同時又節(jié)約了成本，所以選擇TC7107更合適。1.TC7107特點TC7107是把模擬電路與邏輯電路集成在一塊芯片上，屬于大規(guī)模的CMOS集成電路，其主要特點是：可以采用是電源供電，±5V的電源，有助于實現(xiàn)儀表的小型化。芯片內(nèi)部有異或門輸出電路，可以直接驅動LED顯示器。功耗低，芯片本身消耗的電流只有1.8mA，功耗約16mW。輸入阻抗高，對輸入信號沒有衰減作用。能通過內(nèi)部的模擬開關進行自動調(diào)零和自動顯示極性的功能。噪聲低，失調(diào)溫標和增益溫標均很小。具有良好的可靠性，使用壽命長。整機組裝方便，無須外加有源器件，可以很方便的進行功能檢查。2.TC7107管腳介紹TC7107芯片管腳如圖所示。TC7107芯片管腳芯片介紹管腳 管腳功能1 V+提供正電壓2 D1激活個位顯示的d部分3 C1激活個位顯示的c部分4 B1激活個位顯示的b部分5 A1激活個位顯示的a部分6 F1激活個位顯示的f部分7 G1激活個位顯示的g部分8 E1激活個位顯示的e部分9 D2激活十位顯示的d部分10 C2激活十位顯示的c部分11 A2激活十位顯示的a部分12 B2激活十位顯示的b部分13 F2激活十位顯示的f部分14 E2激活十位顯示的e部分管腳 管腳功能15 D3激活百位位顯示的d部分16 B3激活百位顯示的b部分17 F3激活百位顯示的f部分18 E3激活百位顯示的e部分19 AB4激活千位顯示1的上下兩部分20 POL激活負極性顯示21 BP/GND數(shù)字接地端22 G3激活百位顯示的g部分23 A3激活百位顯示的a部分24 C3激活百位顯示的c部分25 G2激活十位顯示的g部分26 V-提供負電源27 VINT積分輸出。積分電容的連接點28 VBUFF連接積分電阻。滿量程為200mV時，電阻阻值一般為47K?，若為2V時，電阻的阻值為470K?29 CAZ自動調(diào)零電容的容量對系統(tǒng)噪聲會產(chǎn)生影響。滿量程為200mV時，使用的電容為0.47uF，若滿量程為2V時，電容為0.047uF管腳 管腳功能30 VIN-連接的是模擬低電平輸入信號31 VIN+連接的是模擬高電平輸入信號32 ANALOGCOMMON,主要用來設置模擬共模電壓，用于電池操作或那些輸入信號以電源為基準的系統(tǒng)。其還可以充當電源33（34） CREF-，CREF+大部分應用中使用0.1uF的電容。如果存在大共模電壓，并且使用的200mV的量程，使用1uF的電容比較好，它將會使翻轉誤差保持為0.5個計數(shù)35（36） VREF-,VREF+。VREF+需要此模擬輸入引腳以生成滿量程輸出即1999個計數(shù)。在引腳35與36之間放置100mV電壓，其滿量程為199.9mV，在35與36管腳之間加1V的電壓時，其滿量程為2V37 TEST測試登。如果測試電壓升至V+時，所有的將會導通，并且數(shù)碼管顯示的讀書為-1888.除此之外還可以作為外部小數(shù)點的負供電電壓38,39,40 OSC3,OSC2,OSC1。這三部分組成振蕩器部分。對于48kHz的時鐘，38管腳接100pF電容，39管腳接100K?電阻，并且電容與電阻的另一端接 40管腳3.TC7107工作原理TC7107是雙積分型A/D模數(shù)轉換器，主要是在一個測量周期內(nèi)進行兩次積分，兩次積分的方向相反，將被測電壓轉換成與其成正比的時間間隔，在此時間間隔內(nèi)填充標準的時鐘脈沖，用儀器記錄的脈沖個數(shù)來反映的值，所以它是變換型的。其原理圖如圖所示。(1)準備階段:主要使積分器的輸出電壓變?yōu)?，保證輸入電壓=0作為其初始狀態(tài)。自動調(diào)零電容一般為0.47uF。(2)采樣階段:主要是對被測量即對輸入的電壓進行積分。(3)參考積分階段：這一階段主要是對系統(tǒng)的標準電壓進行與被測電壓進行積分方向相反的積分（二）LM35傳感器LM35系列是精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比。因此，LM35比按絕對溫標校準的線性溫度傳感器優(yōu)越感得多。LM35系列傳感器生產(chǎn)制作時已經(jīng)過校準，輸出電壓與攝氏溫度一一對應，使用極為方便。靈敏度為10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃(-55℃至+150℃溫度范圍內(nèi)),重復性好，低輸出阻抗，線性輸出和內(nèi)部精密校準使其與讀出或控制電路接口簡單和方便，可單電源和正負電源工作。1.特性①在攝氏溫度下直接校準②+10.0mV/℃的線性刻度系數(shù)③確保0.5℃的精度(在25℃)④額定溫度范圍為-55℃至+150