项目8 数字电压表的设计与制作

项目8数字电压表的设计与制作8.1项目描述本项目制作的数字电压表电路主要由A／D转换器、锁存/七段译码驱动器、发光数码管等组成。项目相关知识点有D／A、A／D转换等。技能训练有D／A、A／D转换器的功能测试。

项目要求用集成A/D转换器MC14433制作数字电压表。要求两档直流电压测量量程0~1.999V，0~199.9mV，位数字显示。8.2项目资讯A／D转换和D／A转换是生产过程自动化控制不可缺少的重要组成部分，它还广泛应用于数字测量、数字通信等领域。为何要进行数模和模数转换？

感官和器件接触和接收的是模拟信号，在存储、传送中使用的是数字信号。数模和模数转换的概念和作用数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。

实现数模转换的电路称数模转换器

Digital-Analog

Converter，简称D/A转换器或DAC。模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。

实现模数转换的电路称模数转换器

Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。利用D/A转换、A/D转换的系统检测电路模拟电信号A/D转换数字电路或计算机系统D/A转换喇叭、显示器等声音、图像等模拟信号模拟信号数字信号数字信号输出模拟电压

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020)△

可见，uO∝

D，uO的大小反映了数字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二进制数输入模拟电压输出8.2.1D/A转换器LSB—LeastSignificantBit输入数字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020

△是DAC能输出的最小电压值，称为DAC的单位量化电压，它等于D

最低位(LSB)为1、其余各位均为0时的模拟输出电压(用ULSB

表示)。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR1.电路组成与转换原理R-2R

倒

T形电阻网络

DAC由倒T型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路(简称I/U

转换电路)组成。模拟开关Si

打向“1”侧时，相应2R

支路接虚地；打向“0”侧时，相应2R

支路接地。故无论开关打向哪一侧，倒T型电阻网络均可等效为下图：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC从A、B、C节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为2R。因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2

=I32=22

()，I24=I4I1

=I22=21

()，I24=I8I0

=I12=20

()I24=I16可见，支路电流值Ii

正好代表了二进制数位Di

的权值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

模拟开关Si

受相应数字位Di

控制。当Di=1

时，开关合向“1”侧，相应支路电流Ii

输出；Di=0时，开关合向“0”侧，Ii

流入地而不能输出。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0

=-

iΣRF=-

D

I0RF=-

D

·

iΣ

=

D3I3+

D2I2+

D1I1+

D0I0

=

(

D323+

D222+

D121+

D020)

I0=

D

I0对n

位

DAC，uO=

-

D

·

若取RF=R，则uO=

-

D

·

n

位DAC将参考电压VREF

分成2n

份，uO

是每份的D

倍。调节VREF

可调节DAC的输出电压。uO=

-

D

·

3.主要参数（1）分辨率DAC的最小输出电压变化量，也即DAC的最小输出电压值

表示满度输出电压值，FSR即FullScaleRange指D/A转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。UFSR=uO|D=111=(2n–1)ULSBn位均为1例如，一个10位的DAC，分辨率为0.000978。DAC的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。要获得较高精度的D/A转换结果，除了正确选用DAC的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。（3）转换时间指DAC在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越高。（2）转换精度指DAC实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与DAC中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。通常要求DAC的误差小于ULSB/2。主要要求：了解模数转换的基本原理。了解A/D转换器的主要参数。了解常用A/D转换器。8.2.2A/D转换器

A/D转换器可将输入的模拟电压量转换成与输入量成正比的数字量。由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：采样、保持、量化和编码4个步骤。

模拟信号数字信号采样保持量化编码8.2.2A/D转换器1.A/D转换原理

“[]”表示取整。

基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模拟输入信号n

位二进制数输出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0可见，输出数字量D

正比于输入模拟量uI。△称为ADC的单位量化电压或量化单位，它是ADC的最小分辨电压。采样：把时间连续变化的模拟信号变换为时间离散的信号。

保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。

量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的

整数倍表示。

编码：把量化的结果用二进制代码表示。A/D转换的一般步骤uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0…uI(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量采样信号是否会丢失原信号的信息呢？对信号进行量化会引起误差吗？量化误差大小与ADC的位数、基准电压VREF

和量化方法有关。

采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍时，采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号。fs≥2fimax

量化误差：因模拟电压不一定能被ULSB

整除，量化时舍去余数而引起的误差。

划分量化电平的两种方法最大量化误差==(1/8)V最大量化误差

=/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V2.A/D转换器的分类、特点及应用

常用ADC主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。A/D转换器的分类、特点及应用分类特点应用并行比较型速度最快，但设备成本较高，精度也不易做高数字通信技术和高速数据采集技术逐次逼近型工作速度中等，精度也较高，成本较低中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统积分型精度可以做得很高，抗干扰性能很强，速度很慢数字仪表（数字万用表、高精度电压表）和低速数据采集系统指ADC实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。3.主要参数（2）相对精度(又称转换误差)指ADC输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。

（1）分辨率例如最大输出电压为5V的8位ADC的分辨率为：

5V/28=19.6mA分辨率也可用ADC的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。例如转换误差不大于1/2LSB，即说明实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大误差不超过1/2LSB。（3）转换时间转换速度比较：并联比较型>逐次逼近型>双积分型数十ns数十s

数十ms指ADC完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。D/A

转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量。R-2R倒T形电阻网络DAC所需电阻种类少，转换速度快，性能好，便于集成，因而被广泛采用，但转换精度较低。权电流网络DAC转换速度和转换精度高，性能最佳。A/D转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量。常用ADC主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型ADC属于直接转换型，其转换速度最快，但价格贵；双积分型ADC属于间接转换型，其速度慢，但精度高、抗干扰能力强；逐次逼近型也属于直接转换型，其速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。项目总结A/D转换要经过采样、保持、量化与编码这4个步骤实现。采样-保持电路对输入模拟信号抽取样值，并展宽(保持)；量化是对样值脉冲进行分级，编码是将分级后的信号转换成二进制代码。在对