《数字电子技术项目式教程》课件第6章

项目六温度检测与显示电路的实现项目描述项目分析任务模/数转换器(ADC)软件仿真A/D转换器的计算机仿真实验项目实施小结

习题

温度检测仪是工业生产中应用比较广泛的一种检测装置。温度是生产工艺过程中最基本、最重要的控制参数之一,关系到生产条件的建立,产品的产量、质量和生产效率,也影响到生产设备和仪器、仪表的使用寿命与安全。日常生活中有许多使用温度检测的例子,如电热水器将水烧开后自动断电等。温度测量仪由温度传感器(即感温元件)完成对温度的

检测。常用的温度检测仪器如图6－1所示。图6－1常用的温度检测仪器

项目描述

构建一个温度检测电路,且用十进制数字显示当前测量的温度,显示的温度误差不大于1℃。

项目分析

由于数字系统对信息的存储能力、传输和处理速度高于模拟系统,尤其是计算机技术的发展,对信息的传输、处理带来了革命性的变化。然而代表自然界中信息的物理量其变

化许多都是连续的,如温度、压力等,它们都属于模拟量,通过传感器,可以把这些物理量转换成电信号(如电压、电流等)。把这些模拟的电信号直接输入到数字系统中处理是不行的,如何解决这一问题?这就要把模拟信号通过一定的电路转换为数字信号,再输入到数字统中进行相应的处理。基于这一思路,温度检测与显示项目的构成框图如图6－2所示。图6－2温度检测原理电路框图

任务模/数转换器(ADC)

A/D转换器是用来把连续变化的模拟信号转换为一定格式的数字信号的器件。ADC的基本原理如图6－3所示。它完成对某ti时刻输入模拟量VA(ti)进行二进制编码的功能,输出的二进制码与VA(ti)的大小成一定的比例关系,输出二进制码为n位数字量D。图中,

VREF为参考电压。图6－3ADC原理框图

ADC的转换关系可以表示为

由于模拟信号在时间上是连续的,而数字信号则是离散量,因此A/D转换必须按一定的时间间隔取模拟电压值,再对其进行A/D转换,该过程称为对模拟信号的采样。而A/D转换需要时间,这就要将采样时刻的电压值保持下来。对保持下来的模拟电压值进行量化和编码,从而得到数字量输出D。因此A/D转换必须包含四个过程:采样、保持、量化和

编码。

6.1.1A/D转换的一般过程

1.采样和保持

(1)采样。采样又称取样或抽样,是将时间上连续的模拟信号转换为时间间隔均匀的模拟量,也就是将模拟量转换为一串幅度与模拟信号一致的脉冲,如图6－4所示。图中VA(t)为模拟输入信号;S(t)为采样脉冲信号,周期为Ts;VO(t)为采样输出信号。采(取)样器实际上是一个模拟开关,在采样脉冲tp

期间,开关闭合,信号通过;否则开关断开,没有信号。即仅仅在Ts、2Ts、3Ts…这些离散的时间点上有信号,而在其他时间点上没有信号。图6－4采样过程波形图

为了保证能够由采样信号完全恢复原信号特征,采样脉冲应满足:．

式中,fimax为输入信号VA(t)中最高频率分量的频率。上式又称为采样定理。

(2)保持。由于采样脉冲宽度往往很窄,因此采样值的宽度也很窄,而进行A/D转换需要一定的时间。为了后续电路能很好地完成转换功能,通常在采样后,将采样值保存起来,直到下一次采样值到来再更新。实现上述功能的电路称为保持电路。

在实际应用中常将采样和保持电路合为一体,称为采样保持电路。图6－5(a)给出了一种典型的采样保持电路。它们包括存储采样值的电容C、模拟开关V和缓冲运算放大器A等主要部分。图中用场效应管作为模拟开关,在采样脉冲持续期内,开关接通,模拟信号对电容C充电。电容C充电时,电容上的电压随模拟信号变化,VO

输出也随之变化。

当采样结束时,开关断开,电容上电压保持不变,VO

也保持不变,如图6－5(b)所示。图6－5采样保持电路及输出

2.量化和编码

采样保持电路的输出信号VO

虽然已经成为在时间上离散的阶梯信号,但在数值上仍是某一时刻模拟量的值,可能有无限多个值难以用二进制数字量来表示。模拟输入电压和数字输出的关系如图6－6所示,每一个数字量对应一个离散的阶梯信号电平,那么介于两个离散电平之间的采样点就要归类到这两个电平之一上。这种取整归并的过程称为量化。离散电平之间的最小电压差,也就是ADC能分辨的最小模拟电压值就叫做分辨率,可用LSB(LeastSignificantBit)表示。图6－6模拟输入电压和数字输出的关系图

量化常采用四舍五入或只舍不入的方法。量化的过程如图6－7所示,VO

为采样保持电路输出的电压,Vg是量化以后的电压。Vg

与VO之间的差值称为量化误差。影响量化误差的主要因素是量化阶梯(即量化单位LSB)。图中,LSB=1V,将0~7V电压分为7个阶梯。如果按四舍五入方法量化,最大量化误差为1/2LSB=0.5V,量化过程如图6－7(a)所示。如果按只舍不入的方法量化,最大量化误差为1LSB,量化过程如图6－7(b)所示。图6－7量化及编码

量化后的电压Vg为LSB的整数倍,则Vg=N

(

LSB)。将N用二进制编码来表示的过程称为编码。

ADC电路中的核心是量化与编码电路,各种A/D转换技术的差异主要反映在这部分电路上。下面介绍各种A/D转换技术时,着重介绍这方面的内容。

6.1.2ADC的主要技术参数

ADC的技术参数有静态和动态之分,主要的静态参数是转换精度(分辨率和转换误差),主要的动态参数是转换时间(转换速度),其次还有转换电压范围等。

1.分辨率

ADC的分辨率是指转换器所能分辨的输入模拟量最小值,也就是使输出数字量最低位发生变化时输入模拟量的最小值。ADC的分辨率不仅与输入电压(或电流)有关,而且和

数字量位数有关。如n位二进制ADC,其分辨率为

2.转换误差

转换误差主要包括量化误差、偏移误差、增益误差等,其中量化误差是A/D转换器本身固有的一种误差,而其他几种误差则是由内部电路各元器件及单元电路偏差产生的。

ADC的误差是指与输出数字量对应的理论模拟值和产生该数字量的实际输入模拟量之间的差值,通常以LSB为单位表示。

3.转换时间

转换时间被定义为ADC完成一次完整转换所需的时间,也就是从发出对输入模拟信号进行采样的命令开始,直到输出端产生完整而有效的数字量输出所需的时间。

4.输入电压范围

输入电压范围是指集成A/D转换器能够转换的模拟电压范围。单极性工作的芯片有+5V、+10V或-5V、-10V等,双极性工作的芯片有以0V为中心的±2.5V、±5V、±10V等,其值取决于基准电压的值。理论上最大输入电压范围VImax

=VREF(2n

-1)/2n,有时也用VREF

近似代替。

6.1.3常用的A/D转换技术

A/D转换将输入模拟信号转换成相对应的数字信号输出。常用的A/D转换电路有并行比较型A/D转换、逐次逼近型A/D转换、双积分型A/D转换、ΣΔ调制型A/D转换等电路。

1.并行比较型ADC电路

并行比较型ADC是一种高速A/D转换器。图6－8所示为三位并行ADC的原理图。它由下列各部分组成:图6－8三位并行ADC的原理图

(1)电阻分压器。它由9个电阻串联组成,产生不同数值的参考电位,分别送到各比较器。由原理图可得参考电位为

(2)电压比较器。三位ADC共有8个电压比较器,其中比较器8作为溢出指示。当溢出时,比较器输出为“1”;否则,输出为“0”。

当VA<V1

时,所有比较器的输出全为低电平,时钟CP到来时触发器的状态全为0。

当V1≤VA<V2

时,除电压比较器C1

输出为1外,其余所有比较器的输出全为0;时钟CP到来时触发器1的状态为1,其余所有触发器的状态为0。依此类推,其真值表如表6－1所示。

(3)寄存器及编码电路。8个触发器在时钟脉冲的作用下,将比较器的结果暂存于其中,供编码器使用,从而编译生成相应的二进制代码;如有溢出,输出溢出标志。由表6－1得出编码器的表达式为

2.逐次逼近型ADC电路

逐次逼近型ADC电路的原理如图6－9所示。图6－9逐次逼近型ADC电路

3.双积分型ADC电路和ΣΔADC电路

双积分型ADC电路的工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度)或频率(脉冲频率),然后由定时器或计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率,工作性能稳定,抗干扰能力强;缺点是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率很低,多用在测量仪表的A/D转换电路中。

ΣΔ型ADC电路的量化误差非常小,转换精度可以做得很高,使芯片在较低的成本条件下获得很高的性能,但转换速率较低,主要用于音频和测量领域。

【例6－1】对于一个10位逐次逼近型A/D转换电路,当时钟频率为1MHz时,其转换时间是多少?如果要求完成一次转换的时间小于10μs,试问:时钟频率应选多大?

解

由逐次逼近型A/D转换电路的工作原理可知:位长为n的寄存器,需要经过n次比较,即需n个CP脉冲,在第(n+1)个CP作用下,寄存器的状态被送至输出端,在第(n+2)个CP作用下,逻辑控制电路恢复到初始状态,同时将输出端状态清除掉,为下一次A/D转换作好准备。因此,对于位长为n的寄存器,完成一次A/D转换所需时间T为(n+2)个时钟周期。

(1)时钟频率为1MHz,时钟周期1μ

s,故求得

T=(10+2)×1μ

S=12μ

S

(2)当要求完成一次转换的时间小于10μ

S时,则有

T=(10+2)TCP≤10μ

S

故求得

f=1.2MHz

6.1.4典型集成ADC器件及其应用

集成ADC芯片分辨率通常有6、8、10、12、14、16、18位等,许多型号的产品性能各异,大多数将采样保持电路和A/D转换电路制作在一个芯片上。按输入模拟信号的通道来分,它有单通道、多通道两种类型。表6－2列出了几种常用的ADC模块。

1.ADC0808/0809的功能

ADC0808/0809是美国国家半导体公司(NS)生产的8位数字输出、8路模拟输入的逐次逼近型A/D转换器,采用28脚封装,与8位微机兼容,其三态输出可以直接驱动数据

总线。ADC0808的误差±1/8LSB,ADC0809的误差为±1LSB。

其原理图、芯片实物图和引脚图如图6－10所示。三位地址信号经锁存译码输出控制8个模拟输入通道。ADC的输出信号为三态输出,具有与计算机接口完全兼容的输出电

平。图中各引脚的功能如下:

(1)IN7~IN0:8路模拟输入。

(2)ADDC、ADDB、ADDA:3位地址变量,ADDC为高位地址,如011选择IN3作为输入。

(3)ALE:地址锁存允许信号,上升沿有效。

(4)START:A/D转换的启动脉冲信号,上升沿将数据寄存器清0,下降沿开始进行转换。

(5)CLK:时钟输入端,范围为10~1280kHz。

(6)D7~D0:输出数据。

(7)EOC:转换结束信号,高电平有效。

(8)OE:数据输出允许控制信号,输入高电平有效。如采用中断方式,则EOC=1,发出中断请求,计算机发出读数据指令使OE=1,这时计算机从ADC中取走数据。

(9)VREF+、VREF-:基准参考电压的正端和负端。图6－10

ADC0808/0809原理图、芯片实物图、引脚图

2.ADC0808/0809的典型接法

ADC0809的典型接法如图6－11(a)所示。外加时钟的频率典型值为500kHz,如VCC=5V,启动信号为单脉冲,外加模拟电压为2.5V,即灯L7亮,其余灭,8位输出数据为10000000B。改变不同的输入模拟电压将会有对应的输出数据。图611(b)为其实物连接电路。图6－11

ADC0809应用电路

软件仿真

A/D转换器的计算机仿真实验

利用仿真软件分析ADC的工作过程,图6－12为ADC0809的仿真电路图。图6－12ADC0809仿真电路

1.ADC0809功能引脚的连接

ADDC、ADDB、ADDA:接地,即对IN0模拟通道输入电压进行A/D转换。

ALE、START:接时钟信号发生器,频率可选择为1Hz,在时钟信号上升沿完成

ADDC、ADDB、ADDA三位地址锁存,在下降沿启动A/D转换。

CLK:接时钟信号发生器,时钟频率可输入100kHz。

VREF(+):基准参考电压的正端,接+5V。

VREF(-):基准参考电压的负端,接地。

OE:数据输出允许控制信号,接+5V。

2.仿真电路原理

在图6－12中,RW1为可调电位器,为ADC0809提供模拟电压,电压范围为0~5V,从模拟通道IN0输入;使用U2:A~U3:B共8个反相器,增强ADC0809输出数据驱动能

力;VD1~VD8用于指示A/D转换后的数据,R1~R8

为限流电阻。

如果电路连接正确,开始仿真后,ADC0809对模拟通道IN0输入电压自动进行A/D转换,由于数据输出允许控制信号OE接高电平,A/D转换结果立即从OUT1~OUT8

输出,经8个反相器驱动发光二极管。从图中可知,当输出的数据为高平时,发光二极管点亮。

3.仿真练习

(1)调节RW1使IN0的输入电压分别为0V、2.5V和5V。

①启动仿真,用发光二极管观看VD8~VD1的转换数据输出。

②用逻辑分析仪同时观察ALE、START、CLK、EOC和VD8~VD1的工作波形。

③分析工作波形的时序关系,并做记录。

(2)调节RW1,并用电压表测量其输出电压,观察VD8~VD1

的变化,测出ADC的分辨率。

(3)改变ADDC、ADDB、ADDA三位地址,如101,寻找模拟电压所对应的输入通道。

项目实施

一、温度传感器AD590

温度传感器将自然界温度物理量转换为相应的电信号。AD590是美国模拟器件公司生产的两端单片集成感温电流源,图6－13为AD590的引脚图、符号和温度特性曲线。其主要特性如下:

温度范围:-55℃~+150℃;

输出电流:1μA/℃;

电源范围:+4V~30V。图6－13

AD590

从特性曲线可以看出,AD590的输出电流与温度成线性关系,温度变化1℃时,输出电流变化1μA。流过器件的电流(A)与器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数之比为常

数,即

式中:I为流过器件(AD590)的电流,单位为μA;T为热力学温度,单位为K。

温度传感器AD590把温度的变化转化为电流的变化,其电路模型相当于一个恒流源,在实际使用中,往往需把电流转换为电压,也即把电流的变化转变为电压的变化进行处理。AD590的简单应用电路如图6－14所示,AD590的正极接电源正极,负极接取样电阻,VO

为电压输出。取样电阻一般为10的整数倍,当取样电阻为10kΩ,则温度变化1℃,输出电压VO变化10mV,如图6－14(a)所示;如取样电阻为1kΩ,则温度变化1℃时,输出电压VO

变化1mV。为了保证取样电阻的准确,一般用可变电阻与固定电阻相串联的电路形式,如图6－14(b)所示。图6－14

AD590的简单应用电路

输出电压为

式中,R为采样电阻,单位为Ω;T为使用环境温度,单位℃。

二、温度检测电路

为了实现本项目中所给定的任务,结合图6－2的温度检测原理电路框图,在此直接给出图6－15所示的实现电路。下面对各部分电路进行分析。图6－15温度检测仪实现电路

1.温度传感器

有多种温度传感器可供选择,根据上面对温度传感器AD590的介绍,在实现任务时可选择该温度传感器。温度传感器电路由AD590、电位器RW1

和电阻R1

组成,工作时调整RW1使RW1+R1

准确地等于1kΩ,温度传感器电路的输出电压VO

与环境温度具有如下的关系:

2.A/D转换

可根据分辨率选择A/D转换器的数据位数。由AD590的工作温度范围-55℃~+150℃知温度检测电路的温度误差为±1℃,如果做到温度范围的全覆盖,可知共有(150-(-55)+1)=206个温度间隔。为了能够准确地分辨这206个温度间隔,A/D转换器的数据位数最小应为8位,因为8位A/D共有28-1=255个数据间隔。因此,这里选择ADC0809。

图6－15中,ADC0809为典型应用电路,三位地址端ADDA~ADDC接地,ADC0809只对INT0(通道0)输入的模拟信号进行A/D转换;参考电压VREF(+)接+5V,VREF(-)接地,输入的模拟信号的电压范围为0~5V;地址锁存允许信号ALE和转换启动信号START接在一起,受同一个单脉冲信号控制,脉冲信号上升沿完成地址锁存,下降沿启动ADC0809开始A/D转换;CLOCK时钟端接连续时钟信号CLK,典型的时钟信号频率为500kHz,一般情况下大约98个时钟脉冲完成一次转换;输出允许信号OUTPUTENABLER接高电平,一次转换所产生的8位二进制代码从数据端输出。

为了做到连续地自动转换,启动信号和时钟信号可由振荡器产生,如图6－16所示,CD4060外接4MHz晶体和内部电路一起构成振荡器,经内部分频,Q3输出250kHz方波信号,该信号可作ADC0809的时钟信号CLK,Q13输出大约244Hz的方波信号,用作ADC0809的启动转换信号START。图6－16CD4060振荡器

3.信号调理电路

ADC0809输入的模拟信号电压最高为5V,则每摄氏温度值对应的输入电压应为5/255=19.6(mV)。由此可见传感器出来的信号并不能直接加到ADC0809上,中间还应有电压转换电路。该电路由U1:A和U1:B两个运算放大器构成。

在图6－15中,VO是温度传感器电路的输出电压,温度变化一摄氏度,VO

变化1mV,而V2变化19.6mV,因而,从VO到V2

之间还需有19.6倍的电压放大。集成运放U1:A及其外围电路构成同相放大器,提高输入阻抗,减小对VO

的影响,调节RW2

使电压放大至19.6倍。

U1:B、R5、R6、R7

、R8

和电位器RW3构成减法放大器,目的是保证在温度为0℃时

V2=0V。由图6－15可知:

如R5

=R6,R7=R8,则V2=V1-V3。

在所测温度为0℃时,V2=0