項(xiàng)目六溫度檢測與顯示電路的實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目描述項(xiàng)目分析任務(wù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)軟件仿真A/D轉(zhuǎn)換器的計算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施小結(jié)

習(xí)題

溫度檢測儀是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛的一種檢測裝置。溫度是生產(chǎn)工藝過程中最基本、最重要的控制參數(shù)之一,關(guān)系到生產(chǎn)條件的建立,產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和生產(chǎn)效率,也影響到生產(chǎn)設(shè)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(xiàng)目描述

構(gòu)建一個溫度檢測電路,且用十進(jìn)制數(shù)字顯示當(dāng)前測量的溫度,顯示的溫度誤差不大于1℃。

項(xiàng)目分析

由于數(shù)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(jī)技術(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再輸入到數(shù)字統(tǒng)中進(jìn)行相應(yīng)的處理?；谶@一思路,溫度檢測與顯示項(xiàng)目的構(gòu)成框圖如圖6－2所示。圖6－2溫度檢測原理電路框圖

任務(wù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

A/D轉(zhuǎn)換器是用來把連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為一定格式的數(shù)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(jìn)行二進(jìn)制編碼的功能,輸出的二進(jìn)制碼與VA(ti)的大小成一定的比例關(guān)系,輸出二進(jìn)制碼為n位數(shù)字量D。圖中,

VREF為參考電壓。圖6－3ADC原理框圖

ADC的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以表示為

由于模擬信號在時間上是連續(xù)的,而數(shù)字信號則是離散量,因此A/D轉(zhuǎn)換必須按一定的時間間隔取模擬電壓值,再對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,該過程稱為對模擬信號的采樣。而A/D轉(zhuǎn)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(jìn)行量化和編碼,從而得到數(shù)字量輸出D。因此A/D轉(zhuǎn)換必須包含四個過程:采樣、保持、量化和

編碼。

6.1.1A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為時間間隔均勻的模擬量,也就是將模擬量轉(zhuǎn)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(shí)際上是一個模擬開關(guān),在采樣脈沖tp

期間,開關(guān)閉合,信號通過;否則開關(guān)斷開,沒有信號。即僅僅在Ts、2Ts、3Ts…這些離散的時間點(diǎn)上有信號,而在其他時間點(diǎn)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(fù)原信號特征,采樣脈沖應(yīng)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間。為了后續(xù)電路能很好地完成轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)上述功能的電路稱為保持電路。

在實(shí)際應(yīng)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(guān)V和緩沖運(yùn)算放大器A等主要部分。圖中用場效應(yīng)管作為模擬開關(guān),在采樣脈沖持續(xù)期內(nèi),開關(guān)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(dāng)采樣結(jié)束時,開關(guān)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(jīng)成為在時間上離散的階梯信號,但在數(shù)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(jìn)制數(shù)字量來表示。模擬輸入電壓和數(shù)字輸出的關(guān)系如圖6－6所示,每一個數(shù)字量對應(yīng)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(diǎn)就要?dú)w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(shù)字輸出的關(guān)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(shù)倍,則Vg=N

(

LSB)。將N用二進(jìn)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(zhuǎn)換技術(shù)的差異主要反映在這部分電路上。下面介紹各種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)時,著重介紹這方面的內(nèi)容。

6.1.2ADC的主要技術(shù)參數(shù)

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

1.分辨率

ADC的分辨率是指轉(zhuǎn)換器所能分辨的輸入模擬量最小值,也就是使輸出數(shù)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(guān),而且和

數(shù)字量位數(shù)有關(guān)。如n位二進(jìn)制ADC,其分辨率為

2.轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器本身固有的一種誤差,而其他幾種誤差則是由內(nèi)部電路各元器件及單元電路偏差產(chǎn)生的。

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

3.轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換時間被定義為ADC完成一次完整轉(zhuǎn)換所需的時間,也就是從發(fā)出對輸入模擬信號進(jìn)行采樣的命令開始,直到輸出端產(chǎn)生完整而有效的數(shù)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(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(zhuǎn)換技術(shù)

A/D轉(zhuǎn)換將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的數(shù)字信號輸出。常用的A/D轉(zhuǎn)換電路有并行比較型A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換、ΣΔ調(diào)制型A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lián)組成,產(chǎn)生不同數(shù)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(dāng)溢出時,比較器輸出為“1”;否則,輸出為“0”。

當(dāng)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(dāng)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(jié)果暫存于其中,供編碼器使用,從而編譯生成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼;如有溢出,輸出溢出標(biāo)志。由表6－1得出編碼器的表達(dá)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(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)或頻率(脈沖頻率),然后由定時器或計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)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(qiáng);缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間,因此轉(zhuǎn)換速率很低,多用在測量儀表的A/D轉(zhuǎn)換電路中。

ΣΔ型ADC電路的量化誤差非常小,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率較低,主要用于音頻和測量領(lǐng)域。

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

解

由逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路的工作原理可知:位長為n的寄存器,需要經(jīng)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(fù)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(zhuǎn)換作好準(zhǔn)備。因此,對于位長為n的寄存器,完成一次A/D轉(zhuǎn)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(dāng)要求完成一次轉(zhuǎn)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(yīng)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(chǎn)品性能各異,大多數(shù)將采樣保持電路和A/D轉(zhuǎn)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(dǎo)體公司(NS)生產(chǎn)的8位數(shù)字輸出、8路模擬輸入的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,采用28腳封裝,與8位微機(jī)兼容,其三態(tài)輸出可以直接驅(qū)動數(shù)據(jù)

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

其原理圖、芯片實(shí)物圖和引腳圖如圖6－10所示。三位地址信號經(jīng)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(jī)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(zhuǎn)換的啟動脈沖信號,上升沿將數(shù)據(jù)寄存器清0,下降沿開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

(5)CLK:時鐘輸入端,范圍為10~1280kHz。

(6)D7~D0:輸出數(shù)據(jù)。

(7)EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,高電平有效。

(8)OE:數(shù)據(jù)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(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)指令使OE=1,這時計算機(jī)從ADC中取走數(shù)據(jù)。

(9)VREF+、VREF-:基準(zhǔn)參考電壓的正端和負(fù)端。圖6－10

ADC0808/0809原理圖、芯片實(shí)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(shù)據(jù)為10000000B。改變不同的輸入模擬電壓將會有對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)。圖611(b)為其實(shí)物連接電路。圖6－11

ADC0809應(yīng)用電路

軟件仿真

A/D轉(zhuǎn)換器的計算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。

CLK:接時鐘信號發(fā)生器,時鐘頻率可輸入100kHz。

VREF(+):基準(zhǔn)參考電壓的正端,接+5V。

VREF(-):基準(zhǔn)參考電壓的負(fù)端,接地。

OE:數(shù)據(jù)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(diào)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(qiáng)ADC0809輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動能

力;VD1~VD8用于指示A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,由于數(shù)據(jù)輸出允許控制信號OE接高電平,A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果立即從OUT1~OUT8

輸出,經(jīng)8個反相器驅(qū)動發(fā)光二極管。從圖中可知,當(dāng)輸出的數(shù)據(jù)為高平時,發(fā)光二極管點(diǎn)亮。

3.仿真練習(xí)

(1)調(diào)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)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(guān)系,并做記錄。

(2)調(diào)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(yīng)的輸入通道。

項(xiàng)目實(shí)施

一、溫度傳感器AD590

溫度傳感器將自然界溫度物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)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(guān)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(xué)溫度(開爾文)度數(shù)之比為常

數(shù),即

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

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

為電壓輸出。取樣電阻一般為10的整數(shù)倍,當(dāng)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(zhǔn)確,一般用可變電阻與固定電阻相串聯(lián)的電路形式,如圖6－14(b)所示。圖6－14

AD590的簡單應(yīng)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(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目中所給定的任務(wù),結(jié)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(shí)現(xiàn)電路。下面對各部分電路進(jìn)行分析。圖6－15溫度檢測儀實(shí)現(xiàn)電路

1.溫度傳感器

有多種溫度傳感器可供選擇,根據(jù)上面對溫度傳感器AD590的介紹,在實(shí)現(xiàn)任務(wù)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(diào)整RW1使RW1+R1

準(zhǔn)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(guān)系:

2.A/D轉(zhuǎn)換

可根據(jù)分辨率選擇A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)位數(shù)。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(zhǔn)確地分辨這206個溫度間隔,A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)位數(shù)最小應(yīng)為8位,因?yàn)?位A/D共有28-1=255個數(shù)據(jù)間隔。因此,這里選擇ADC0809。

圖6－15中,ADC0809為典型應(yīng)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換;輸出允許信號OUTPUTENABLER接高電平,一次轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的8位二進(jìn)制代碼從數(shù)據(jù)端輸出。

為了做到連續(xù)地自動轉(zhuǎn)換,啟動信號和時鐘信號可由振蕩器產(chǎn)生,如圖6－16所示,CD4060外接4MHz晶體和內(nèi)部電路一起構(gòu)成振蕩器,經(jīng)內(nèi)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(zhuǎn)換信號START。圖6－16CD4060振蕩器

3.信號調(diào)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(yīng)的輸入電壓應(yīng)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(yīng)有電壓轉(zhuǎn)換電路。該電路由U1:A和U1:B兩個運(yùn)算放大器構(gòu)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(yùn)放U1:A及其外圍電路構(gòu)成同相放大器,提高輸入阻抗,減小對VO

的影響,調(diào)節(jié)RW2

使電壓放大至19.6倍。

U1:B、R5、R6、R7

、R8

和電位器RW3構(gòu)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