1、项目六 温度检测与显示电路的实现项目六 温度检测与显示电路的实现项目描述项目描述 项目分析项目分析任务任务 模模/数转换器数转换器(ADC)软件仿真软件仿真 A/D 转换器的计算机仿真实验转换器的计算机仿真实验项目实施项目实施 小结小结 习题习题项目六 温度检测与显示电路的实现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
2、的温度检测仪器如图 61 所示。项目六 温度检测与显示电路的实现图 61 常用的温度检测仪器项目六 温度检测与显示电路的实现项目描项目描述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。项目六 温度检测与显示电路的实现项目分项目分析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
3、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 62 所示。项目六 温度检测与显示电路的实现图 62温度检测原理电路框图项目六 温度检测与显示电路的实现任务任务 模模/数转换器数转换器(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 63 所示。它完成对某 ti 时刻输入模拟量 V A(t i)进行二进制编码的功能,输出的二进制码与 V A(t i)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,V REF为参考电压。项目六 温度检测与显示电路
4、的实现图 63 ADC 原理框图项目六 温度检测与显示电路的实现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。项目六 温度检测与显示电路的实现6.1.1 A/D 转换的一般过转换的一般过程程1.采样和保持采样和保持(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
5、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 64 所示。图中V A(t)为模拟输入信号;S(t)为采样脉冲信号,周期为 T s;V O(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 T s、2T s、3T s 这些离散的时间点上有信号,而在其他时间点上没有信号。项目六 温度检测与显示电路的实现图 64 采样过程波形图项目六 温度检测与显示电路的实现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 V A(t)中最高频率分量的频率。上式又称为采样
6、定理。项目六 温度检测与显示电路的实现(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。项目六 温度检测与显示电路的实现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 65(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
7、号变化,V O 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,V O 也保持不变,如图 65(b)所示。项目六 温度检测与显示电路的实现图 65采样 保持电路及输出项目六 温度检测与显示电路的实现 2.量化和编码量化和编码采样 保持电路的输出信号 V O 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 66 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
8、分辨的最小模拟电压值就叫做分辨率,可用 LSB(LeastSignificantBit)表示。项目六 温度检测与显示电路的实现图 66模拟输入电压和数字输出的关系图项目六 温度检测与显示电路的实现量化常采用四舍五入或只舍不入的方法。量化的过程如图 67 所示,V O 为采样 保持电路输出的电压,V g是量化以后的电压。Vg 与 V O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 07V 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 67(a)所示。如果按只舍不入的方法量化,最大量化误差
9、为 1LSB,量化过程如图 67(b)所示。项目六 温度检测与显示电路的实现图 67 量化及编码项目六 温度检测与显示电路的实现量化 后 的 电 压 V g 为 LSB 的 整 数 倍,则 V g=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。项目六 温度检测与显示电路的实现6.1.2 ADC 的主要技术参数的主要技术参数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),
10、其次还有转换电压范围等。1.分辨率分辨率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,其分辨率为项目六 温度检测与显示电路的实现 2.转换误差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。项目六 温度检测与显示
11、电路的实现 3.转换时间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、10 V 等,其 值 取 决 于 基 准 电 压 的 值。理 论 上 最 大 输 入 电 压 范 围 V Imax=V REF(2n-1)/2n,有时也用V REF 近似代替。项目六 温度检测与显示电路的实现6.1.3
12、 常用的常用的 A/D 转换技术转换技术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、调制型 A/D 转换等电路。1.并行比较型并行比较型 ADC 电路电路并行比较型 ADC 是一种高速 A/D 转换器。图 68 所示为三位并行 ADC 的原理图。它由下列各部分组成:项目六 温度检测与显示电路的实现图 68 三位并行 ADC 的原理图项目六 温度检测与显示电路的实现(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项目六 温度检
13、测与显示电路的实现(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 V A V 1 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 V 1 V A V 2 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。项目六 温度检测与显示电路的实现依此类推,其真值表如表 61 所示。项目六 温度检测与显示电路的实现(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
14、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 61得出编码器的表达式为项目六 温度检测与显示电路的实现 2.逐次逼近型逐次逼近型 ADC 电路电路逐次逼近型 ADC 电路的原理如图 69 所示。图 69 逐次逼近型 ADC 电路项目六 温度检测与显示电路的实现 3.双积分型双积分型 ADC 电路和电路和 ADC 电路电路双积分型 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
15、A/D 转换电路中。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。项目六 温度检测与显示电路的实现【例例 61】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 10 s,试问:时钟频率应选多大?解解 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
16、,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。项目六 温度检测与显示电路的实现(1)时钟频率为 1MHz,时钟周期 1 s,故求得T=(10+2)1 S=12 S(2)当要求完成一次转换的时间小于 10 S 时,则有T=(10+2)T CP 10 S故求得f=1.2MHz项目六 温度检测与显示电路的实现6.1.4 典型集成典型集成 ADC 器件及其应用器件及其应用集成 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/
17、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 62 列出了几种常用的 ADC 模块。项目六 温度检测与显示电路的实现项目六 温度检测与显示电路的实现 1.ADC0808/0809 的功能的功能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 610 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。
18、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:项目六 温度检测与显示电路的实现(1)IN 7 IN 0:8 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 101280kHz。(6)D 7 D 0:输出数据。项目六 温度检测与显示电路的实现(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,
19、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)V REF+、V REF-:基准参考电压的正端和负端。项目六 温度检测与显示电路的实现图 610ADC0808/0809 原理图、芯片实物图、引脚图项目六 温度检测与显示电路的实现 2.ADC0808/0809 的典型接法的典型接法ADC0809 的典型接法如图 611(a)所示。外加时钟的频率典型值为 500kHz,如V CC=5V,启动信号为单脉冲,外加模拟电压为 2.5V,即灯 L 7 亮,其余灭,8 位输出数据为 10000000B。改变不同的输入模拟
20、电压将会有对应的输出数据。图 611(b)为其实物连接电路。项目六 温度检测与显示电路的实现图 611 ADC0809 应用电路项目六 温度检测与显示电路的实现软件仿软件仿真真A/D 转换器的计算机仿真实转换器的计算机仿真实验验利用仿真软件分析 ADC 的工作过程,图 612 为 ADC0809 的仿真电路图。项目六 温度检测与显示电路的实现图 612 ADC0809 仿真电路项目六 温度检测与显示电路的实现1.ADC0809 功能引脚的连接功能引脚的连接ADDC、ADDB、ADDA:接地,即对 IN 0 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
21、1 Hz,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。V REF(+):基准参考电压的正端,接+5V。V REF(-):基准参考电压的负端,接地。OE:数据输出允许控制信号,接+5V。项目六 温度检测与显示电路的实现2.仿真电路原理仿真电路原理在图 612 中,R W1 为可调电位器,为 ADC0809 提供模拟电压,电压范围为 05V,从模拟通道 IN 0 输入;使用 U2:AU3:B 共 8 个反相器,增强 ADC0809 输出数据驱动能力;V D1 V D8 用于指示 A/D 转换后的
22、数据,R 1 R 8 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 OUT 1 OUT 8 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。项目六 温度检测与显示电路的实现3.仿真练习仿真练习(1)调节 R W1 使 IN 0 的输入电压分别为 0V、2.5V 和 5V。启动仿真,用发光二极管观看 V D8 V D1 的转换数据输出。用逻辑分析仪同时观察 ALE、START、CLK、EOC 和 V D8 V D1 的工作波形。分
23、析工作波形的时序关系,并做记录。项目六 温度检测与显示电路的实现(2)调节 R W1,并用电压表测量其输出电压,观察 V D8 V D1 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。项目六 温度检测与显示电路的实现项目实项目实施施一、一、温度传感器温度传感器 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 613 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:1 A/;电源范围:+4V30
24、V。项目六 温度检测与显示电路的实现图 613 AD590项目六 温度检测与显示电路的实现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 1 A。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 A;T 为热力学温度,单位为 K。项目六 温度检测与显示电路的实现温度传感器 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 614 所示,AD590
25、的正极接电源正极,负极接取样电阻,V O 为电压输出。取样电阻一般为 10 的整数倍,当取样电阻为 10k,则温度变化 1,输出电压 V O 变化 10mV,如图 614(a)所示;如取样电阻为 1k,则温度变化 1 时,输出电压V O 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 614(b)所示。项目六 温度检测与显示电路的实现图 614 AD590 的简单应用电路项目六 温度检测与显示电路的实现输出电压为式中,R 为采样电阻,单位为 ;T 为使用环境温度,单位 。项目六 温度检测与显示电路的实现二、温度检测电路二、温度检测电路为了实现本项目中所给定
26、的任务,结合图 62 的温度检测原理电路框图,在此直接给出图 615 所示的实现电路。下面对各部分电路进行分析。项目六 温度检测与显示电路的实现图 615 温度检测仪实现电路项目六 温度检测与显示电路的实现 1.温度传感器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 R W1 和电阻 R1 组成,工作时调整R W1 使 R W1+R 1 准确地等于 1k,温度传感器电路的输出电压 V O 与环境温度具有如下的关系:项目六 温度检测与显示电路的实现 2.A/D 转换转换可根据分辨率选择 A/D
27、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。项目六 温度检测与显示电路的实现图 615 中,ADC0809 为典型应用电路,三位地址端 ADDAADDC 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 V REF(+)接+5V,V REF(-)接地,
28、输入的模拟信号的电压范围为 05V;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。项目六 温度检测与显示电路的实现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 616 所示,CD4060 外接 4MHz 晶体和内部电路一起构成振荡器,经内部分
29、频,Q 3 输出 250kHz 方波信号,该信号可作 ADC0809 的时钟信号 CLK,Q 13 输出大约 244Hz 的方波信号,用作ADC0809 的启动转换信号 START。项目六 温度检测与显示电路的实现图 616 CD4060 振荡器项目六 温度检测与显示电路的实现 3.信号调理电路信号调理电路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 615 中,V O 是温度传感器电路的
30、输出电压,温度变化一摄氏度,V O 变化1mV,而 V 2 变化 19.6mV,因而,从 V O 到 V 2 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 V O 的影响,调节 R W2 使电压放大至 19.6 倍。项目六 温度检测与显示电路的实现 U1:B、R 5、R 6、R 7、R 8 和电位器 R W3 构成减法放大器,目的是保证在温度为 0 时V 2=0V。由图 615 可知:如 R5=R 6,R 7=R 8,则 V 2=V 1-V 3。在所测温度为 0 时,V 2=0V,所以项目六 温度检测与显示电路的实现温度传感器电路和信号
31、调理电路属于模拟电路,感觉有难度的读者需复习相应的知识。在这一电路中有三个可变电阻,调整 R W1,保证在温度变化一摄氏度时转变为 1mV 的电压变化;R W2 是为了精确调整同相放大器的放大倍数为 19.6 倍,以保证 ADC0809 的准确量化;调整 R W3 使 V 3=5351mV,使得温度为 0 时,ADC0809 转换后的数据为 00H,从而保证后续的温度显示电路显示的温度是当前的环境温度。项目六 温度检测与显示电路的实现 4.译码电路和温度显示电路译码电路和温度显示电路ADC0809 输出八位二进制数,代表的最大十进制数为 255,如用十进制数显示温度,必须有二 十进制译码电路,
32、把八位二进制转变为三位 BCD 码,如果用中小规模数字集成电路实现,则电路规模过于庞大,一般采用间接转换方式实现,这里不再赘述,有兴趣的读者可参考相关资料。如果采用单片机技术实现译码显示功能,则变得非常容易,电路的规模将大大减小。项目六 温度检测与显示电路的实现小小 结结A/D 转换器可将模拟量转换成数字量,按其工作原理可分为直接型和间接型。直接型典型电路有并行比较型、逐次比较型,特点是工作速度较快但精度不高。间接型典型电路为双积分型和电压频率转换型,特点是工作速度慢,但抗干扰性能好。项目六 温度检测与显示电路的实现A/D 转换要经过采样、保持和量化、编码来实现。采样 保持电路对输入模拟信号抽
33、取样值展宽(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。ADC 量化、编码的基本思想是“比较”。并行比较型 ADC 是用电阻链同时获得各量化级的比较电压,并同时和 Vi 比较;逐次逼近型 ADC 是用 DAC 依次产生比较电压和 V i 逐次比较。项目六 温度检测与显示电路的实现双积分型 ADC 则用两次积分的时间作比较,基本转换公式是:或随着电子技术的不断发展,高精度、高速度的 A/D 和 D/A 转换器集成芯片层出不穷,极大地方便了各种应用。项目六 温度检测与显示电路的实现习习 题题61 ADC 的主要参数是什么?62 ADC 转换的主要过程有哪些?63 试说明在 A/D 转换过程中产生量化误差的原因及减小量化误差的方法。64 如果要求 ADC 能够分辨 0.0025V 的电压变化,其满刻度输出所对应的输入电压为 6.9976V,则该 ADC 至少应有多少位字长?
