任務九模/數(A/D)轉換器的設計與制作一、任務描述設計并制作一個數字溫度計，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，將電壓電流值經過放大進入到A/D轉換器和譯碼器，再由數碼管表示出來。自動溫控報警系統實物圖二、任務分析（一）模數轉換1.模數轉換的概念ADC，Analog-to-DigitalConverter的縮寫，指模/數轉換器或者模擬/數字轉換器。亦稱模擬一數字轉換，與數/模(D/A)轉換相反，是將連續的模擬量（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）轉換成相應的數字表示，即經模/數轉換后，構成數字圖象。通常有電子式的模/數轉換和機電式模/數轉換二種。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字形式的處理。例如：圖像的數字化等。信號數字化是對原始信號進行數字近似，它需要用一個時鐘和一個模數轉換器來實現。所謂數字近似是指以N-bit的數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。通常數字位數越多，裝置的速度就越慢。2.模數轉換的過程模數轉換包括采樣、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，故采樣輸出是斷續的窄脈沖。要把一個采樣輸出信號數字化，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。量化是將連續幅度的抽樣信號轉換成離散時間、離散幅度的數字信號，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完成，量化和編碼也是在轉換過程中同時實現的，且所用時間又是保持時間的一部分。3.模/數轉換器（ADC）的主要性能參數(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。(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）電路設計根據任務要求，電路主要包括溫度的采集與信號的放大、數模轉換、數碼顯示三部分。溫度的采集與放大數模轉換數碼顯轉換示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.數模轉換數模轉換就是將采集的溫度模擬信號轉換為數字信號，能夠被數碼管識別的數字信號。TC7107與MC14433都是三位半的模數轉換器，可以直接與數碼管進行連接顯示。3.數碼顯示數碼顯示就是將TC7107轉換成的數字信號進行顯示。一般數碼管有共陽極與共陰極兩類，共陽與共陰的只要區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芯片數字溫度計將采集的模擬的信號轉換為數字信號，并能通過數碼管顯示出來，采用TC7207三位半的A/D轉換器進行模數轉換。它能直接驅動7段數碼管進行數碼顯示，最后可得溫度的數字信號。TC7107是高性能，低功耗的三位半的A/D轉換器，它自身包含七段數碼顯示器、顯示驅動器、參考源和時鐘系統。三位半是十進制數0000-1999。所謂三位是指個位，十位，百位，其數字顯示范圍是0—9而半位是指千位數，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，所以稱為半位。如果超過了量程，那么千位數就會顯示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，有助于實現儀表的小型化。芯片內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。能通過內部的模擬開關進行自動調零和自動顯示極性的功能。噪聲低，失調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自動調零電容的容量對系統噪聲會產生影響。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。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。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，并且數碼管顯示的讀書為-1888.除此之外還可以作為外部小數點的負供電電壓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模數轉換器，主要是在一個測量周期內進行兩次積分，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，在此時間間隔內填充標準的時鐘脈沖，用儀器記錄的脈沖個數來反映的值，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為0，保證輸入電壓=0作為其初始狀態。自動調零電容一般為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越感得多。LM35系列傳感器生產制作時已經過校準，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),重復性好，低輸出阻抗，線性輸出和內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③確保0.5℃的精度(在25℃)④額定溫度范圍為-55℃至+150