基于ADC0804、TC7107模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的仿真設(shè)計(jì)

印健健

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇南通，226000）

0 引言

A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器的功能就是將模擬量量化，用N位二進(jìn)制數(shù)或BCD碼表達(dá)出來(lái)。實(shí)際上，用數(shù)字表示模擬量的大小就是對(duì)模擬量進(jìn)行了量化。例如電池電壓為1.5V，溫度為28℃等。由于模擬量是連續(xù)變化的，具有無(wú)窮多個(gè)狀態(tài)，而數(shù)字量是有限的，不可能將模擬量的所有狀態(tài)都表達(dá)出來(lái)，因此A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量并不代表模擬量的一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)區(qū)間。例如人們測(cè)量氣溫只保留整數(shù)部分，而小數(shù)部分四舍五入。當(dāng)氣溫為28℃時(shí)并不是說(shuō)氣溫就是28℃，而是在27.5～28.4℃范圍內(nèi)。這個(gè)范圍的大小稱(chēng)為量化誤差，使用整數(shù)表示溫度，小數(shù)四舍五入時(shí)這個(gè)范圍的大小為±0.5℃。如果測(cè)量人體體溫時(shí)需要保留一位小數(shù)，如正常體溫為37.0℃，量化誤差就為±0.05℃。例如某A/D轉(zhuǎn)換器將0～5V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制數(shù)，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。

圖1 5V量程三位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換關(guān)系

1 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 量程

模擬量輸入范圍，分為單極性輸入（如0～+5V）和雙極性輸入（如-5V～+5V），大部分A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍可由用戶(hù)提供的參考電壓Uref設(shè)定。

1.2 位數(shù)

轉(zhuǎn)換結(jié)果的位數(shù)，有二進(jìn)制位數(shù)（如4位、8位、12位、16位）和十進(jìn)制位數(shù)（如3 1/2位、4 1/2位）二種，十進(jìn)制位數(shù)3 1/2表示有4位十進(jìn)制數(shù)輸出，分?jǐn)?shù)1/2中的分母“2”表示最高位只有二個(gè)狀態(tài)，分子“1”表示最高位的最大數(shù)值為“1”。3 1/2位最大輸出數(shù)為“1999”，同理4 1/2位最大輸出數(shù)為“19999”。

1.3 量化區(qū)間

將“量程”劃分為若干個(gè)小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出數(shù)據(jù)，就實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換，這個(gè)小區(qū)間稱(chēng)為“量化區(qū)間”，記為L(zhǎng)SB。量化區(qū)間（LSB）=2×量程/（2N+1-1），式中N為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

1.4 分辨率

是指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬輸入信號(hào)的最小變化量。即量化區(qū)間的大小LSB。例如8位單極性0～+5V輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，能分辨的最小輸入信號(hào)是1LSB=2×5/(28+1-1）=0.0196V=19.6mV。又如12位雙極性-5～+5V輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，能分辨的最小輸入信號(hào)是1LSB=2×10/(212+1-1）=0.00244V=2.44 mV。

1.5 量化誤差

量化誤差=±1LSB/2。如上述8位單極性0～+5V輸入的A/D轉(zhuǎn)換器的LSB=19.6mV，則量化誤差=±9.8mV。

除以上技術(shù)指標(biāo)外，還有一些技術(shù)指標(biāo)如絕對(duì)精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、輸出接口、工作溫度等技術(shù)指標(biāo)，讀者可以查閱有關(guān)資料，這里不再贅述。

2 輸入電壓與輸出數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

如0～+5V量程的3位A/D轉(zhuǎn)換器量化區(qū)間為1LSB=2×5/(23+1-1）=0.667V（見(jiàn)圖1、表1）。輸入電壓的中間值=LSB×輸出數(shù)值（10進(jìn)制）。如輸出的10進(jìn)制數(shù)值為2，則輸入電壓中間值=0.667×2=1.333V。這個(gè)電壓中間值1.333V并不代表一個(gè)固定的值，而是一個(gè)輸入的電壓范圍1～1.667V，其對(duì)應(yīng)區(qū)間為2LSB±1/2LSB。輸入電壓與輸出數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 輸入電壓與輸出數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 1.667～2.333 3LSB±1/2LSB 011 3 2.667 2.333～3 4LSB±1/2LSB 100 4 3.333 3～3.667 5LSB±1/2LSB 101 5 4 3.667～4.333 6LSB±1/2LSB 110 6 4.667 4.333～5 7LSB±1/2LSB 111 7

3 A/D轉(zhuǎn)換器件

3.1 ADC0804引腳功能（見(jiàn)圖2）

圖2 ADC0804仿真設(shè)計(jì)

:芯片選擇信號(hào)。當(dāng)=0時(shí)芯片才能工作。: 外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號(hào)。=1時(shí)輸出為高阻態(tài)不輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)=0時(shí)才輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。WR: 用來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，=0時(shí)清除上一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，=1時(shí)開(kāi)始對(duì)當(dāng)前的輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，故可看作是轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制。CLK IN、CLKR：外部時(shí)鐘輸入或接振蕩元件（R、C），頻率在100～1460kHz左右，一般RC電路振蕩頻率為1/（1.1RC）。振蕩頻率f=1/1.1R8C1=1/1.1×10×103×150×10-12≈600kHz。:中斷請(qǐng)求信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換完成后輸出低電位。VIN(+)、VIN(-)：差動(dòng)模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時(shí)，VIN(-)接地；而差動(dòng)輸入時(shí)，直接加入VIN(+)、VIN(-)。AGND、DGND：模擬信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)的接地。Uref/2：接輔助參考電壓。注意參考電壓為此端連接的電壓的2倍。D0～D7：8位轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字輸出。VCC：電源電壓。

3.2 ADC0804仿真方法

圖2中ADC0804是5V輸入量程8位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器，如前所述，5V輸入量程8位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器的量化區(qū)間1LSB=2×5/(28+1-1）=0.0196V=19.6mV，量化誤差=±1LSB/2=±0.0196V/2=±0.01V，假如在輸出的二進(jìn)制數(shù)00000000～11111111之間取任一數(shù)，如取00000100，其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)是“4”，則其對(duì)應(yīng)的輸入電壓的中間值=0.0196V×4=0.08V。這個(gè)電壓中間值0.08V并不代表一個(gè)固定的值，而是=0.08V±0.01V，也即0.07～0.09V之間，如果在0.07～0.09V之間選擇任一電壓作為輸入電壓，圖2的仿真輸出都將輸出“00000100”，“D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0”八個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光順序依次為“亮、亮、亮、亮、亮、滅、亮、亮”，如取0.078V作為輸入電壓，則只要將圖2 ADC0804 6腳對(duì)地間的電壓表二端的電壓設(shè)置成0.078V即可，仿真結(jié)果和計(jì)算理論值完全相同（見(jiàn)圖2）。

4 使用TC7107制作一個(gè)多量程的數(shù)顯電壓表

4.1 TC7107引腳功能（見(jiàn)圖3）

TC7107是常見(jiàn)數(shù)字面板中使用的A/D轉(zhuǎn)換器，其輸出為3 1/2位7段LED顯示驅(qū)動(dòng)，3 1/2位顯示最大顯示數(shù)值為1999。1腳（V+）、26腳（V—）、21腳（地）：電源，典型值V+=+5V；V—=-5V。5腳（A1）、4腳（B1）、3腳（C1）、2腳（D1）、8腳（E1）、6腳（F1）、7腳（G1）:右起第一位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)，可顯示0～9。12腳（A2）、11腳（B2）、10腳（C2）、9腳（D2）、14腳（E2）、13腳（F2）、25腳（G2）:右起第二位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)，可顯示0～9。23腳（A3）、16腳（B3）、24腳（C3）、15腳（D3）、18腳（E3）、17腳（F3）、22腳（G3）:右起第三位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)，可顯示0～9。19腳（AB4）:右起第四位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)a、b二段，顯示1。20腳（POL）：右起第五位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)輸入為負(fù)值時(shí)顯示極性“—”，驅(qū)動(dòng)g段。40腳（OSC1）、39腳（OSC2）、38腳（OSC3）：片內(nèi)振蕩器，典型振蕩頻率fOSC(Typ)=48kHz。29腳（CAZ）：自動(dòng)校零電容，0.01μF＜自動(dòng)校零電容＜1μF，自動(dòng)校零電容的大小對(duì)系統(tǒng)噪聲有影響，當(dāng)滿(mǎn)量程較小時(shí)（如200mV）應(yīng)當(dāng)選用較小的容量。28腳（VBUFF）：積分電阻，RINT=滿(mǎn)量程電壓/積分電流（4μA）。27腳（VINT）：積分電容。34腳（CREF+）、33腳（CREFfˉ）：參考電容，0.1μF＜參考電容＜1μF，在絕大多數(shù)場(chǎng)合下使用0.1μF電容效果最好。31腳（VIN+）、30腳（VIN-）：模擬量輸入端，顯示數(shù)值=1000×輸入電壓/參考電壓。36腳（VREF+）、35腳（VREF-）:當(dāng)輸入電壓為0時(shí)顯示為“000”，當(dāng)輸入電壓等于參考電壓時(shí)顯示數(shù)值為“1000”，輸入電壓最大值為參考電壓的二倍，此時(shí)顯示數(shù)值為“1999”。32腳（ACOM）：模擬量接地端。37腳（TEST）：測(cè)試端。

4.2 TC7107電壓表仿真方法

SW1為小數(shù)點(diǎn)切換開(kāi)關(guān)，SW2為量程切換開(kāi)關(guān)，仿真時(shí)它們必須保持同步對(duì)應(yīng)切換，例如測(cè)試17V電壓，將BAT4設(shè)置成17V作為輸入電壓，SW2為量程切換開(kāi)關(guān)切換至20V檔，同時(shí)SW1小數(shù)點(diǎn)切換開(kāi)關(guān)也切換至20V檔，按下仿真按鈕，此時(shí)數(shù)碼管顯示“17.00”（見(jiàn)圖3），如果輸入“-17V”，按下仿真按鈕，此時(shí)數(shù)碼管顯示“-17.00”當(dāng)輸入電壓≧20V時(shí)，數(shù)碼管顯示“19.99”并不斷地閃爍，當(dāng)輸入電壓≦-20V時(shí)，數(shù)碼管顯示“-19.99”并不斷地閃爍，這是超量程警告提醒，提示你必須切換至更高的量程才能正常顯示電壓值。表2是電壓表仿真實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由表2可知，即使是同一量程輸入同一的電壓，選擇的上分壓電阻和下分壓電阻的阻值不同，分壓比雖然相同，但輸出顯示的電壓值會(huì)有微小的不同。例如選擇量程為“2000V”檔，輸入電壓為1700V,上分壓電阻和下分壓電阻的阻值比為R2=99900Ω:R5=100Ω時(shí)，輸出顯示為“1705”；當(dāng)上分壓電阻和下分壓電阻的阻值比為R2=999000Ω:R5=1000Ω時(shí)，輸出顯示為“1750”。分壓比雖然都是999：1，但輸出顯示的數(shù)值有微小的不同。綜合表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看 出，選 擇R6=90Ω：R5=10Ω；R4=990Ω：R5=10Ω；R2=9990Ω：R5=10Ω組合或者選擇R6=900Ω：R5=100Ω；R4=9900Ω：R5=100Ω；R2=99900Ω：R5=100Ω組合時(shí)，輸出電壓值誤差都比較小，這二種組合都是比較理想的電阻分壓比組合，但考慮到流過(guò)電阻的電流盡量要小的話(huà)，最好還是選擇后者的分壓比組合（見(jiàn)圖3）。

表2 多量程電壓表仿真實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 TC7107數(shù)顯電壓表仿真設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)置負(fù)電壓輸入時(shí)，BAT4在軟件上是不能設(shè)置成負(fù)電壓的，只能將BAT4輸入的正電壓正負(fù)極顛倒即可，另外在實(shí)物電路中，當(dāng)輸入電壓超量程時(shí)，若為正超量程則在右起第四個(gè)數(shù)碼管顯示“1”，其余數(shù)碼管滅；若為負(fù)超量程則在右起第四個(gè)數(shù)碼管顯示“1”，右起第五個(gè)數(shù)碼管顯示“-”其余數(shù)碼管滅，這和萬(wàn)用表使用時(shí)的實(shí)際情況的顯示是一致的，軟件上的顯示會(huì)隨量程的不同有所不同，如“2000V”檔正超量程顯示“1999”并不斷閃爍，負(fù)超量程顯示的是“-1999”并不斷閃爍，如“200V”檔正超量程顯示“199.9”并不斷閃爍，負(fù)超量程顯示的是“-199.9”并不斷閃爍，以此類(lèi)推。