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用实验板演示AD转换器的进程

[日期:2012-05-15] 来源:  作者:余集成 [字体: ]

 

  逐次逼近A/D转换器是A/D转换器的一种,其功能是将模拟量经过“量化”变转换成数字量。其结构主要由比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器和逻辑控制单元等组成。
  
  其工作过程如下:转换启动后,第一步,控制逻辑电路首先把逐次逼近寄存器的最高位(例如D7)置1、其他位置0,将其存储到逐次逼近寄存器,然后经D/A转换后得到约为满量程(例如2.5V)输出一半的反馈电压(例如1.25V)。这个预估计电压值在比较器中与输入信号进行比较。若比较器判断输入电压值比预估计电压值高,则在下一次比较前对D7修正置1或0。第二步,按对分原理,把逐次逼近寄存器的下一位(例如D6)置l,再次经D/A转换器输出与输入信号进行比较,不断重复这个过程,直到完成LSB(最低位DO)的转换。这时逐次逼近寄存器的各位值均已确定,逐次逼近转换完成。然而,现代的A/D转换器已集成化,过程在lC内部实现,分析其工作过程、学习其原理很抽象,对初学者来说是很困难的。为了让初学者能深入理解,可采用实验板进行演示。
  
  一、实验演示
  
  我们的实验板如下图所示。原来飞速进行A/D转换过程变得非常慢,每按一次键只走一步,我们可以形象地、一步一步地分析A/D转换器进程。
  
  将输入电压调节电位器②调到1.26V,由数字电压表③(红笔接TP1)读出。按一下开关SWlSTART,转换开始:第一步D7灯亮,D6-DO灯全部不亮,数据为10000000(即128)。对满量程2.5V来说,2.5×128/256=2.5×1/2=1.25V,经过D/A转换电压连由数字电压表④(红笔接TP2)读出。因为1.26>1.25,比较器输出l,D7=l保留。第二步,按一下开关SW2STEP,D6置高,D7、D6灯亮,D5-DO灯全部不亮,数据为11000000(即192),数字电压表④显示1.88V。输入电压1.26V小于1.88V,比较器输出0,D6应为0不能保留l。第三步,再按一下开关SW2,D6=0而D5=1,数据为10100000(即160),数字电压表④显示1.56V-----.开关SW2连续按9次,D9灯亮,表示转换结束。这时D7-DO显示10000001(即129),数字电压表④读数为1.26V是最终读数。从上面的分析知道,数字电压表③的读数在整个转换过程中不能有变化,不然每次比较的结果不准确了。实际转换过程很快,信号变化相对就小了。再进一步,用所谓的“采样一保持”电路,某个瞬间,把信号的电压放在电容器里存起来,在一个转换过程中是相对于电容器的电压作比较的,很稳定。
  
  我们可以把电位器Wl调到1.5V或其他电压,按SW1重新试试看。你一定会感到很有趣。实验板

  二、元器件选配
  
  (1)本实验板消耗电流不足50mA,对5v电压要求稳定,用USB接口从电脑取电比较合适。图1中①是两头是公的USB插头,一边插电脑,一边接PCB板,PCB板上的Jl是USB母座。买插座时注意公母,弄反了不仅插不上,而且电源、地线位置是颠倒的。
  
  (2)UI为十进制计数器一环形分配器CD4017,其管脚分配如下图示。


  
  当复位有一个正脉冲来到时,十个输出端只有QO=1,其他均为0。E的低电平和CP高电平与逻辑构成时钟,即:E=0,CP由O变l计数;CP=1,E由l变0计数;E=l,不论CP何值,禁止计数;CP=O,不论E何值,禁止计数。在本实验例中每计一次数,输出高的状态移位传递一次,如由QO=1传递到Ql=l……一直到Q9=1(其他输出端为0)时,Q9接到E停止计数。完成一个实验周期。QCC为进位信号,QO-Q4为l期间为1,Q5-Q9为1期间为0。本实验不用。
  
  (3)U2—U4双D触发器SN74HC74,其管脚分配如下图示。


  
  当R、S均为1时,CP的前沿(由O变l简写为↑)Q的状态根据D的状态变化。如以前Q=O,D=l当CP↑,Q=l;以前Q=l,D=l当CP↑,Q=l。当R=O不管CP如何,Q=O;当S=O,Q=l。本实验中若干个D触发器的D端并联在一起,而CP端各自连出,当某一个CPn有T,只有相应的Qn根据D的状态发生变化。其他的Q不变。
  
  (4)U5、U6四2输入与门SN74HC32,其管脚分配如下图示。每个与门的两个输入端A、B只要任意一个为1,其输出Y就为l。两个输入端A、B同时为0,其输出Y就为0。注意,CD4017或MC14017的电源地默认为VDD,vss,而74XX的电源地默认为Vcc,GND在PCB自动布线时会有互不相通的两个电源和两个地。可以修改网表来解决


  
  (5)U8双比较器LM393,其管脚分配如下图所示。


  
  LM393可以在很宽的电源电压范围内工作(+2V~36V或±IV~±18V),能对Ov左右的信号比较,输入电流很小(25nA),输出外接上拉电阻后,可以满幅度输出。
  
  所以很适合本实验使用。根据手册,输入信号从-0.3V到电源电压-1.5V之间,比较器能正常工作。在单电源Sv情况,两个信号电平在3.5V以上,LM393不能比较其大小。本实验用分压的办法,使输入电压范围为0~25V。

  6.D/A转换器,用R-2R梯型网路构成的D/A转换器如下图所示。电压输出时内阻为R,最大幅度为VREF×2n-l/2n,以5v,8位为例,最大量程为5×255/256=4.98V。详细原理参考教科书。由于HCMOS74HC32满负荷输出,高电平驱动能力与低电平驱动能力都很强,而且是对称的,CMOS输出端DO一Dn替代KO~Kn是可能的。下图中的VREF就是CMOS输出高电平电压VOH。本来应该为4.99V,本实验DO—D7还带LED指示灯,消耗约6mA,高电平电压为4.75V。DO~D7=1时,4.75×255/256=4.73V。如果负载电阻正好也是lOk,分压一半输出为2.36V到不了2.5V,为了修正LED影响,负载电阻取11.2k(lOk和1.2k串联)分压输出正好为2.5V。图1中R8-R22是梯型网路电阻,R28-R35是LED限流电阻。R23串R37是负载电阻。
  
  R37在实验中调试选择合适的阻值。R-2R梯型网路还可以电流输出,通过运放转换为电压,本实验没有采用。R8-R23选用RJ-0.125误差0.5%的,其色环为棕黑黑红一绿,红黑黑红一绿。其他电阻可以用RJ-0.125误差2%的,其最后一圈是棕。为什么lOk0.5%不会倒读成绿红黑黑一棕?看距离,红一绿之间距离稍大一些。
  
  (7)其他元器件:电位器Wl规格为3362P103,电容器Cl、C2规格为CT-104,电解电容C3规格为CD-3100¨F/16V。按钮开关SW1、SW2用外型尺寸为lOmm×lOmm的。发光二极管DO-D7用高亮度φ3红的,看起来明显,D9可以用黄的。


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