吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉增俊

A/D轉(zhuǎn)換器

吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉增俊

A/D轉(zhuǎn)換器是將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出的裝置。一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。本系統(tǒng)由0—5V信號(hào)源、電壓比較電路、STC12C5A60S2單片機(jī)處理電路、74HC148編碼器、1602顯示電路、CD4067電子開(kāi)關(guān)及鍵盤(pán)輸入電路組成。采用逐次比較原理實(shí)現(xiàn)對(duì)0—5V連續(xù)調(diào)節(jié)模擬電壓信號(hào)的測(cè)量和顯示。

電壓比較電路；STC12C5A60S2單片機(jī)；CD4067電子開(kāi)關(guān)

1.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)信號(hào)源利用可調(diào)電阻，產(chǎn)生0—5V連續(xù)調(diào)節(jié)的模擬電壓信號(hào)；采用電壓比較器分別比較信號(hào)電壓的個(gè)位、十分位、百分位、千分位，利用減法器進(jìn)行位數(shù)的計(jì)算，并將比較結(jié)果送入控制模塊進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)顯示模塊輸出結(jié)果。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.1 總體方案論證

方案一：積分型

積分型AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度信號(hào))或頻率(脈沖頻率)，然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡(jiǎn)單電路就能獲得高分辨率，但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴(lài)于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。

方案二：壓頻變換型

壓頻變換型(Voltage-Frequency CONverter)是通過(guò)間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無(wú)限增加，只要采樣的時(shí)間能夠滿(mǎn)足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。

方案三：采用從高位到低位逐位試探比較原理，從高到低逐級(jí)做減法進(jìn)行試探。過(guò)程是：初始化后將待轉(zhuǎn)化電壓值的最高位與電子開(kāi)關(guān)選通端對(duì)應(yīng)電壓值通過(guò)減法器做減法使待測(cè)電壓值最高位為0，然后將做過(guò)減法后的待測(cè)電壓值乘以10，使其最高位不為0，再經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)選通端的電壓值做減法使其最高位為0，如此循環(huán)4次，得出千分位數(shù)值，該數(shù)值即為比較器得出的結(jié)果，就是所要求的數(shù)字量輸出。

基于以上分析，采用方案三。

1.2 系統(tǒng)的基本組成

A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)對(duì)輸入電壓值應(yīng)實(shí)時(shí)掌握，所以轉(zhuǎn)換后的電壓值應(yīng)時(shí)刻顯示在1602屏上。通過(guò)STC12C5A60S2單片機(jī)所連接的控制單元在輸入0-5V連續(xù)調(diào)節(jié)直流電壓被測(cè)信號(hào)源變化過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路的分辨率的測(cè)試。同時(shí)采用光提示來(lái)提示完成測(cè)試。

1.2.1 控制模塊選擇

控制模塊選擇AT89S52單片機(jī)。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。芯片市場(chǎng)上十分常見(jiàn)，十分容易購(gòu)買(mǎi)和更換，性?xún)r(jià)比高。

1.2.2 鍵盤(pán)輸入模塊的選擇

采用獨(dú)立鍵盤(pán)作為系統(tǒng)的控制裝置。優(yōu)點(diǎn)：所占面積小，節(jié)省空間，不易命令輸出錯(cuò)誤。缺點(diǎn)：占有單片機(jī)I/O口過(guò)多。

1.2.3 顯示模塊的選擇

方案一：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)碼管（LED）對(duì)環(huán)境因素要求較低，顯示明亮。采用BCD編碼顯示數(shù)字。程序編譯相對(duì)容易，資源占用少。但耗能高，顯示形式單一。

方案二：使用1602液晶。1602液晶也叫1602字符型 液晶，它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。使用液晶顯示屏顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。液晶顯示屏具有輕薄短小，耗電量低，無(wú)輻射危險(xiǎn)，可視面積大，畫(huà)面效果好，分辨率高。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 控制單元電路圖

圖3 電壓處理單元電路圖

圖4 總體流程圖

綜上比較，選擇方案二。

1.2.4 多路開(kāi)關(guān)

方案一：采用機(jī)電開(kāi)關(guān)，如干簧繼電器，水銀繼電器電器等。機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在通斷指標(biāo)方面具有近似理想的電氣特性，閉合時(shí)接觸電阻較小，而斷開(kāi)時(shí)阻抗高。但是速度、體積方面則不夠理想。此外在簧片和連接間還存在著熱電勢(shì)。

方案二：CD4067是數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)，具有低導(dǎo)通阻抗，低截止漏電流和內(nèi)部地址譯碼的特征。另外，在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻保持相對(duì)穩(wěn)定。CD4067是16通道開(kāi)關(guān)，有四個(gè)二進(jìn)制輸入端A0～A3和控制端C，輸入的任意一個(gè)組合可選擇一路開(kāi)關(guān)。C＝1時(shí)，關(guān)閉所有的通道。CD4067提供了24引線(xiàn)多層陶瓷雙列直插（D）、熔封陶瓷雙列直插（J）、塑料雙列直插（P）和陶瓷片狀載體（C）4種封裝形式

因?yàn)榘雽?dǎo)體集成電路多路開(kāi)關(guān)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，我們選擇方案二。

1.2.5 編碼器

優(yōu)先編碼器74HC148。74HC148為HCMOS型，是高速CMOS系列，供電3～12V，他允許同時(shí)輸入兩個(gè)以上編碼信號(hào)。在設(shè)計(jì)優(yōu)先編碼器時(shí)已經(jīng)將所有的輸入信號(hào)按優(yōu)先順序排了隊(duì)，當(dāng)幾個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，只對(duì)其中優(yōu)先權(quán)最高的一個(gè)進(jìn)行編碼。具有速度快，精度高，價(jià)格便宜，應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.6 運(yùn)算放大器

系統(tǒng)選擇LM324。LM324內(nèi)部包括有四個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖2、3所示。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)總體流程見(jiàn)圖4。

4.測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試方案

（1）根據(jù)題目要求，分別進(jìn)行十次測(cè)試，從0—5V以0.5V為檔位共分成10檔系統(tǒng)轉(zhuǎn)換正確率為90%。

（2）共測(cè)試10次，測(cè)試時(shí)間正確率為90%。

（3）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為100個(gè)。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

誤差分析：

（1）溫漂在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中是一個(gè)相當(dāng)重要的指標(biāo)，由于環(huán)境溫度的變化，系統(tǒng)溫漂可能會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)精度.可以采用溫度保持恒定，避免了溫度偏移的影響.還有一些系統(tǒng)采用一種比例測(cè)量法，用同一信號(hào)源激勵(lì)傳感器和參考電壓，可以消除基準(zhǔn)引起的誤差，因?yàn)榧?lì)源和基準(zhǔn)同時(shí)漂移，漂移誤差相互抵消.也有系統(tǒng)用補(bǔ)償手段消除基準(zhǔn)漂移。

（2）誤差源，如碼源噪聲、失調(diào)溫漂、增益漂移，它們?cè)谀撤N條件下，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響，但只要采用適當(dāng)?shù)氖侄尉涂梢允瓜鄳?yīng)誤差最小，進(jìn)而不會(huì)影響系統(tǒng)精度。

劉增?。?978—），男，碩士研究生，吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：供用電技術(shù)。