錢雨燁

江蘇廣播電視大學(xué)張家港學(xué)院，江蘇 張家港 215600

數(shù)字顯示與權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

錢雨燁

江蘇廣播電視大學(xué)張家港學(xué)院，江蘇 張家港 215600

D/A轉(zhuǎn)換器將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中有很大的實(shí)用意義。在數(shù)字電路權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換教學(xué)過程中，電路通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)并將脈沖的個(gè)數(shù)通過權(quán)電阻轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。電路設(shè)計(jì)簡單，方便學(xué)生對(duì)D/A轉(zhuǎn)換電路的理解和掌握。

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò); D/A轉(zhuǎn)換; 模擬開關(guān); 數(shù)字信號(hào);模擬電壓

1 權(quán)電阻模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

1.1 D/A轉(zhuǎn)換器概述

D/A轉(zhuǎn)換器,又稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器，英文稱Digital to Analog Converter，簡稱DAC。D/A轉(zhuǎn)換器是能將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路。D/A轉(zhuǎn)換器由4個(gè)部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)。D/A轉(zhuǎn)換器將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，數(shù)字量是由若干數(shù)位構(gòu)成的，就是把每一位上的代碼按照權(quán)值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬量，再把各位所對(duì)應(yīng)的模擬量相加，所得到各位模擬量的和便是數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬量。在集成化的D/A轉(zhuǎn)換器中，通常采用電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電流，然后再用運(yùn)算放大器完成模擬電流到模擬電壓的轉(zhuǎn)換。根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、權(quán)電流DAC等形式。

1.2 工作原理

圖1是4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，它主要有權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換電路和求和運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電壓和模擬開關(guān)等部分組成。其中權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換電路是核心，求和運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)電流電壓變換器，將流過各權(quán)電阻的電流相加，并轉(zhuǎn)換成與輸入數(shù)字量成正比的模擬電壓輸出。

圖1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

電阻網(wǎng)絡(luò)之所以稱為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，是因?yàn)殡娮柚凳前?位二進(jìn)制數(shù)的位權(quán)大小取定的，最高位對(duì)應(yīng)電阻最小為R，依次對(duì)應(yīng)為2R、4R、8R，各電阻的上端都接在一起，并連接到求和放大器的虛地端A點(diǎn)，各電阻下端分別通過一個(gè)S開關(guān)控制導(dǎo)通與斷開，開關(guān)受輸入數(shù)字信號(hào)控制，如i位數(shù)字信號(hào)Di=1時(shí)，開關(guān)Si與VREF連接，此時(shí)有電流流向A點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)S全部為“1”時(shí)，流入節(jié)點(diǎn)A的總電流可以表示為：

iΣ=I0+I1+I2+I3

由上式可知iΣ正比于輸入的二進(jìn)制數(shù),故實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

2 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

2.1 電路工作原理：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脈沖計(jì)數(shù)，一路送數(shù)碼顯示電路，另一路通過權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換電路以模擬電壓輸出，實(shí)現(xiàn)了數(shù)模的轉(zhuǎn)換。本電路計(jì)數(shù)范圍為1～9，輸出模擬電壓為1V～9V。電路原理框圖如下。

圖2 方框原理圖

2.2 電路組成

根據(jù)原理方框圖設(shè)計(jì)如圖3所示電原理圖。電路主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、計(jì)數(shù)器、數(shù)碼顯示電路、權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換、求和電路及反相器。

555時(shí)基電路及外圍元件組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、4518組成一位計(jì)數(shù)電路、4511組成譯碼驅(qū)動(dòng)電路，Q1～Q4組成模擬開關(guān)，R13、R14、R15、R16及RP1、RP2、RP3、RP4組成權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，LM358組成求和運(yùn)放及反相輸出電路。

圖3 電路原理圖

3 電路分析

3.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路

電路由555時(shí)基電路，構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，R2、C2為定時(shí)元件，2腳采用低電平觸發(fā)，當(dāng)按下S1，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，3腳輸出時(shí)鐘信號(hào)，輸入4518 CLK端，作為脈沖輸入信號(hào)。

3.2 計(jì)數(shù)電路

CD4518是一個(gè)雙BCD同步加計(jì)數(shù)器，由兩個(gè)相同的同步4級(jí)計(jì)數(shù)器組成。本電路采用一組BCD計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)一位數(shù)碼顯示。

CD4518引腳功能(管腳功能)如圖4所示。

1 CP、2CP：時(shí)鐘輸入端。

1 CR、2CR：清除端。

1 EN、2EN：計(jì)數(shù)允許控制端。

1 Q0～1 Q3：計(jì)數(shù)器輸出端。

2 Q0～2 Q3：計(jì)數(shù)器輸出端。

Vdd：正電源。

Vss：地。

CD4518有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CP和EN,若用時(shí)鐘上升沿觸發(fā),信號(hào)由CP輸入,此時(shí)EN端為高電平（1）,若用時(shí)鐘下降沿觸發(fā),信號(hào)由EN輸入,此時(shí)CP端為低噸平（0）,同時(shí)復(fù)位端Cr也保持低電平（0）,只有滿足了這些條件時(shí),電路才會(huì)處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。

圖4

3.3 譯碼器、驅(qū)動(dòng)、顯示

實(shí)驗(yàn)中選用的CD4511是一個(gè)BCD碼七段譯碼器，并兼有驅(qū)動(dòng)功能，內(nèi)部沒有限流電阻，與數(shù)碼管相連接時(shí)，需要在每段輸出接上限流電阻。LT為燈測試端，加高電平時(shí)，顯示器正常顯示，加低電平時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時(shí)使所有筆段均消隱，正常顯示時(shí)， BI端應(yīng)加高電平。CD4511引腳排列如圖5所示。

圖5

顯示器：顯示器采用共陰LED七段發(fā)光二極管顯示器，它可直接顯示出譯碼器輸出的十進(jìn)制數(shù)。電阻R4～R11為數(shù)碼管限流電阻。

3.4 阻電阻D/A轉(zhuǎn)換

四位二進(jìn)制數(shù)一路送給CD4511，經(jīng)過譯碼、驅(qū)動(dòng)，使數(shù)碼管顯示一位十進(jìn)制數(shù)。計(jì)數(shù)器的另一路送給由Q1、Q2、Q3、Q4及U4A運(yùn)算放大器及其相關(guān)電阻等組成的權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換電路，Q1、Q2、Q3、Q4是二進(jìn)制數(shù)各數(shù)碼位的開關(guān)。當(dāng)對(duì)應(yīng)位的值是“1”是開關(guān)閉合；當(dāng)對(duì)應(yīng)位的值是“0”時(shí)，開關(guān)斷開。調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)集電極的電阻阻值就能使通過的電流與該數(shù)碼位的權(quán)值成比例（權(quán)值為1、2、4、8）。

3.5 求和運(yùn)放與反相輸出電路

求和運(yùn)算放大器的作用是將流向A點(diǎn)的各權(quán)電阻求和后再轉(zhuǎn)換成模擬電壓。電路由LM358組成求和運(yùn)放和反相輸出電路。四位產(chǎn)生的電流由運(yùn)算放大器U4A的反相輸入端進(jìn)行求和運(yùn)算，經(jīng)過U4B反相器后，輸出一個(gè)與計(jì)數(shù)結(jié)果大小成正比的模擬電壓，從而實(shí)現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換。

4 調(diào)試要求

4.1 性能指標(biāo)：電源電壓+12V、-12V數(shù)碼管能顯示0～9計(jì)數(shù)結(jié)果輸出電壓0～9V，計(jì)數(shù)每加1電壓指示值遞加1。

4.2 調(diào)試方法：

接通電源，按微動(dòng)按鈕S1，計(jì)數(shù)器能加“1”，調(diào)節(jié)RP1使電壓表讀數(shù)為1V；依次按S1，使數(shù)碼管顯示“2”，調(diào)節(jié)RP2使電壓表讀數(shù)為2V，當(dāng)數(shù)碼管顯示4時(shí)，調(diào)節(jié)RP3，使電壓表讀數(shù)為4，當(dāng)數(shù)碼管顯示“8”時(shí)，調(diào)整RP4使輸出電壓讀數(shù)為8V。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)整完成后，按S1鍵，計(jì)數(shù)加1，輸出電壓相應(yīng)加1V。

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)量到模擬量的原理易于理解，且電路簡單、使用電阻少，但也存在兩個(gè)缺點(diǎn)，一是各相鄰電阻之間嚴(yán)格保持依相差一半的要求，因此電路設(shè)計(jì)中，增加了四個(gè)精密可調(diào)電阻，方便調(diào)節(jié)。二是最大阻值與最阻值相差很大，當(dāng)二進(jìn)數(shù)位增多時(shí),這種差別更為嚴(yán)理。因此要制造出能滿足上述要求的高精度電阻是很困難的，在集成工藝中尤為突出。

[1]楊志忠.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2003

[2]陳其純.電子線路.[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.6

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.042