基于ADC0804、TC7107模/數轉換器的仿真設計

印健健

（江蘇商貿職業學院，江蘇南通，226000）

0 引言

A/D（模/數）轉換器的功能就是將模擬量量化，用N位二進制數或BCD碼表達出來。實際上，用數字表示模擬量的大小就是對模擬量進行了量化。例如電池電壓為1.5V，溫度為28℃等。由于模擬量是連續變化的，具有無窮多個狀態，而數字量是有限的，不可能將模擬量的所有狀態都表達出來，因此A/D轉換器輸出的數字量并不代表模擬量的一個點，而是一個區間。例如人們測量氣溫只保留整數部分，而小數部分四舍五入。當氣溫為28℃時并不是說氣溫就是28℃，而是在27.5～28.4℃范圍內。這個范圍的大小稱為量化誤差，使用整數表示溫度，小數四舍五入時這個范圍的大小為±0.5℃。如果測量人體體溫時需要保留一位小數，如正常體溫為37.0℃，量化誤差就為±0.05℃。例如某A/D轉換器將0～5V電壓轉換為3位二進制數，其轉換關系如圖1所示。

圖1 5V量程三位A/D轉換器的轉換關系

1 A/D轉換器的主要技術指標

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轉換器輸入電壓范圍可由用戶提供的參考電壓Uref設定。

1.2 位數

轉換結果的位數，有二進制位數（如4位、8位、12位、16位）和十進制位數（如3 1/2位、4 1/2位）二種，十進制位數3 1/2表示有4位十進制數輸出，分數1/2中的分母“2”表示最高位只有二個狀態，分子“1”表示最高位的最大數值為“1”。3 1/2位最大輸出數為“1999”，同理4 1/2位最大輸出數為“19999”。

1.3 量化區間

將“量程”劃分為若干個小區間，每個小區間對應一個輸出數據，就實現了A/D轉換，這個小區間稱為“量化區間”，記為LSB。量化區間（LSB）=2×量程/（2N+1-1），式中N為A/D轉換器的位數。

1.4 分辨率

是指A/D轉換器所能分辨的模擬輸入信號的最小變化量。即量化區間的大小LSB。例如8位單極性0～+5V輸入的A/D轉換器，能分辨的最小輸入信號是1LSB=2×5/(28+1-1）=0.0196V=19.6mV。又如12位雙極性-5～+5V輸入的A/D轉換器，能分辨的最小輸入信號是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轉換器的LSB=19.6mV，則量化誤差=±9.8mV。

除以上技術指標外，還有一些技術指標如絕對精度、轉換時間、輸出接口、工作溫度等技術指標，讀者可以查閱有關資料，這里不再贅述。

2 輸入電壓與輸出數據的對應關系

如0～+5V量程的3位A/D轉換器量化區間為1LSB=2×5/(23+1-1）=0.667V（見圖1、表1）。輸入電壓的中間值=LSB×輸出數值（10進制）。如輸出的10進制數值為2，則輸入電壓中間值=0.667×2=1.333V。這個電壓中間值1.333V并不代表一個固定的值，而是一個輸入的電壓范圍1～1.667V，其對應區間為2LSB±1/2LSB。輸入電壓與輸出數據的對應關系見表1。

表1 輸入電壓與輸出數據的對應關系

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轉換器件

3.1 ADC0804引腳功能（見圖2）

圖2 ADC0804仿真設計

:芯片選擇信號。當=0時芯片才能工作。: 外部讀取轉換結果的控制輸出信號。=1時輸出為高阻態不輸出轉換結果，當=0時才輸出轉換結果。WR: 用來啟動轉換的控制輸入，=0時清除上一次轉換的結果，=1時開始對當前的輸入電壓進行轉換，故可看作是轉換啟動控制。CLK IN、CLKR：外部時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。:中斷請求信號輸出，轉換完成后輸出低電位。VIN(+)、VIN(-)：差動模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時，VIN(-)接地；而差動輸入時，直接加入VIN(+)、VIN(-)。AGND、DGND：模擬信號以及數字信號的接地。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位轉換結果的數字輸出。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轉換器，如前所述，5V輸入量程8位輸出的A/D轉換器的量化區間1LSB=2×5/(28+1-1）=0.0196V=19.6mV，量化誤差=±1LSB/2=±0.0196V/2=±0.01V，假如在輸出的二進制數00000000～11111111之間取任一數，如取00000100，其對應的十進制數是“4”，則其對應的輸入電壓的中間值=0.0196V×4=0.08V。這個電壓中間值0.08V并不代表一個固定的值，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”八個發光二極管的發光順序依次為“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腳對地間的電壓表二端的電壓設置成0.078V即可，仿真結果和計算理論值完全相同（見圖2）。

4 使用TC7107制作一個多量程的數顯電壓表

4.1 TC7107引腳功能（見圖3）

TC7107是常見數字面板中使用的A/D轉換器，其輸出為3 1/2位7段LED顯示驅動，3 1/2位顯示最大顯示數值為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）:右起第一位數碼管驅動，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）:右起第二位數碼管驅動，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）:右起第三位數碼管驅動，可顯示0～9。19腳（AB4）:右起第四位數碼管驅動，同時驅動a、b二段，顯示1。20腳（POL）：右起第五位數碼管驅動，當輸入為負值時顯示極性“—”，驅動g段。40腳（OSC1）、39腳（OSC2）、38腳（OSC3）：片內振蕩器，典型振蕩頻率fOSC(Typ)=48kHz。29腳（CAZ）：自動校零電容，0.01μF＜自動校零電容＜1μF，自動校零電容的大小對系統噪聲有影響，當滿量程較小時（如200mV）應當選用較小的容量。28腳（VBUFF）：積分電阻，RINT=滿量程電壓/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，在絕大多數場合下使用0.1μF電容效果最好。31腳（VIN+）、30腳（VIN-）：模擬量輸入端，顯示數值=1000×輸入電壓/參考電壓。36腳（VREF+）、35腳（VREF-）:當輸入電壓為0時顯示為“000”，當輸入電壓等于參考電壓時顯示數值為“1000”，輸入電壓最大值為參考電壓的二倍，此時顯示數值為“1999”。32腳（ACOM）：模擬量接地端。37腳（TEST）：測試端。

4.2 TC7107電壓表仿真方法

SW1為小數點切換開關，SW2為量程切換開關，仿真時它們必須保持同步對應切換，例如測試17V電壓，將BAT4設置成17V作為輸入電壓，SW2為量程切換開關切換至20V檔，同時SW1小數點切換開關也切換至20V檔，按下仿真按鈕，此時數碼管顯示“17.00”（見圖3），如果輸入“-17V”，按下仿真按鈕，此時數碼管顯示“-17.00”當輸入電壓≧20V時，數碼管顯示“19.99”并不斷地閃爍，當輸入電壓≦-20V時，數碼管顯示“-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是電壓表仿真實測數據，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，輸出顯示為“1705”；當上分壓電阻和下分壓電阻的阻值比為R2=999000Ω:R5=1000Ω時，輸出顯示為“1750”。分壓比雖然都是999：1，但輸出顯示的數值有微小的不同。綜合表2的實測數據可以看 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，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，但考慮到流過電阻的電流盡量要小的話，最好還是選擇后者的分壓比組合（見圖3）。

表2 多量程電壓表仿真實測數據

圖3 TC7107數顯電壓表仿真設計

5 結束語

在設置負電壓輸入時，BAT4在軟件上是不能設置成負電壓的，只能將BAT4輸入的正電壓正負極顛倒即可，另外在實物電路中，當輸入電壓超量程時，若為正超量程則在右起第四個數碼管顯示“1”，其余數碼管滅；若為負超量程則在右起第四個數碼管顯示“1”，右起第五個數碼管顯示“-”其余數碼管滅，這和萬用表使用時的實際情況的顯示是一致的，軟件上的顯示會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，負超量程顯示的是“-199.9”并不斷閃爍，以此類推。