印健健

（江苏商贸职业学院，江苏南通，226000）

0 引言

A/D（模/数）转换器的功能就是将模拟量量化，用N位二进制数或BCD码表达出来。实际上，用数字表示模拟量的大小就是对模拟量进行了量化。例如电池电压为1.5V，温度为28℃等。由于模拟量是连续变化的，具有无穷多个状态，而数字量是有限的，不可能将模拟量的所有状态都表达出来，因此A/D转换器输出的数字量并不代表模拟量的一个点，而是一个区间。例如人们测量气温只保留整数部分，而小数部分四舍五入。当气温为28℃时并不是说气温就是28℃，而是在27.5～28.4℃范围内。这个范围的大小称为量化误差，使用整数表示温度，小数四舍五入时这个范围的大小为±0.5℃。如果测量人体体温时需要保留一位小数，如正常体温为37.0℃，量化误差就为±0.05℃。例如某A/D转换器将0～5V电压转换为3位二进制数，其转换关系如图1所示。

图1 5V量程三位A/D转换器的转换关系

1 A/D转换器的主要技术指标

1.1 量程

模拟量输入范围，分为单极性输入（如0～+5V）和双极性输入（如-5V～+5V），大部分A/D转换器输入电压范围可由用户提供的参考电压Uref设定。

1.2 位数

转换结果的位数，有二进制位数（如4位、8位、12位、16位）和十进制位数（如3 1/2位、4 1/2位）二种，十进制位数3 1/2表示有4位十进制数输出，分数1/2中的分母“2”表示最高位只有二个状态，分子“1”表示最高位的最大数值为“1”。3 1/2位最大输出数为“1999”，同理4 1/2位最大输出数为“19999”。

1.3 量化区间

将“量程”划分为若干个小区间，每个小区间对应一个输出数据，就实现了A/D转换，这个小区间称为“量化区间”，记为LSB。量化区间（LSB）=2×量程/（2N+1-1），式中N为A/D转换器的位数。

1.4 分辨率

是指A/D转换器所能分辨的模拟输入信号的最小变化量。即量化区间的大小LSB。例如8位单极性0～+5V输入的A/D转换器，能分辨的最小输入信号是1LSB=2×5/(28+1-1）=0.0196V=19.6mV。又如12位双极性-5～+5V输入的A/D转换器，能分辨的最小输入信号是1LSB=2×10/(212+1-1）=0.00244V=2.44 mV。

1.5 量化误差

量化误差=±1LSB/2。如上述8位单极性0～+5V输入的A/D转换器的LSB=19.6mV，则量化误差=±9.8mV。

除以上技术指标外，还有一些技术指标如绝对精度、转换时间、输出接口、工作温度等技术指标，读者可以查阅有关资料，这里不再赘述。

2 输入电压与输出数据的对应关系

如0～+5V量程的3位A/D转换器量化区间为1LSB=2×5/(23+1-1）=0.667V（见图1、表1）。输入电压的中间值=LSB×输出数值（10进制）。如输出的10进制数值为2，则输入电压中间值=0.667×2=1.333V。这个电压中间值1.333V并不代表一个固定的值，而是一个输入的电压范围1～1.667V，其对应区间为2LSB±1/2LSB。输入电压与输出数据的对应关系见表1。

表1 输入电压与输出数据的对应关系

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转换器件

3.1 ADC0804引脚功能（见图2）

图2 ADC0804仿真设计

:芯片选择信号。当=0时芯片才能工作。: 外部读取转换结果的控制输出信号。=1时输出为高阻态不输出转换结果，当=0时才输出转换结果。WR: 用来启动转换的控制输入，=0时清除上一次转换的结果，=1时开始对当前的输入电压进行转换，故可看作是转换启动控制。CLK IN、CLKR：外部时钟输入或接振荡元件（R、C），频率在100～1460kHz左右，一般RC电路振荡频率为1/（1.1RC）。振荡频率f=1/1.1R8C1=1/1.1×10×103×150×10-12≈600kHz。:中断请求信号输出，转换完成后输出低电位。VIN(+)、VIN(-)：差动模拟电压输入。输入单端正电压时，VIN(-)接地；而差动输入时，直接加入VIN(+)、VIN(-)。AGND、DGND：模拟信号以及数字信号的接地。Uref/2：接辅助参考电压。注意参考电压为此端连接的电压的2倍。D0～D7：8位转换结果的数字输出。VCC：电源电压。

3.2 ADC0804仿真方法

图2中ADC0804是5V输入量程8位输出的A/D转换器，如前所述，5V输入量程8位输出的A/D转换器的量化区间1LSB=2×5/(28+1-1）=0.0196V=19.6mV，量化误差=±1LSB/2=±0.0196V/2=±0.01V，假如在输出的二进制数00000000～11111111之间取任一数，如取00000100，其对应的十进制数是“4”，则其对应的输入电压的中间值=0.0196V×4=0.08V。这个电压中间值0.08V并不代表一个固定的值，而是=0.08V±0.01V，也即0.07～0.09V之间，如果在0.07～0.09V之间选择任一电压作为输入电压，图2的仿真输出都将输出“00000100”，“D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0”八个发光二极管的发光顺序依次为“亮、亮、亮、亮、亮、灭、亮、亮”，如取0.078V作为输入电压，则只要将图2 ADC0804 6脚对地间的电压表二端的电压设置成0.078V即可，仿真结果和计算理论值完全相同（见图2）。

4 使用TC7107制作一个多量程的数显电压表

4.1 TC7107引脚功能（见图3）

TC7107是常见数字面板中使用的A/D转换器，其输出为3 1/2位7段LED显示驱动，3 1/2位显示最大显示数值为1999。1脚（V+）、26脚（V—）、21脚（地）：电源，典型值V+=+5V；V—=-5V。5脚（A1）、4脚（B1）、3脚（C1）、2脚（D1）、8脚（E1）、6脚（F1）、7脚（G1）:右起第一位数码管驱动，可显示0～9。12脚（A2）、11脚（B2）、10脚（C2）、9脚（D2）、14脚（E2）、13脚（F2）、25脚（G2）:右起第二位数码管驱动，可显示0～9。23脚（A3）、16脚（B3）、24脚（C3）、15脚（D3）、18脚（E3）、17脚（F3）、22脚（G3）:右起第三位数码管驱动，可显示0～9。19脚（AB4）:右起第四位数码管驱动，同时驱动a、b二段，显示1。20脚（POL）：右起第五位数码管驱动，当输入为负值时显示极性“—”，驱动g段。40脚（OSC1）、39脚（OSC2）、38脚（OSC3）：片内振荡器，典型振荡频率fOSC(Typ)=48kHz。29脚（CAZ）：自动校零电容，0.01μF＜自动校零电容＜1μF，自动校零电容的大小对系统噪声有影响，当满量程较小时（如200mV）应当选用较小的容量。28脚（VBUFF）：积分电阻，RINT=满量程电压/积分电流（4μA）。27脚（VINT）：积分电容。34脚（CREF+）、33脚（CREFf¯）：参考电容，0.1μF＜参考电容＜1μF，在绝大多数场合下使用0.1μF电容效果最好。31脚（VIN+）、30脚（VIN-）：模拟量输入端，显示数值=1000×输入电压/参考电压。36脚（VREF+）、35脚（VREF-）:当输入电压为0时显示为“000”，当输入电压等于参考电压时显示数值为“1000”，输入电压最大值为参考电压的二倍，此时显示数值为“1999”。32脚（ACOM）：模拟量接地端。37脚（TEST）：测试端。

4.2 TC7107电压表仿真方法

SW1为小数点切换开关，SW2为量程切换开关，仿真时它们必须保持同步对应切换，例如测试17V电压，将BAT4设置成17V作为输入电压，SW2为量程切换开关切换至20V档，同时SW1小数点切换开关也切换至20V档，按下仿真按钮，此时数码管显示“17.00”（见图3），如果输入“-17V”，按下仿真按钮，此时数码管显示“-17.00”当输入电压≧20V时，数码管显示“19.99”并不断地闪烁，当输入电压≦-20V时，数码管显示“-19.99”并不断地闪烁，这是超量程警告提醒，提示你必须切换至更高的量程才能正常显示电压值。表2是电压表仿真实测数据，由表2可知，即使是同一量程输入同一的电压，选择的上分压电阻和下分压电阻的阻值不同，分压比虽然相同，但输出显示的电压值会有微小的不同。例如选择量程为“2000V”档，输入电压为1700V,上分压电阻和下分压电阻的阻值比为R2=99900Ω:R5=100Ω时，输出显示为“1705”；当上分压电阻和下分压电阻的阻值比为R2=999000Ω:R5=1000Ω时，输出显示为“1750”。分压比虽然都是999：1，但输出显示的数值有微小的不同。综合表2的实测数据可以看 出，选 择R6=90Ω：R5=10Ω；R4=990Ω：R5=10Ω；R2=9990Ω：R5=10Ω组合或者选择R6=900Ω：R5=100Ω；R4=9900Ω：R5=100Ω；R2=99900Ω：R5=100Ω组合时，输出电压值误差都比较小，这二种组合都是比较理想的电阻分压比组合，但考虑到流过电阻的电流尽量要小的话，最好还是选择后者的分压比组合（见图3）。

表2 多量程电压表仿真实测数据

图3 TC7107数显电压表仿真设计

5 结束语

在设置负电压输入时，BAT4在软件上是不能设置成负电压的，只能将BAT4输入的正电压正负极颠倒即可，另外在实物电路中，当输入电压超量程时，若为正超量程则在右起第四个数码管显示“1”，其余数码管灭；若为负超量程则在右起第四个数码管显示“1”，右起第五个数码管显示“-”其余数码管灭，这和万用表使用时的实际情况的显示是一致的，软件上的显示会随量程的不同有所不同，如“2000V”档正超量程显示“1999”并不断闪烁，负超量程显示的是“-1999”并不断闪烁，如“200V”档正超量程显示“199.9”并不断闪烁，负超量程显示的是“-199.9”并不断闪烁，以此类推。