单元二十四直流数位电压表.docx
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单元二十四直流数位电压表
單元二十五直流數位電壓表
壹實習內容
一.相關原理
1.A/DConverter概述
A/DConverter顧名思義,乃為將類比(Analog)訊號轉為數位(Digital)訊號之裝置,依其轉換原理可分為:
較常見者約略可有下述四種:
(1)並列式或瞬間式(Flash,Simuitaneous)
利用許多段串聯之電阻組成分壓器,對直流電源分壓。
將輸入訊號與分壓器上電壓比較,當分壓器上電壓小於輸入訊號時,則開關閉合繼續投入電阻以增加分壓器上電壓,直到電壓與輸入訊號約略相等時(誤差小於某一範圍),則此時閉合之開關數(電阻數)可計算出,並轉為數位訊號輸出。
亦可以多段串聯之充電電容器,取代電阻分壓器之功能,將輸入訊號等於多少段之電容器充電電壓,可以計算出訊號大小,將電容器數目以數位訊號輸出。
(2)雙斜波式(DualSlope)
輸入訊號對電容器充電,則電容器上將儲存有輸入訊號準位之電壓。
將電容器放電,同時啟動計數脈波(Clocks)計數,當電容器電壓準位回復原先設定值時,則耗用之clocks數目即代表該輸入訊號準位,將此clocks數目以數位方式輸出。
(3)追蹤式(Tracking)
將數位式輸出訊號回授,經D/A轉換器轉成Analog訊號後與輸入訊號作比較,所得之類比差額值驅動上數/下數計數器計數,修正數位輸出。
(4)漸近式
以嘗試與更正之方法,將電壓範圍折半縮小以求得類比輸入電壓的二進位等值資料,是最通用的ADC,可用硬體電路與軟體程式兩種方式作成。
雖然在速度比較方面:
Flash>SuccessiveApproximstion>Tracking>DualSlope
但DualSlope原理之A/DConverter具有下列之優點:
(a)對電源雜訊之排斥效果最好
(b)精確度高
(c)靈敏度高
故適於做直流或波形變化速度慢(低頻),但要求精密之類比訊號轉換。
雙斜波式ADC易受內部積分器偏移電壓(OffsetVoltage)、偏移電流(OffsetCurrent)影響而造成誤差,四斜波式即為雙斜波式之改良型,可消除偏移電壓誤差,但其轉換時間更慢,幾為雙斜波式之兩倍。
所以現今之雙斜波ADC均以電路設計有自動歸零補償。
本實習所用之A/DConverter,即為DualSlope式。
2.DualSlopeA/DConverter基本原理
圖25-1為雙斜波式A/D轉換器原理概圖,如果類比輸入電壓(VA)為正訊號,則經米勒積分器(Miller’sIntegrator)後輸出為下降波形:
(25-1)
為排拒雜訊(Noise),故其積分時間為電源頻率(60Hz)之正弦波週期(1/60=16.67msec),充電週期完時成時,最大電壓即為輸入電壓值:
(25-2)
此時開關(Switch,S/W)切換到參考電壓(VREF),並啟動計數器(Counter)開始計數,而同時,電容器開始放電,Vi斜波電壓在tA時間內上升到0,則
(25-3)
由(25-2),(25-3)兩式,可得:
(25-4)
因為VREF為固定設定值,乃常數,故上式為:
tA=KVA(25-5)
計數時間與輸入VA成正比,則tA時間內,計數器之Clocks數值(脈波數),經解碼後,可送至LED或LCD顯示,顯示值即輸入之VA值。
圖25-1DualSlopeA/DConverter原理圖
3.ICL7136原理
ICL7136作為直流電壓表時之外觀接腳如圖25-2所示,為40pin之PlasticDIP包裝,其內部可概分為Analog與Digital兩個部分。
(1)類比部份
Analog部分之功能方塊圖如圖25-3所示。
每一次之量測,可以劃分成四個步驟:
a.自動歸零(Auto-Zero,A-Z)。
b.訊號積分(SignalIntegrate,INT)。
c.去積分(De-Integrate,DE)或參考準位積分(ReferenceIntegrate)。
d.零積分器(Zero-Integrator,ZI)。
於圖25-3中,當進行到那一步驟時,標示為該步驟之開關(符號⊕)即關閉(Close),形成通路,其餘時候,則為開路(Open)。
a.自動歸零(A-Z)
共進行三件工作:
(a)inputhigh與low(pin31,INHI&pin30,INLO)與接腳(pin5)脫離,於內部連接於類比共同端(pin32,COMMON)。
(b)參考準位用電容器(CREF,pin34與33)被充電到參考準位。
(c)形成一回授路徑,對自動歸零電容器(CAZ)充電,以補償放大器、積分器、比較器之偏移電壓(offsetvoltage)。
b.訊號積分(INT)
此時A-Z回路開路,內部短路被移去,則INHI與INLO(pin31,30)間之差動訊號被積分了固定的時間長,儲存電壓於CINT上。
c.去積分(DE)
此時INLO(pin30)於內部連接到共同端(COMMON),而輸入之訊號連接至CREF電壓,輸入之訊號降至0所須時間與其大小成正比。
d.零積分器(ZI)
此時內部動作可分為三項描述:
(a)INLO仍被接到COMMON端。
(b)參考電容被充電到參考準位(pin36,pin35輸入)。
(c)形成回路,使(米勒)積分器之輸出回歸零準位。
圖25-2ICL7136作為DC電壓表
圖25-3ICL7136類比部份功能方塊圖
(2)數位部份
數位部份之功能方塊圖,如圖25-4所示。
其中系統計時脈波(Clock)來自pin38~pin40,共有三種選擇:
a.pin40接到外部振盪器。
b.pin39與pin40間接入石英振盪器。
c.pin38~pin40接RC振盪器,此為本實習所採用之方式,其優點為工作頻率可經由R或C之元件值改變而加以調整。
圖25-4ICL7136數位部份之功能方塊圖
此系統計時脈波經除800後,接到顯示裝置之背板,若顯示為3次/秒,則背板之頻率為60Hz之5V方波。
振盪器之輸入脈波(clock),經除4後,驅動10進位計數器,則計數器之計時脈波,分配於Analog每個步驟之時間約為:
A-Z:
910~2900
SI(INT):
1000
DE:
0~2000
ZI:
11~140
四個步驟完成共耗4,000counts(16kHz計時脈波,clocks),故如要每秒顯示3次,則須3×16kHz=48kHz之振盪器。
(3)零件值決定
ICL7136做直流電壓表應用時,其外接零件值之決定,有一定之理論公式可循:
a.RC振盪器RT,CT值之決定由振盪頻率公式:
fC=0.45/RTCT來決定,通常CT取50PF,若需48kHz之計時脈波(3次/秒顯示頻率),則RT可取180k,若僅要16kHzclocks,則RT可取560k。
b.±2V滿刻度(fullscale)之積分電容器CINT,如為3次/秒顯示(48kHz),一般CINT為0.047uF,如改為1次/秒顯示(RC振盪器為16kHz)。
則CINT為0.15uF,即CINT應與clock數成反比。
RINT之作用乃在限制充電電流,故Full-Scale電壓愈高,電阻RINT成等倍率增加。
c.AnalogInput之低通濾波器(1MΩ&0.01uF組成)為雜訊濾波器,其功用即在排除高頻雜訊,避免影響測量值。
d.CAZ值與雜訊關係密切。
FullScale±200mV時,Noise影響大,故取0.47uF;而FullScale為±2V時,則取0.1uF即可。
e.R1,R2之作用,乃在決定參考電壓準位(VREF),通常參考電壓準位調整於滿刻度電壓之一半,以使其誤差為最小。
故經計算整理後,可得本單元實習中以ICL7136ADC為基礎,滿刻度分別為2V與200mV之數位式直流電壓表,其所需連接之週邊元件參數值,如表25-1所示。
表25-1數位直流電壓表元件表
參數\型式
FullScale200mV
FullScale2V
Noise
Filter
0.01uF
1M
0.01uF
1M
CINT
RINT
CINT=0.047uF
180k
CINT=0.047uF
1.8M(2.0M)
CAZ
0.47uF
0.1uF
R1
R2
R1=220k
R2=10kVR
R1=240k
R2=250kVR
CREF
0.1uF
0.1uF
RT
CT
RT=180k
CT=50PF
RT=180k
CT=50PF
VREF設定
100.0mV
1.0V
NOTE:
CINT若用陶瓷電容器,可能會使得顯示裝置之刻度上下變動無法固定,可將CINT改成塑膠電容器,則可改善。
4.ICL7136顯示裝置:
液晶顯示器LTD222
由ICL7136工作原理可知:
其推動之顯示裝置為帶正負號之三位半七段顯示器,一般市售儀表常用之顯示器皆為液晶顯示器(LCD),本單元選用之LCD顯示器為常見之LTD222,其接腳圖如圖25-5與表25-3所示。
圖25-5LTD222外觀與顯示區段圖
表25-3LTD222接腳說明
PINNO.
SEGMENT
PINNO.
SEGMENT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
common
y:
負號
k:
"1"ab
p1
e1
d1
c1
p2
e2
d2
c2
p3
e3
d3
c3
b3
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
a3
f3
g3
b2
a2
f2
g2
p4
b1
a1
f1
g1
LOBAT
X
common
NOTE:
1pin2與pin39同時動作可得符號“”。
2小數點與冒號(圖25-5與表25-3中之p1、p2、p3與p4),若欲顯示,需將其接地;若欲消除,則需接至共同端(Common)pin1與pin40。
二.實習步驟
(1)將ICL7136如圖25-2接線,顯示(Display)部份則接至LCDLTD222,LTD222顯示器之特性與接腳圖,如圖25-5、表25-2與表25-3所示。
其中ICL7136第21腳(pin21)BACKPLANE應接至LTD222之pin1與pin40Common端。
(2)依表25-1之元件值,作2V滿刻度之DC電壓表,調整R2使得參考電壓
=1.0V。
(3)由PowerSupply提供兩組電源,分別給ICL7136之所需電源(DC9V)與待測輸入Analog電壓(VA),LTD222顯示值與由電壓表、示波器直接測量VA所得結果比較,LCD顯示值與三用電壓表、示波器顯示值比較結果,誤差為多少?
記錄於表25-4。
(4)重新調整R2,使(a)VREF=100mV,(b)VREF=1.5V,觀看其顯示值與步驟(3)所得結果之誤差。
(5)製作FullScale為200mV之DC電壓表,此時標稱參考電壓VREF=100mV,重覆步驟
(2)~(4),並將結果記錄於表25-5。
(6)若欲成品驗收,則以多用途數位電表測量VA輸入端,將FullScale2V之DC電壓表,其VREF調至1V;FullScale200mV之DC電壓表,其VREF調至100mV;變動電源供應器之VA輸入(由負電壓至略超過滿刻度電壓),看LCD顯示值是否與數位電表顯示值接近,且會隨VA之變動而變換顯示值。
誤差雖與所使用零件之精密度有關,但一般均可控制在5%以下,且顯示之LCD裝置通常僅有個位數字會跳動。
三.結果數據
表25-4滿刻度2V直流電壓表實驗結果
輸入電壓準位(註1)
-0.1V
0V
0.2V
0.8V
1.2V
1.5V
1.8V
2.0V
2.2V
三用電表
VREF=1V
示波器
直流電壓表
VREF=0.1V
直流電壓表
VREF=1.5V
直流電壓表
表25-5滿刻度200mV直流電壓表實驗結果
輸入電壓準位(註1)
-10mV
0V
20mV
80mV
120mV
150mV
180mV
200mV
220mV
三用電表
VREF=100mV
示波器
直流電壓表
VREF=10mV
直流電壓表
VREF=150mV
直流電壓表
NOTE1:
若使用之電源供應器為數位式,輸入電壓準位即依電源供應器顯示值調整。
若電源供應器為類比指針式,無法精確調整,則輸入電壓準位即以第一列之多用途數位電表所量測之值為準。
2:
示波器以DC檔、適當之垂直靈敏度觀測。
滿刻度2V時可用0.5V/DIV以下,滿刻度200mV時可用50mV/DIV以下。
貳問題討論
1.若欲改變LCD為每秒顯示2次,則ICL7136之外接元件,須作那些改變?
2.若欲使ICL7136測量滿刻度為4V之直流電壓表,則表25-1之數值應作那些改變?
3.就200mV之直流電壓表,設計電路使其可成為直流電壓/直流電流雙用電表。
4.本單元實習中,若將LTD222LCD顯示器改用一般七段顯示器,須注意那些事項?
且宜採用共陰型或共陽型七段顯示器?
為甚麼?
試以實際接線驗證你的判斷。