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。
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