实验二 数字电表及传感器设计

实验二 数字电表及传感器设计
【实验目的】
1. 学习双斜式数字电表的基本工作原理
2．了解7107模数转换集成电路的出脚功能、外围元件的作用及参数选择原则
【仪器设备】
1. DMST —A 型数字电表及传感器设计实验仪
2．低频示波器
【实验原理】
一．双斜式模数转换电路的基本工作原理
双斜式模数转换电路的工作原理非常简单，就是在一定的时间T 1内对极板上电量为零的电容器C 充电，如果充电电流是恒定的并且与待测电压V x 成正比，则电容器C 两极板上积累的电量（或两极板间的电压）随时间也线性地增加，并且在T 1结束时刻所积累的电量Q O 是
与被测电压V x 成正比的。

在此以后若让电容器放电，并且放电的电流与参考电压V ref 成正比，则电容器两极板上的电量Q c 就会从Q O 线性地减小，设Q c 减至零时放电过程所经历的时间为T 2。

在以上过程中，由于电容器C 在充电结束时刻（即放电的开始时刻）所积累的电量Q O 是与V x 成正比的，所以电容器的以上放电过程所经历的时间T 2也与 V x 成正比。

如果用一个计数器在T 2开始时刻对时钟脉冲进行计数，在T 2结束时刻停止计数，则T 2时期内计数器的读数N 2就与V x 成正比。

目前常用的321
位数字万用表就是用CMOS 的7106/7型单片A/D 转换器构成的，这些
A/D 转换器的工作原理就是基于电容器的以上充、放电过程中计数器读数N 2与V x 成正比的基本关系。

图1是双斜式A/D 转换器的结构框图及工作原理图，为了保证电容器C 的充、放电过程都是恒流过程，采用由运算放大器A 1组成的积分电路。

整个转换过程分为三阶段：
第一阶段，通过控制电路使有关模拟开关（图1中未画出）闭合，放掉由于各种原因使
图1. 双斜式A/D 转换器的工作原理及结构框图
电容器C 两极板上积累的电量，并在这一阶段，通过控制开关使参考电压V ref 对0.1μF 的参考电容 C ref 充电到V ref 值，这一阶段称为自动调零阶段.
第二阶段，称取样阶段，在这阶段控制电路令模拟开关K 将被测电压Vx 与积分器相连，电容器C 开始以恒定电流Vx/R 充电，与此同时打开计数门，计数器开始计数，当计数器计到某一确定值N 1时溢出，控制电路令取样过程结束，因此取样时间T 1是固定的，取样阶段结束时刻积分器的输出电压V O
V O =Q O /C
其中Q O 为取样阶段结束时刻积分电容C 上积累的电量，因取样阶段的充电电流为V x /R ，故T 1期间积分电容C 上积累的电量
（1）式等号右边的负号表明V O 与Vx 具有相反的极性，这是因为如果Vx 为正，则图1中电容器C 右极板带负电荷，故V O 极性为负，反之，V O 为正。

第三阶段称为测量阶段，在此阶段，控制电路首先对被测电压Vx 作极性判断，然后再令模拟开关K 把与Vx 极性相反的参考电压V ref 与积分器相连（实际上是通过控制开关把已充
电到电压值为V ref 的参考电容C ref 按与V x 的反极性的方式经缓冲电路接至积分器）
，电容器C 开始以恒定电流V ref /R 放电，与此同时，计数器开始计数电容器C 上的电量从Q c (电压V C ) 开始线性地减小，当电容器C 上的电压降至为零时，由零值比较器给控制电路一个信号，令计数器停止计数，所以测量阶段所经历的时间T 2应满足以下关系：
0112=•+−∫dt R V C Vx RC T ref
T o
Vref RC
T Vx RC T 21= 即 Vx ref V T T ·1
2= （2）
其中T 1、
V ref 在测量过程中均为常数，故T 2与V x 成正比，如果时钟脉冲的周期为T cp ，T 1=N 1T cp ，T 2=N 2 T cp ，则（2）式可改写为：
这表明：在测量阶段的计数值N 2与被测电压V x 成正比。

双斜式单片模数转换器在控制电路作用下，就按以上三个步骤周期性地对被测电压进行测量。

在321
位模数转换器中，N 1设定为1000，N 2的计数范围为1～2000，每个测量周期
为4000个T CP 时间，在每个测量周期除第二阶段取样时间总保持1000个T CP 时间不变外，其
余两个阶段持续的时间是与被测电压V x 有关，
但它们的总和应等于3000个T CP ，而且测量阶段持续时间变化范围为0～2000T CP ，故自动调零阶段的持续时间变化范围为1000T CP —3000T CP 。

由于满量程时N 2=N 2max =2000，V x =V m =2V ref ，若取V ref =100mv ，则被测电压的最大
值为200mv，这就是一般数字万用表电压档的基本量程。

二、7107模数转换器出脚功能、外部元件的作用及参数选择原则
7107单片模数转换器为40脚双排结构，每个出脚的功能及与外部元件的联连如图2所示。

其中，R INT与C INT就相当于图1积分电路中的R与C，27脚是积分电路的输出端，在测量过程中用示波器观察此出脚的电压V INT波形可以明了前面所述的电容器C的充放电物理过程。

模数转换过程所需的时钟脉冲发生器由7107内部的两个反相器（非门）F1、F2
图2. 7107出脚功能及与外部元件的联接
以及与38，39和40脚相联的外部元件R1、C1组成，它属于两级反相的阻容振荡器，输出波形是占空比为50%的方波（电路见图2.C）。

振荡频率f0可根据R1、C1的值按下式估算：
在7107单片模数转换器中，对由以上阻容振荡器提供的时钟脉冲，还要经过4分频之后再作为受控制电路控制的计数脉冲，该计数脉冲的周期才是我前面所说的T cp。

由前面所论述的基本原理可知，R1，C1参数的差异并不影响最终测量结果，只是影响测量速率，但是，为了提高测量过程中抗50HZ工频率干扰的能力，应把它们的参数选择得使：T1=n 20ms ，其中n=1,2,3……。

取n=5，则要求双斜式A/D转换器的取样时间T1=1000.T CP =1000×4/f0 =0.1S，也即要求f0 =40KHz，取C1=100P F时，电阻R1的取值满足以下关系：R1=0.45/40×103×100×10-12=112.5KΩ。

为了使7107芯片内部的由运放电路组成的电容器C的充放电电路工作在线性区域，电容器C的充电电流不宜过大，通常限制为4μA，在满量程为200mV的情况下，积分电阻R int的取值应为： R int=200mV/4μA =50 KΩ,实际取电阻元件系列值47KΩ，若参考电压V ref=1V，则满量程为2V，此时R int应取470 KΩ。

C int的取值以组成电容器C恒流充电电路（积分器）运放A1的输出电压变化在线性范围内，要求不要超过2V为原则。

在T1=4000/f0=0.1S和充电电流为4μA的情况下，为了使恒流充电电路的输出不超过2V，则C int 应满足以下关系：C int=Q omax/V omax=T1×4μA /2V=0.1×4×10-6库/2伏=0.2μF, 实际取电容元件的系列值0.22μF .
在7107内部，计数器是由四位二一十进制计数单元串接而成，每位计数单元的输出线有四条，它们的二进制代码只能在0000B=1001B 范围内变化，这对应着十进制数0—9范围变化，每位计数单元的输出线再经译码器译码后与七段LED 数码显示管联接，最后以十进制数显示测量结果。

因此每位七段译码器有七条输出线，在21
3位模数转换芯片中，共有24条线与外部的LED 数码显示管相联，对7107芯片，这24条线的出脚编号及与LED 的联接关系如用图2a 和图2b 示。

【实验内容】
1. 7107时钟频率的调节与测定
用示波器观测7107的振荡器输出（仪器面板上的“CLC ”插孔）波形，调节“CLC ”插孔上方的电位器使时钟信号的周期T 0=25μs 。

2. 正向积分时间T 1的测定
按仪器面板右下角电压测量电路接线，利用仪器面板上0-2V 直流电压表把V ref 和V x 分别调至100mV 和199.9mV ，用示波器观察7107积分电路输出端（仪器面板上的“V int ”插孔）的波形，调节示波器同步，当波形相对稳定时，读出和记下正向积分时间T 1和积分电路在正向积分期间的最大输出电压V int max 值。

3. 反向积分时间T 2的测定
在V ref =100mV 的情况下，按表1所列出的不同V x 值，用示波器观察各种被测电压V x 时T 1、V int max 和反向积分时间T 2值，并记下表头读数
表1： V x （mV ） T 1（μs ） V intmax （mV ）T 2（μs ） 表头读数
50 100 150 200 测试条件： f 0=
4. 改变时钟信号的频率，重复3项实验内容
根据以上测量结果，小结双斜式模数转换器的工作原理和特点。