數字顯示與權電阻D/A轉換電路設計

錢雨燁

江蘇廣播電視大學張家港學院，江蘇 張家港 215600

數字顯示與權電阻D/A轉換電路設計

錢雨燁

江蘇廣播電視大學張家港學院，江蘇 張家港 215600

D/A轉換器將輸入的數字量轉換為模擬量輸出，在工業自動控制系統中有很大的實用意義。在數字電路權電阻D/A轉換教學過程中，電路通過單穩態觸發器產生脈沖信號進行計數并將脈沖的個數通過權電阻轉換成模擬量輸出。電路設計簡單，方便學生對D/A轉換電路的理解和掌握。

權電阻網絡; D/A轉換; 模擬開關; 數字信號;模擬電壓

1 權電阻模數轉換電路

1.1 D/A轉換器概述

D/A轉換器,又稱數模轉換器，英文稱Digital to Analog Converter，簡稱DAC。D/A轉換器是能將數字信號轉換成模擬信號的電路。D/A轉換器由4個部分組成，即權電阻網絡、運算放大器、基準電源和模擬開關。D/A轉換器將輸入的數字量轉換為模擬量輸出，數字量是由若干數位構成的，就是把每一位上的代碼按照權值轉換為對應的模擬量，再把各位所對應的模擬量相加，所得到各位模擬量的和便是數字量所對應的模擬量。在集成化的D/A轉換器中，通常采用電阻網絡實現將數字量轉換為模擬電流，然后再用運算放大器完成模擬電流到模擬電壓的轉換。根據電阻網絡的結構可以分為權電阻網絡DAC、T型電阻網絡DAC、倒T型電阻網絡DAC、權電流DAC等形式。

1.2 工作原理

圖1是4位權電阻網絡D/A轉換器，它主要有權電阻D/A轉換電路和求和運算放大器、基準電壓和模擬開關等部分組成。其中權電阻網絡轉換電路是核心，求和運算放大器構成一個電流電壓變換器，將流過各權電阻的電流相加，并轉換成與輸入數字量成正比的模擬電壓輸出。

圖1 權電阻網絡D/A轉換器

電阻網絡之所以稱為權電阻網絡，是因為電阻值是按4位二進制數的位權大小取定的，最高位對應電阻最小為R，依次對應為2R、4R、8R，各電阻的上端都接在一起，并連接到求和放大器的虛地端A點，各電阻下端分別通過一個S開關控制導通與斷開，開關受輸入數字信號控制，如i位數字信號Di=1時，開關Si與VREF連接，此時有電流流向A點，當開關S全部為“1”時，流入節點A的總電流可以表示為：

iΣ=I0+I1+I2+I3

由上式可知iΣ正比于輸入的二進制數,故實現了數字量到模擬量的轉換。

2 實驗電路設計

2.1 電路工作原理：單穩態觸發器脈沖計數，一路送數碼顯示電路，另一路通過權電阻網絡轉換電路以模擬電壓輸出，實現了數模的轉換。本電路計數范圍為1～9，輸出模擬電壓為1V～9V。電路原理框圖如下。

圖2 方框原理圖

2.2 電路組成

根據原理方框圖設計如圖3所示電原理圖。電路主要由單穩態觸發電路、計數器、數碼顯示電路、權電阻D/A轉換、求和電路及反相器。

555時基電路及外圍元件組成單穩態觸發器、4518組成一位計數電路、4511組成譯碼驅動電路，Q1～Q4組成模擬開關，R13、R14、R15、R16及RP1、RP2、RP3、RP4組成權電阻網絡，LM358組成求和運放及反相輸出電路。

圖3 電路原理圖

3 電路分析

3.1 單穩態觸發電路

電路由555時基電路，構成單穩態觸發器，R2、C2為定時元件，2腳采用低電平觸發，當按下S1，產生一個脈沖信號，3腳輸出時鐘信號，輸入4518 CLK端，作為脈沖輸入信號。

3.2 計數電路

CD4518是一個雙BCD同步加計數器，由兩個相同的同步4級計數器組成。本電路采用一組BCD計數器，實現一位數碼顯示。

CD4518引腳功能(管腳功能)如圖4所示。

1 CP、2CP：時鐘輸入端。

1 CR、2CR：清除端。

1 EN、2EN：計數允許控制端。

1 Q0～1 Q3：計數器輸出端。

2 Q0～2 Q3：計數器輸出端。

Vdd：正電源。

Vss：地。

CD4518有兩個時鐘輸入端CP和EN,若用時鐘上升沿觸發,信號由CP輸入,此時EN端為高電平（1）,若用時鐘下降沿觸發,信號由EN輸入,此時CP端為低噸平（0）,同時復位端Cr也保持低電平（0）,只有滿足了這些條件時,電路才會處于計數狀態。

圖4

3.3 譯碼器、驅動、顯示

實驗中選用的CD4511是一個BCD碼七段譯碼器，并兼有驅動功能，內部沒有限流電阻，與數碼管相連接時，需要在每段輸出接上限流電阻。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， BI端應加高電平。CD4511引腳排列如圖5所示。

圖5

顯示器：顯示器采用共陰LED七段發光二極管顯示器，它可直接顯示出譯碼器輸出的十進制數。電阻R4～R11為數碼管限流電阻。

3.4 阻電阻D/A轉換

四位二進制數一路送給CD4511，經過譯碼、驅動，使數碼管顯示一位十進制數。計數器的另一路送給由Q1、Q2、Q3、Q4及U4A運算放大器及其相關電阻等組成的權電阻D/A轉換電路，Q1、Q2、Q3、Q4是二進制數各數碼位的開關。當對應位的值是“1”是開關閉合；當對應位的值是“0”時，開關斷開。調節對應集電極的電阻阻值就能使通過的電流與該數碼位的權值成比例（權值為1、2、4、8）。

3.5 求和運放與反相輸出電路

求和運算放大器的作用是將流向A點的各權電阻求和后再轉換成模擬電壓。電路由LM358組成求和運放和反相輸出電路。四位產生的電流由運算放大器U4A的反相輸入端進行求和運算，經過U4B反相器后，輸出一個與計數結果大小成正比的模擬電壓，從而實現了D/A轉換。

4 調試要求

4.1 性能指標：電源電壓+12V、-12V數碼管能顯示0～9計數結果輸出電壓0～9V，計數每加1電壓指示值遞加1。

4.2 調試方法：

接通電源，按微動按鈕S1，計數器能加“1”，調節RP1使電壓表讀數為1V；依次按S1，使數碼管顯示“2”，調節RP2使電壓表讀數為2V，當數碼管顯示4時，調節RP3，使電壓表讀數為4，當數碼管顯示“8”時，調整RP4使輸出電壓讀數為8V。權電阻網絡調整完成后，按S1鍵，計數加1，輸出電壓相應加1V。

權電阻網絡D/A轉換器實現數量到模擬量的原理易于理解，且電路簡單、使用電阻少，但也存在兩個缺點，一是各相鄰電阻之間嚴格保持依相差一半的要求，因此電路設計中，增加了四個精密可調電阻，方便調節。二是最大阻值與最阻值相差很大，當二進數位增多時,這種差別更為嚴理。因此要制造出能滿足上述要求的高精度電阻是很困難的，在集成工藝中尤為突出。

[1]楊志忠.數字電子技術[M].北京：高等教育出版社，2003

[2]陳其純.電子線路.[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.6

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.042