老音響資料庫/蘇桑部落格

　　數位電路,由於微電子製作技術的進步,使得以前僅能在精密研究室見到的儀器,已進入我們日常生活當中。去年底,偶然機會,販賣零件的老闆,向筆者推薦一顆工技院出品的A/D轉換器──CA3162E。這是專為數字電壓錶頭設計的,使用雙斜率轉換技術,內藏有振盪器及參考電壓,且可將顯示資料鎖住,提供與為電腦的介面能力。所有外接的零件,僅是一個電容和二個可變電阻,製作成本與一般指針式電壓錶不相上下,整塊電路板與手掌般大小。
　　大家知道,電容的定義是:C=Q/V,Q是電荷量,為電流與時間的乘積:Q=I∙T;V是加在電容兩端的電壓。若以定電流對電容充一預定時間的電則V可由公式V=I∙T/C求得,雙斜率轉換技術基本架構就由這公式來的。
 
　　基本雙斜率轉換工作方塊大致如圖1(a),待側電壓EIN,經S1開關至積分器對CINT予定時間T1積分,T1被系統中定數目的時鐘決定。然後控制邏輯,把開關轉到S2,一負值的VREF就開始將剛才儲存CINT上的電荷,以定電流放電。在開關轉換同時,計數器開始計數,直到積分器的輸出觸發比較器狀態改變時停止,這時候控制邏輯將計數閂入顯示系統,並清除前次顯示數值。從圖1(b)中看得出,當待測電壓較大時,則積分器上昇的速率亦快,再開關轉換成S2的瞬時,積分器輸出值也高,因此CINT被參考電壓放電所須的時間也跟著拉長了。了解這層關係,待測電壓可由公式EIN=VREF⋅T2/T1求得,T時間是一系列時鐘週期組成的。假如T1=1000 CLOCKS,VREF=1.000V,T2測量計數結果為700,則測量值即是0.7V。整個工作邏輯就大致如此。

　　一般而言,雙斜率式的A/D轉換器,除溫度對IC本身有影響外,有圖2(a)(b)(c)三種誤差。(a)類誤差是由於主動元件比較器和積分器,主要是本身產生的中點電壓(OFFSET VOLTAGE)累積的結果。但進步的雙斜率轉換器,均有自動補償系統,就是一般稱為AUTO-ZERO的方法,它利用一類比開關,將輸入短路,在比較器間對一電容充電,以設定一補償電壓。當測量時,可補償主動元件產生的中點電壓(b)類誤差,如果IC內藏有參考電壓時,增益誤差可由外部的被動元件調整,本文的CA-3162即是此類;若無內藏參考電壓時,則經由外接參考電壓的調整即可,這類最代表性的就是7106。(c)類誤差,可說完全決定於IC本身的製作品質,以及轉換器外接零件的選擇,可說無法控制,一切所能做的,便是調整增益誤差,以求得最好的工作狀態,如圖2(d)。
　　理論上,雙斜率轉換方法的優點是架構簡單,精密度高和對雜音的免疫性強;缺點是轉換速度慢。實際應用時,由於一切轉換過程,均以CLOCK為準,因此CLOCK的穩定決定了轉換的精密度,而CLOCK的頻率高低,控制轉換速度,由前面的例子,了解到為求預定精確度,為有提高機分的CLOCK數值,這樣轉換速度就慢下來了。為求得高度的雜音免疫力,CLOCK的頻率須為電源頻率的倍數。整個線路上,最容易出問題的是積分電容,積分電容取得大,則積分電壓上升慢,另一方面,電容數值高,由於介電質所引起的漏電就大,因而損失積分電壓,降低轉換經密度。但若電容值取得小,則充電容易飽和,降低了測量的動態範圍。因此這電容,不僅品質要好,且要取得適當。參考電壓,由圖1知道,它決定了輸入的待測值上限,它要求不僅是穩定度高且雜音小。在開始對積分電容積分時,為求得積分曲線穩定的斜率,以達到必要的線性誤差範圍內,待測值必須在機分週期內,保持穩定的電壓,這是雙斜率轉換方式最大的缺點。一般應用上,僅適合待測電壓變動小而慢的地方。

　　上面講述了一大堆理論,現在我們進入正題。請看圖3,CA3162E是16腳的MOS,工作電壓僅須單一的5伏特,所有數位輸出與TTL相配。腳10與腳11是輸入端,腳10是輸入參考點,容許±15V輸入訊號,通常腳10與腳7相接落地。測量時,待測電壓經電壓──電流轉換器,對積分電容充電,由於積分電容的另一端與電源連接,所以任何電源的波動,均會影響到測量的結果,這是必須注意的。解決的方法惟有把積分電容接到一高穩定度的電壓上。腳13的增益調整,其實就是調整參考電壓,連帶控制定電流源,由這裡可調整增益誤差。振盪訊號,由IC本身產生,約786KHz,經除頻後,供給顯示系統及控制系統使用。顯示系統是以多工(Multiplex)形式輸出。這IC有二特色,首先,它能測量負電壓值,並有顯示超位能力;其次,當腳6輸入1.2V時,可將最近測量結果閂入顯示系統,提供微電腦介面同步的能力,若接至高電位時,轉換速度由平常每秒4次增至每秒96次,平時若浮空不接或接至地時,則以每秒4次的速度轉換。



　　由於工技院的產品,都是RCA的技術,因此CA3162可在RCA的DATA BOOK中查到。它提供了圖4、5、6三個應用線路。圖5是專為LCD設計的,不僅元件多,且不適合一般製作。圖4是最簡單不過了,圖中的CA3161,工技院也有生產。上面提過CA3162有顯示超位能力,如果經過這IC解碼後,當輸入超過999mV時,會顯示"EEE",若輸入為負值時,可顯示負號,且超過-99mV,則顯示「- - -」。若讀者想以7447代替時,須了解到7447沒有上述的功能。CA3162輸入的範圍被固定在999mV至-99mV之間,而一般使用的場合多在伏特讀數,這可經電阻分壓的方式處理。但要注意輸入阻抗及訊號穩定的問題。在這裡分壓電阻可選用數K至數十K,在腳10、11之間接上一電容可將高頻旁路掉,以增加待測電壓的穩定。

　　圖7是CA3162的資料,由資料顯示及上面的了解,可以看出這顆IC並不適合製成數字電錶,但設計成一般電壓錶,則足足有餘。電壓錶沒有顯示負值和超位的需要,故筆者在設計時,就省略了這些功能。如圖8,使用一般常用元件,總共有四個積體電路,顯示IC是圖6中的共陰極顯示器。線路提供0至99.9V顯示範圍,如要改成0至9.99V,則僅須將99K電阻改成9K,在把小數點的電晶體基極改接到MSD即可。

　　製作時,按線路接好。二個可變電阻預調到中央位置後,即可加上電源。此時顯示的LED應會亮,如果不亮,可能是接線有誤或LED極性不對。當一切無誤時,在輸入端接一可變電壓,改變電壓看看是否顯示數字會連續變化。假如不是,則轉換器與解碼器之間,必然接線有錯,不然輸入電壓本身不良。完成上述的初步檢查後,再來調整零電位,先將腳10、11短路,調整CA3162腳8、9的可變電阻,使顯示值為零,如果有奇怪的顯示數字,則表示零點被調過頭到負的方向。調完零點後,再調增益誤差,把-900mV的穩定標準電壓輸到腳11上,調整腳13上的可變電阻,直到讀數為90.0為止。在調整控制增益電阻時,如發現LED全不亮,則表示增益過大發生超位,將電阻調一下即可。完成上述調整後,應再次重覆調零點及增益,直到理想狀況為止。

　　整個線路產生誤差最大的地方,應是那二支分壓電阻,其本身即存有百分之一的誤差,但對一般使用上,應不會發生問題。筆者想,讀者中少有身邊沒有電源供應器的,故想從這裡,把指針式的電壓錶換成數字型,齊改換是相當簡單。先將電壓輸出端連至電路輸入端,再將電源接上即完成。這時候,就可利用數字電壓錶考驗一下您的電源供應器性能了。再接到機器上,可監視屏極工作電壓。以上是最直接的使用,如果加上一些能量轉換(Transducer),可製成單一的數字溫度計、暗房光度錶等等。利用CA3162腳6,將資料鎖住,與電腦相連,讓I/O讀取資料,作些粗略的測試或控制動作。

　　筆者在製作過程中,體認到一些觀念。所謂高級產品並不是想像中的困難,只要充分了解元件的本質以及理論基礎,能充分發揮元件特性,不然過分相信規格,必達不到效果。這就是一般製作文章登出,依然有不成功的例子。希望讀者能抱持著為學習而抄襲,不要為迷人的數字及文字而抄襲,否則永遠學不到東西,最後感謝茂綸公司資料的提供。
轉載音響技術第84期DEC. 1982 簡易數字式電壓表/魯 文