AD计数式转换器设计

发布于:2021-08-03 15:09:59

湖南理工学院课程设计
电子技术
课程名称:

课程设计任务书
电子技术课程设计

设计题目: 院 专 班 系: 业: 级:

AD 转换器设计 机械学院 机械电子 11 级机电一班 李判 14113500480 2013 年 12 月 30 日 201 年 余晓峰 1月 5日

学生姓名: 学 号 :

起迄日期: 指导教师:

教研室主任:

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摘 要
AD 转换器是一种能把输入模拟电电压或电电流变成与它成正比的数数字量,即能 把被控对对象的各种模拟信息变成计计算机可以识别的数字信息。 本电路由 AD 转

换器器,定时器,计数器组成,其中 AD 转换器器由 ADC0809 集成芯片组成,定时器器 由 NE555D 定时器组成,计数器由 74LS161 组成。本设计有以下电路组成:(1)电压 比较电路(2)NE555D 定时器时钟取样电路 (3)ADC 集成芯片转换电路 (4)LS161 芯片计数器通道电路。AD 转换器要将时间和幅值都连续的模拟量,转换为时间、幅值 都离散的数字量,一般要经过取样、保持和量化、编码几个过程。本设计与市场同类 产品设计相比,具有电路简单、结构合理、制作方便、工作可靠、功能齐全等优势。 在要求转换速度比较高的场合可选用并行 AD 转换器。

关键词:AD 转换器

定时器 时钟信号 计数器

单次脉冲

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目录

1 引言

.................................................................. 4

1.1 A/D 转化器的基本原理与种类 ............................................. 4 1.2 取样定理 .......................................................................... 4

2、方案对比 ................................................... 4
2.1 设计方案 ......................................................................... 4 2.1.1 方案一 ......................................................................... 4 2.1.2 方案二 ......................................................................... 4 2.1.3 方案三 .......................................................................... 4

2.2 方案优选 .............................................................. 5 3、原理分析 .............................................................. 5 3.1 整体思路 .............................................................. 5 3.2 电路组成及工作原理???????????????????????? 6 3.3 各框图的功能和可选电路及特点????????????????????6 3.4 电路制作所需的工具????????????????????????7 3.5 元器件列表????????????????????????????7

4 单元电路设 ………………………………………………………………………8 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 模拟电压产生电路????????????????????????8 输出电路?????????????????????????????8 555 信号发生器????????????????????????????8 555 信号清零????????????????????????????10 74LS00??????????????????????????????.10 计数器电路????????????????????????????10 D/A 转换器 DAC0832????????????????????????11 LM324 比较器???????????????????????????13

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5 调试????????????????????????13
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 模拟电压产生电路的调试?????????????????????13 输出电路的调试?????????????????????????13 信号发生器的调试????????????????????????13 555 信号清零的调试???????????????????????13 74LS00 的调试 ?????????????????????????14 74161 的调试??????????????????????????14 DAC0832 的调试?????????????????????????14 LM324 的调试??????????????????????????14

6 电路测试及测试结果????????????????14 7 设计总结???????????????????15 参考文献?????????????????????15 附录……………………………………………………………..16

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1 引言 AD 转换器的产生和用途
在计算机过程控制系统中,经常要处理一些在在时间上数值连续变化的物理量。这种 物理量称为模拟量,如温度,压力,流量,速度等,经过传感器后与得到与此相对应 的电信号称为模拟电信号。由于计算机内部处理的都是数字信号,所以模拟信号需要 换成数字信号,才能被计算机所加工处理。另外推动执行机构动作需要的是电压或流 等模拟信号,所以计算机输出的数字信号还要换成模拟信号。所以要实行模拟信号转 化成数字信号需要使用 A/D 转换器。 本次课程设计编写的程序用 DAC0832 转换器将 A/D 转化结果用 Proteus 软件表示 出来。

1.1 A/D 转化器的基本原理与种类
A/D 转化器是一种把输入模拟电压或电流信号变成与其成正比的数字信号,就是能 把被控制对象的各种模拟信息变成计算机可识别的数字信息。在 A/D 转化器中,因为 输入的模拟信号在时间上是连续的,而输出的数字信号在时间上是离散的,所以转化 只能在选定的瞬间对输入的模拟信号进行取样,然后把这些取值的模拟量变成数字量。 因此,A/D 转化的过程首先是对输入的模拟信号取样,取样结束后进行时间保持, 在这段时间内将取样模拟信号变成数字信号,并按一定的编码顺序给出转化结果,然 后开始下一次取样。

1.2 取样定理
为了准确无误的用取样信号的输入取样信号 VS 表示模拟信号 VI,取样信号必须有 足够高的频率。可以证明,为了保证能从取样信号到原来被取样信号的恢复,必须满 足 FS>=FI(MAX) 式中 FS 为取样频率,FI(MAX)为输入模拟信号 VI 的最高频率分量的频率的上式。 这就是取样定理。 因此 A/D 转化器工作时的取样频率必须高于上式规定的频率,取样频率提高以后留 给每次进行转化的时间也就相应缩短了,这就要求转化电路必须有更快的工作速度。 所以不能无限制的提高取样频率,通常取样 FS=(3~5)*FI(MAX)就满足要求。

2、方案对比
2.1 设计方案
AD 转换器设计有多种设计方案,各有各的优点和缺点,以下我们来介绍分析 2.1.1 方案一:计数式

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计数式8位A/D转换器设计的思路是:先由555定时器构成的多谐振荡器产生方波信 号,输入由控制芯片74LS00构成的与非门,再把74LS00的输出信号输入到由两片74161 构成的计数器,74161的输出信号经DAC0832数模转换器后,输出的信号经LM324构成的 比较器与待转换电压进行比较,最后结果由Q7,Q6,Q5,Q4,Q3,Q2,Q1,Q0输出

2.1.2 方案二:双积分式 以二进制或BCD码的形式输出,精度高,抗干扰能力强,价格便宜,但转换速度较 低,但电路设计与连接比较复杂,且速度太慢。 2.1.3 方案三:VFC式 利用积分原理,将输入电压(或电流)转换成频率输出,脉冲频率与输入电压(或电 流)成比例,其精度高、线性度好、转换速度居中、转换位数与速度可调、与CPU的连 线最少,且增加转换位数时不会增 加与CPU 的连线,这不太适合本实验。

2.2 方案优选
综上所述,我们选择第一种方案。

3、原理分析
3.1 整体思路

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上图为 8 位为计数式 8 位 A/D 转换器的总体设计框图。该八位 AD 转换器由以下几部分 组成:1)模拟电压产生电路 2)电压比较电路 3) DA 转换电路 4)脉冲产生电路 5)控制电路 6)计数电路 7)输出电路 3.2 电路组成及工作原理

3.3 各框图的功能和可选电路及特点 1)模拟电压产生电路:在电位器上产生 0~2.5V 的待转换电压。 2)电压比较电路:比较两个电压值进行判断并输出高电*或低电*,待转换电压 Vx 进入比较器正端, 而经 DA 转换器转换出的模拟电压量 Vy 则进入比较器负端与 Vx 比较。 若 Vx > Vy,则比较器输出为高电*,反之为低电*。 3)DA 转换电路:将数字量转化为模拟量,可以选用 DAC0832,输出为电流量,需转化 成模拟电压量才可以与待转换电压 Vx 比较。

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4)脉冲产生电路:产生一个频率较高的方波信号 CP,可选用 555 构成的多谐振荡器。 5)控制电路:可选电路为 74LS00,控制计数电路的计数功能,由比较器的输出结果和 脉冲信号 CP 共同决定, 555 构成的多谐振荡器输出上升沿时,加计数器开始计数。 6)计数电路:进行加记数,输出的数字量进入 DA 转换电路变为模拟电流量,为了完成 八位计数,可使用两个 74LS161。 7)输出电路:输出八位分别为 Q7,Q6,Q5,Q4,Q3,Q2,Q1,Q0,可以用发光二极管 显示。 3.4 电路制作所需的工具 工具名称 电烙铁 万用表 剪刀 镊子 3.5 元器件列表
元件名称 10K 电阻 1K 电阻 1K 电位器 33K 电阻 发光二极管 C473 电容 47u 电容 集成块 LM324 集成块 555 集成块 74LS161 集成块 74LS00 8 位 D/A 转换器 DAC0832 20 针插座 16 针插座 14 针插座 8 针插座 通用板 焊锡丝 导线

工具数量 1 1 1 1

元件数量
2 1 1 9 8 1 1 1 2 2 1 1 1 2 2 2 1 若干 若干

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4 单元电路设计
4.1 模拟电压产生电路

将 1K 电阻与 1K 电位器相连, 电阻一段接+5V 电压, 电位器一端接地, 电位器中间接输出,则可以得到输出电压在 0~2.5V。 4.2 输出电路

将 Q7~Q0 分别接 330Ω 的电阻和发光二极管,构成 D7~D0 的输出电路。

4.3 555 信号发生器 555 定时器它是一种时基电路, 它是一种应用极为广泛的中规模集成电路。 该电路使用 灵活、方便,只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而 广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。由于 555 内部的比较器灵敏度较高,而且采 用差分电路方式,他的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。

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由 555 定时器

和外接元件 RA,RB,C 构成多谐振荡器,脚 2 与脚 6 直接相连。电路没有稳态,仅存 在两个暂稳态,电路也不需要外加触发信号,利用电源通过 R1,R2 向电容 C 充电,充 电到两端电压为 2/3 的 Vcc 时,触发器复位,Vo 为低电*,电容 C473 通过 RB 向放电 端 7 端放电,当两端电压下降到 1/3 的 Vcc 时,触发器又被复位,Vo 翻转为高电*。 电容 C 在(1/3)Vcc 和(2/3)Vcc 之间充电和放电,从而使信号发生器产生方波信号。

充电时间为 0.7×(R1+R2)C=0.7×(10×103+10×103)×47000×10-12=6.58×10-4s, 放电时间为 0.7×R2×C=0.7×10×103×47000×10-12=3.29×10-4s,周期 T=6.58×10-4 +3.29×10-4s=9.87×10-4s

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4.4 555 信号清零

数据显示时间为 0.7×(R1+R2)C=0.7×(33×103+330)×47×10-6=1.097s,放电时 间为 0.7×R2×C=0.7×330×47×10-6=10.86ms,周期 T=1.1s。 4.5 74LS00

输入方波信号, 端接 LM324 的输出端产生的方波, 端接比较器 10 9

输出的电压,8 端为输出的信号接入计数器电路。 与逻辑真值表
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 L=A&B 0 0 0 1

4.6 计数器电路

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控制电路是由两个 74LS16

1 计数器构成的,74LS161 正常工作时由 0000 开始计数,现在外接了与非门,同步预置 数计数过程从 0001 开始。

74LS161 由四个

JK 触发器和一些控制门组成,其中 CP 是计数输入脉冲,上升沿有效;Q0~Q3 是计 数输出端,A~D 是输入端。最高位是 Q3;CO 是进位信号输出端;D0~D3 为预置数并 行输入端;CTT 和 CTP 是工作状态控制端。74LS161 具有计数、预置、保持、清零等功 能。 4.7 D/A 转换器 DAC0832 D/A 转换器的结构有很多种,分为电压定标、电荷定标、电流定标等。不同结构的 D/A 转换器在性能上是有差异的。单纯采用一种定标方式,需要有很高的匹配精度,否则 很难实现高精度转换。我们采用集成块 DAC0832。 DAC0832 是一个 8 位 D/A 转换器。单电源供电,从+5V~+15V 均可正常工作,基准电压 范围为 10V,电流建立时间为 1μ s,CMOS 工艺,低功耗 20mW。 DAC0832 转换器芯片为 20 引脚,双列直插式封装,能完成数字量输入到模拟量(电流) 输出的转换。

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在 DAC0832 中有两级锁存器,第一级锁存器称为输入寄存器,它的允许锁存信号为 IL E,第二级锁存器称为 DAC 寄存器,它的锁存信号也称为通道控制信号(XFER),当 I LE 为高电*,片选信号(CS)和写信号(WR1)为低电*时,输入寄存器控制信号为 1 时,输入寄存器的输出随输入而变化。此后,当(WR1)由低电*变高时,控制信号成 为低电*,数据被锁存到输入寄存器中,此时输入寄存器的输出端不再随外部数据的 变化而变化。使用时,数据输入可以采用两级锁存(双锁存)形式,或单级锁存(一级锁 存,一级直通)形式,或直接输入(两级直通)形式。3 个门电路组成寄存器输出控制逻 辑电路,该逻辑电路的功能是进行数据锁存控制。

DAC0832

的引脚功能说明如下: ILE:输入寄存器允许,高电*有效。 D0~D7:数字信号输入端。 CS:片选信号,低电*有效。 WR1:写信号 1,低电*有效。 XFER:传送控制信号,低电*有效。 WR2:写信号 2,低电*有效。 Iout1,Iout2:DAC 电流输出端。 Rfb:反馈电阻,是集成在片内的外接运放的反馈电阻。 Vref:基准电压(-10~+10)V。 Vcc:电源电压(+5~+15)V。 AGND:模拟地。

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NGND:数字地。 4.8 LM324 比较器

LM324 是四运放集成电路,它采用 14 脚双列直插塑料封装,外形如下图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大 器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图(a)所示的符号来表 示,它有 5 个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、 负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放 输出端 Vo 的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大 时,即开环状态,理论上运放的开环放大倍数为无穷大,此时运放形成一个电压比较器, 其输出如不是高电*(V+),就是低电*(V-或接地)。当正输入端电压高于负输入 端电压时,运放输出低电*。

5

调试

5.1 模拟电压产生电路的调试 连接好电路,用数字电压表测量电位器中间输出电压是否在 0~2.5V 内在 0~2.5V 内, 则模拟电压产生电路正常。 5.2 输出电路的调试 将 Q7~Q0 接逻辑电*输入,当逻辑电*为 1 时,发光二极管亮,则输出电路正常。 5.3 信号发生器的调试 先卸下除 555 芯片的其他芯片,在 8 端口接+5V 电压,1 端口接地,3 端口接上示波器,调 节示波器,观察波形,是否为方波, 其频率是 f=1/(Tph+Tpl)。 如果不是,检查电阻,电容, 线路,以及 555 元件。如果失真,检查接触是否良好,是否有虚焊等。 在测试中发现输出的波形不为方波,经检查发现有一根导线不导电,导线的内部中间 端了,更换导线后,测得输出波形为方波,频率 f=1.471KHZ。 5.4 555 信号清零的调试

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先卸下除 555 芯片的其他芯片,在 8 端口接+5V 电压,1 端口接地,3 端口接上示波器,调 节示波器,观察波形,是否为矩形波。 如果不是,检查电阻,电容,线路,以及 555 元件。 如果失真,检查接触是否良好,是否有虚焊等。 5.5 74LS00 的调试 将 9、10 两端分别接电*输入,将 8 端接电*显示。测试是否符合当 9 端为低电*,1 0 端为低电*时,输出为低电*;9 端为低电*,10 端为高电*时,输出为低电*;9 端为高电*,10 端为低电*时,输出为低电*;当 9、10 两端均为高电*时,输出为 高电*。 5.6 74161 的调试 先卸下除 74LS161 芯片的其他芯片, 芯片 Vcc 接+5V 电压,GND 端接地,两个计数器的 ET,RD,LD,EP 端接高电*, CP 端接上单次脉冲,八个输出端分别按顺序接在八个电*显 示上,按单次脉冲按钮,观察 8 位电*显示的输出是否为逐个增大的二进制数,达到同步 加计数器的功能。 5.7 DAC0832 的调试 先卸下除 DAC0832 芯片的其他芯片,芯片 Vcc 接+5V 电压,VREF 接-5V 电压,WR 1、WR2、XFER、CS、Iout2、AGND、GND 端接地,八个输入端接电*输入,用万用表测 量观察输出端的电压变化情况,黑表笔接地,红表笔接 Rfb,依次打开逻辑开关,看万 用表示数是不是逐渐增大,如电压随输入电*二进制数的增大而增大,则 DAC0832 芯 片调试成功。 5.8 LM324 的调试 将 LM324 与已调好的 DAC0832 相连,DAC0832 的 Vcc 接+5V 电压,VREF 接-5V 电压,WR 1、WR2、XFER、CS、Iout2、AGND、GND 端接地,八个输入端接电*输入,用万用表测 LM324 输出端 14 端的电压,如随电*二进制数增大而增大,则 LM324 调试成功。

6

电路测试及测试结果

先检查线路是否短路,断路,是否有虚焊。按原理图,接上所有元器件,接通电源。 匀速调节电位器,从而改变输出电压。观察发光二极管是否随其缓慢改变。记录显示 数据,统计数据。 数据记录
输入电压/V 0.16 0.91 1.00 输出电压(二进制) 00000110 00110001 00110011 输出电压(十进制)/V 0.117 0.9555 0.9945

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1.03 1.15 1.38 1.66 2.24 2.46 00110101 00111011 01000111 01010101 01110101 01111101 1.0335 1.1505 1.3845 1.6575 2.2815 2.4375

输出电压的值随输入电压值的增大而增大,输入电压的值与输出电压的值几乎相等, 误差小于 1LSB。

7 设计总结
通过本次课程设计,我们掌握了计数式 8 位 A/D 转换器的设计原理,了解了 555 定时 器、74LS00、74161、DAC0832 及 LM324 等元器件的使用。 电路设计时,应考虑各个部分的功能,尽可能使电路简单,方便电路的焊接。画原理 图时,应标明各元器件的引脚及其他接口,方便焊接。 焊接时,把各集成块从插座*蜗拢悦獾缋犹尤仁苯煽樯栈担Vじ鹘涌 都接触稳定。应注意焊脚之间保持适当间距,避免短路,焊好接点后,要用万用表欧 姆档测试端口之间是否虚焊,在焊电容时,电烙铁头不宜电容针脚上加热太长时间, 这样电容易损坏。 调试时,应先单个调试,最好是焊好一个调一个,以免整体调试会烧坏元器件。应注 意输入输出关系,测试实验值与理论计算值是否一致。最后再整体调试。 本次课程设计,培养了我们综合运用理论知识解决实际问题的能力,让我们懂得了理 论联系实际的重要,为以后的学*和工作起到了促进作用。也锻炼了我们的实践动手 能力,提高了自己学*的积极性。

参考文献
[1]康华光主编.电子技术基础(模拟部分)第五版.北京:高等教育出版社,2006.1. [2]康华光主编.电子技术基础(数字部分)第五版.北京:高等教育出版社,2006.1. [3]邱关源原著.电路第五版.北京:高等教育出版社,2006.5 [4]数字逻辑电子技术实验指导与设计

附录

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