AD與DA轉(zhuǎn)換電路設(shè)計說明書

1、中北大學(xué)課程設(shè)計說明書999學(xué)生姓名：XXX學(xué) 號：XXXXXXXXXX學(xué) 院：?電子與計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院專 業(yè)：?微電子學(xué)題目：A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計9指導(dǎo)教師：xxx_2012年12月31日9目錄1、課程設(shè)計目的22、課程設(shè)計內(nèi)容和要求、設(shè)計內(nèi)容2、設(shè)計內(nèi)容23、？設(shè)計方案、設(shè)計思路2、總體設(shè)計框圖2、工作原理3、硬件電路原理圖9、PCB版圖設(shè)計114、課程設(shè)計總結(jié)125、參考文獻(xiàn)1、課程設(shè)計目的 掌握電子電路的一般設(shè)計方法和設(shè)計流程； 學(xué)習(xí)使用PROTEL軟件繪制電路原理圖及印刷板圖； 掌握應(yīng)用EWB對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果驗證設(shè)計的正確 性。2. 設(shè)計內(nèi)容和要求 查閱熟

2、悉相關(guān)芯片資料； 輸入正弦波通過A/D轉(zhuǎn)換，把產(chǎn)生的數(shù)字信號通過LED數(shù)碼管顯示； 使該數(shù)字信號再通過D/A轉(zhuǎn)換； 通過仿真比較輸入的正弦波和輸出的模擬信號； 利用PROTEL繪制原理圖電路和印刷板圖，并利用EWB軟件仿真。3總體設(shè)計方案A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計方案設(shè)計一個A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路，可以用單片機(jī)做主控制器，采集正弦 波,通過ADC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，利用單片機(jī)主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理，通過LED數(shù)碼管顯示數(shù)字信號，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號通過DAC轉(zhuǎn)換器實 現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。將輸入的正弦波于最后轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號進(jìn)行比較，進(jìn)而 達(dá)到實現(xiàn)A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計?？傮w設(shè)計框圖LED界示P

3、示波器顯示模姒倍號轉(zhuǎn)換C-圖1總體設(shè)計方框圖A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計總體設(shè)計方框圖如圖1所示，控制器采用單 片機(jī)AT89C51,數(shù)字信號轉(zhuǎn)換采用芯片ADC0809,模擬信號轉(zhuǎn)換采用芯片 DAC0832,使用LED數(shù)碼管顯示數(shù)字信號。主控制器單片機(jī)AT89C51具有低電壓供電和體積小等特點，四個端口只需要兩 個口就能滿足電路系統(tǒng)的設(shè)計需要，很適合便攜手持式產(chǎn)品的設(shè)計使用系 統(tǒng)可用二節(jié)電池供電。ADC轉(zhuǎn)換器ADC0809有三個主要組成部分：256個電阻組成的電阻階梯及樹狀開 關(guān)、逐次比較寄存器SAR和比較器。電阻階梯和樹狀開關(guān)是ADC0809的一 個特點。另一個不特點是，它含有一個8通道單端信號

4、模擬開關(guān)和一個地 址譯碼器。地址譯碼器選擇8個模擬信號之一送入ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因 此適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。12SC27ADCOSO9326425524623CCS219201019111S121713161415INs丙INsIN?IN?STARTEOC 帀OECLOCKV=(+)GNDDiINzINoADDA ADDB ADDC ALED?DgDiDoD2圖2 ADC0809引腳圖1216ADC0809EOC8位?120D.L9L8L5L4610OESTART CLIC地址 頃存與 譯碼% J t+i r)ADDA 空 kDDB 空ADDCALE27X 2S4三態(tài)輸出進(jìn)存緩沖器X/D17

5、VccGO圖3 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)CBA被選擇的通道0 0 00 0 1鞏0 1 0III0 1 1珥1 0 0IH,1 0 11 1 0鞏1 1 1IN.表1通道選擇表圖2為引腳圖。各引腳功能如下:（1）鞏IN。一一模擬量輸入通道（2）ALE一一地址鎖存允許信號（22腳），是通道地址鎖存輸入端。當(dāng)ALE上升沿到來時，地址鎖存器可對ADDA、ADDB、ADDC鎖定。下一個A LE上升沿允許通道地址更新。實際使用中，要求ADC開始轉(zhuǎn)換之前地址就 應(yīng)鎖存，所以通常將ALE和START連在一起，使用同一個脈沖信號，上升 沿鎖存地址，下降沿則啟動轉(zhuǎn)換。（3）START轉(zhuǎn)換啟動信號。START上

6、升沿時，復(fù)位ADC0809； STA RT下降沿時啟動芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保 持低電平。本信號有時簡寫為ST.（4）A、B、C一一地址線。通道端口選擇線，A為低地址，C為高地 址，引腳圖中為ADDA, ADDB和ADDC。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見表1。（5） CLK時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信 號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時鐘信 曰.（6）EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號（7腳）。EOC二0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；E0C二1, 轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請 求信號使用。是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號

7、，由ADC內(nèi)部控制邏輯電路產(chǎn)生。當(dāng)E0C二0 時表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，當(dāng)E0C二1表示轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。因此E0C可作為微機(jī) 的中斷請求信號或查詢信號。顯然只有當(dāng)E0C二1以后，才可以讓0E為高 電平，這時讀出的數(shù)據(jù)才是正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。（7）幾仇一一數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī) 的數(shù)據(jù)線直接相連。幾為最低位，0；為最高。（8）0E輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。0E二0,輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；0E二1,輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。（9）Kc+5V電源。（10）ref一一參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為（/*產(chǎn)+5V, /

8、心產(chǎn)-5V）。顯示電路顯示電路采用8位共陽極LED數(shù)碼管，段選接P0 口，位選接、，在AT89C51的控制下，由ADC0809采集且轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由PO 口輸出送液 晶顯示模塊LED上顯示。數(shù)字信號通過芯片DAC0832進(jìn)行轉(zhuǎn)換為模擬信號, 通過示波器顯示。DAC轉(zhuǎn)換芯片DAC0832是用CMOS工藝制成的20只腳雙列直插式單片八位D/A轉(zhuǎn)換 器。它由八位輸入寄存器、八位DAC寄存器和八位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組 成。它有兩個分別控制的數(shù)據(jù)寄存器，可以實現(xiàn)兩次緩沖，所以使用時有 較大的靈活性，可根據(jù)需要接成不同的工作方式。DAC0832芯片上各管腳的名稱和功能說明如下：1引腳功能DAC0832

9、的邏輯功能框圖和引腳圖如圖4所示。各引腳的功能說明如 下：圖4 DAC0832的邏輯功能框圖和引腳圖 氏:片選信號，輸入低電平有效。ILE :輸入鎖存允許信號，輸入高電平有效。 兩:輸入寄存器寫信號，輸入低電平有效。 呢:DAC寄存器寫信號，輸入低電平有效。XFER :數(shù)據(jù)傳送控制信號，輸入低電平有效。DgDI；： 8位數(shù)據(jù)輸入端，Dm為最低位，為最高位。Autl : DAC電流輸出lo此輸出信號一般作為運算放大器的一個差 分輸入信號（通常接反相端）。厶辭：0AC電流輸出2, Zoutl + Iout2 =常數(shù)。Rfb ：反饋電阻。re :參考電壓輸入，可在+iov一iov之間選擇。匚：數(shù)字部

10、分的電源輸入端，可在+5V+15V范圍內(nèi)選取，+15V 時為最佳工作狀態(tài)。AGND：模擬地。DGND：數(shù)字地。工作原理及硬件框圖A/D轉(zhuǎn)換過程A/D轉(zhuǎn)換器是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)之間的接口電路，A/D轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間，要求輸入的模擬電壓保持不變，但在A/D轉(zhuǎn)換器中，因為輸 入的模擬信號在時間上是連續(xù)的，而輸出的數(shù)字信號是離散的，所以進(jìn)行 轉(zhuǎn)換時只能在一系列選定的瞬間對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣，然后再把這 些采樣值轉(zhuǎn)化為輸出的數(shù)字量，一般來說，轉(zhuǎn)換過程包括取樣、保持、量 化和編碼四個步驟。A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟如下：（一）采樣和保持釆樣（又稱抽樣或取樣）是對模擬信號進(jìn)行周期性地獲取樣值的過程, 即將

11、時間上連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間上離散、幅度上等于采樣時間 內(nèi)模擬信號大小的模擬信號，即轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖。為了不失真地用采樣后的輸出信號仇來表示輸入模擬信號乞，采樣頻 率兀必須滿足：采樣頻率應(yīng)不小于輸入模擬信號最高頻率分量的兩倍，即 出,其中_為輸入信號耳的上限頻率（即最高次諧波分量的頻率）。ADC把采樣信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要一定的時間，所以在每次采樣結(jié) 束后都需要將這個斷續(xù)的脈沖信號保持一定時間以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（二）量化和編碼輸入的模擬信號經(jīng)采樣和保持電路后，得到的是階梯形模擬信號，它 們是連續(xù)模擬信號在給定時刻上的瞬時值，但仍然不是數(shù)字信號。必須進(jìn) 一步將階梯形模擬信號的幅度等分成

12、n級，并給每級規(guī)定一個基準(zhǔn)電平值, 然后將階梯電平分別歸并到最鄰近的基準(zhǔn)電平上。這個過程稱為量化。量 化中采用的基準(zhǔn)電平稱為量化電平，采樣保持后未量化的電平島值與量化 電平化值之差稱為量化誤差各，即各二匕-久。量化的方法一般有兩種：只 舍不入法和有舍有入法（或稱四舍五入法）。我們將用二進(jìn)制數(shù)碼來表示 各個量化電平的過程稱為編碼。此時把每個采樣值脈沖都轉(zhuǎn)換成與它的幅 度成正比的數(shù)字量，才算全部完成了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。只舍不入的方法是：取最小量化單位A =UJ2其中U.為模擬電壓最 大值，n為數(shù)字代碼位數(shù)，將0之間的模擬電壓歸并到0A,把A 2A之間的模擬電壓歸并到1,依此類推。這種方法產(chǎn)生的

13、最大量化誤 差為A。比如，將01卩的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼。有入 二1W8,那么018之間的模擬電壓歸并到0,用000表示，1W8 2 8之間的模擬電壓歸并到1A ,用001表示，依此類推直到將7 8 1卩之間的模擬電壓歸并到7，用111表示，此時最大量化誤差為1 8。 該方法一一簡單易行，但量化誤差比較大，為了減小量化誤差，通常采用 另一種量化編碼方法，即有舍有入法。有舍有入的方法是：取最小量化單位二21V （21）,其中4仍為 模擬電壓最大值，n為數(shù)字代碼位數(shù)，將0A/2之間的模擬電壓歸并到 0,把A/23A/2之間的模擬電壓歸并到1,，依此類推。這 種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為A

14、/2。用此法重做上例，將017的模擬電 壓信號轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼。有厶二2 15,那么將01 15之間的模 擬電壓歸并到0A,用000表示，把1015315以內(nèi)的模擬電壓歸并 到1，用001表示，直到將13P7151 /之間的模擬電壓歸并到7 , 用111表示，很明顯此時最大量化誤差為1 15。比上述只舍不入方法的最大量化誤差1 V/S明顯減小了（減小了近一半）o因而實際中廣泛采用有 舍有入的方法。當(dāng)然，無論采用何種劃分量化電平的方法都不可避免地存 在量化誤差，量化級分的越多（即ADC的位數(shù)越多），量化誤差就越小， 但同時輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)就越多，要實現(xiàn)這種量化的電路將更加復(fù)雜。因而在實際工

15、作中，并不是量化級分的越多越好，而是根據(jù)實際要求，合 理地選擇A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。圖5表示了兩種不同的量化編碼方法。U】（二 代表U】（二 代表（b）有舍有入法（a）只舍不入法圖4兩種量化編碼方法的比較D/A轉(zhuǎn)換過程設(shè)需要轉(zhuǎn)換的n位的二進(jìn)制數(shù)字量是,血血，其大小可表示為：D 二 d+ di?2】+ d2?22+ +dn_,?2nlDAC按照上式將二進(jìn)制數(shù)的每一位轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的模擬量， 然后相加起來，就得到與該數(shù)字量大小成正比的模擬量。通常一個D/A變 換器的組成，主要由電子開番，電阻網(wǎng)絡(luò)和運放組成.如下圖所示：電陰該電阻網(wǎng)絡(luò)加有基準(zhǔn)電源US,與權(quán)電阻配合產(chǎn)生各種規(guī)格的電壓。U0 是這一

16、系列二進(jìn)制電壓的迭加值，電壓正是US量化的結(jié)果，U0的表達(dá)式為：UO =(dl+ d 2?21 + d 3 ? 22+ + d n ? 2n-l) ? US從上式可看出，輸出的模擬電壓UO的大小與數(shù)字量d成正比，從而 實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的變化。硬件電路原理圖U1E1ZSEVEN. MPXaCt.QLlJE1t5ZFCUfi/JM WEPSAML/ * -:2電路圖QCTAMX OV.M 2T.WDXXJ3.05 3tf.KSI7W?rrjkw rzx?lieIKou1OUT?111otrrzOUTAPI 3OUKcOUT?AIK0U15vre(Mvrtooe11tuD,46ts ClS 5

17、7 MMl510電路仿真電路仿真圖1Channel CLog4)OFFn-zenmVfhannd RChanil DX.TCO-15；WIHDigi-a OscillosccpeSource8 CIllU1LLUPostionJ冃D*Pofihicn30Position he rrai鴿 Fi gOFFChannel A仿真圖2PCB版圖PCB版圖1PCB版圖2A/DS/A轉(zhuǎn)換4、課程設(shè)計總結(jié)這是自己第一次做的課程設(shè)計，從查資料到完成設(shè)計整整花了兩個星 期。在設(shè)計電路中遇到了很多自己不懂的知識，必須自己去查閱，去學(xué)習(xí)。 待別是單片機(jī)，以前沒學(xué)過在這花費的時間比較多，單片機(jī)的軟件語言還 沒學(xué)會，還需要自己以后多加的學(xué)習(xí)。一開始本想用protel99 se軟件去 做，但是后來發(fā)現(xiàn)有很多器件在protel99 se軟件中都沒找到，給自己設(shè) 計電路帶來了很多的不便，只能改在proteus軟件上去做。PCB版圖的制 作要細(xì)心，耐心的去布線。從這次的課程設(shè)計中，加強(qiáng)了自己獨立思考和 解決問題的能力，使我深刻的意識到，在以后