計數(shù)式8位AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與制作

1、班級：測控1112班 姓名：陳林 學(xué)號：33 課題：計數(shù)式8位AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與制作電子技術(shù)課程設(shè)計報告課題：計數(shù)式8位AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與制作班級 測控1112班 學(xué)號 1111203233 學(xué)生姓名 陳 林 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 系別 電子信息工程系 指導(dǎo)教師 電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)小組 (王士湖) 淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院2013年6月1、 設(shè)計目的：a） 培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的正確設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運用已經(jīng)學(xué)過的理論和生產(chǎn)實際知識去分析和解決工程實際問題的能力。b） 學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法，提高基于模擬、數(shù)字電路等知識解決電子信息方面常見實際問題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計、自行制作

2、和自行調(diào)試。c） 進行基本技能訓(xùn)練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識別、測量、熟練運用的能力，掌握設(shè)計資料、手冊、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及使用仿真軟件、實驗設(shè)備進行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等。d） 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。2、 設(shè)計要求： 2.1 電源外接±5V； 2.2 輸出數(shù)字量8位； 2.3 誤差1LSB； 2.4 定時開始轉(zhuǎn)換或手動控制開始； 2.5 有轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志； 2.5 輸入電壓直流電壓0-2.5V； 2.6 主要單元電路和元器件參數(shù)計算、選擇； 2.7 畫出總體電路圖； 2.8 安裝自己設(shè)計的電路，按照自己設(shè)計的電路，在通用板上焊接。焊接完畢后，應(yīng)對照電路圖仔細(xì)檢查，看是否有錯接、漏接、

3、虛焊的現(xiàn)象； 2.9 調(diào)試電路； 2.10 電路性能指標(biāo)測試； 2.11 提交格式上符合要求，內(nèi)容完整的設(shè)計報告；3 總體設(shè)計 3.1總體設(shè)計框圖輸入直流電壓比較器D/A轉(zhuǎn)換計數(shù)脈沖產(chǎn)生電路控制電路二進制計數(shù)器十進制計數(shù)器譯碼顯示電路 圖1 計數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器總體設(shè)計框圖 該8位AD轉(zhuǎn)換器由以下幾部分組成： （1）模擬電壓產(chǎn)生電路  （2）電壓比較電路 （3） DA轉(zhuǎn)換電路 （4）脈沖產(chǎn)生電路 （5）控制電路 （6）計數(shù)電路 （7）清零電路 （8）譯碼顯示電路3.2 電路組成圖及工作原理 圖2電路組成圖及工作原理 計數(shù)式8位A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計的思路是：先由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩

4、器產(chǎn)生方波信號，輸入由控制芯片74LS00構(gòu)成的與非門，再把74LS00的輸出信號輸入到由兩片74LS161構(gòu)成的計數(shù)器,74LS161的輸出信號經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器后,輸出的信號經(jīng)LM393構(gòu)成的比較器與待轉(zhuǎn)換電壓進行比較,最后結(jié)果由三位一體共陰數(shù)碼管輸出。3.3 各框圖的功能和可選電路及特點1）模擬電壓產(chǎn)生電路：在電位器上產(chǎn)生02.5V的待轉(zhuǎn)換電壓。2）電壓比較電路：比較兩個電壓值進行判斷并輸出高電平或低電平，待轉(zhuǎn) 換電壓Vx進入比較器正端，而經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出的模擬電壓量Vy則進入比較器負(fù)端與Vx比較。若Vx > Vy，則比較器輸出為高電平，反之為低電平。3）DA轉(zhuǎn)換電路：將

5、數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，可以選用DAC0832，輸出為電流量，需轉(zhuǎn)化成模擬電壓量才可以與待轉(zhuǎn)換電壓Vx比較。4）脈沖產(chǎn)生電路：產(chǎn)生一個頻率較高的方波信號CP，可選用555構(gòu)成的多諧振蕩器。5）控制電路：可選電路為74LS00，控制計數(shù)電路的計數(shù)功能，由比較器的輸出結(jié)果和脈沖信號CP共同決定, 555構(gòu)成的多諧振蕩器輸出上升沿時,加計數(shù)器開始計數(shù)。6）計數(shù)電路：進行加記數(shù)，輸出的數(shù)字量進入DA轉(zhuǎn)換電路變?yōu)槟M電流量,為了完成八位計數(shù),可使用兩個74LS161。7）輸出電路：由三位一體共陰數(shù)碼管輸出.3.4 元器件列表元件名稱元件號元件數(shù)量1K電阻R511K電阻R811K電阻R111100電阻R121

6、2K電阻R112K電阻R314.7K電阻R13110K電阻R9110K電阻R6133K電阻R715K電位器RW215K電位器RW11330電阻R10122UFC411nFC11104C91104C61104C101104C71104C31104C51473C21104C8174LS00U6174LS161 LSBU1174LS161 MSBU41DAC0832U21LF324U31LM193U71NE555U101NE555U91PNPQ31PNPQ21PNPQ11SM420363SMG11導(dǎo)線、焊絲若干4 單元電路設(shè)計 4.1 模擬電壓產(chǎn)生電路圖3 模擬電壓產(chǎn)生電路將2K電阻與5K電位器相連

7、，電阻一段接+5V電壓，電位器一端接地，電位器中間接輸出，則可以得到輸出電壓在02.5V。 4.2 電壓比較電路圖4 電壓比較電路圖表一 LM393引腳功能排列表輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，不受 Vcc端電壓值的限制.此輸出能作為一個簡單的對地SPS開路(當(dāng)不用負(fù)載電阻沒被運用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動和器件的值所限制.當(dāng)達到極限電流(16mA)時，輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升。輸出飽和電壓被輸出晶體管大約60ohm 的SAT限制。當(dāng)負(fù)載電流很小時,輸出晶體管的低失調(diào)電壓(約1.0mV)允許 輸出箝位在零電平。4.3 DA轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換器的

8、結(jié)構(gòu)有很多種，分為電壓定標(biāo)、電荷定標(biāo)、電流定標(biāo)等。不同結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器在性能上是有差異的。我們采用集成塊DAC0832。DAC0832是一個8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5V+15V均可正常工作，基準(zhǔn)電壓范圍為10V，電流建立時間為1s，CMOS工藝，低功耗20mW。DAC0832轉(zhuǎn)換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，能完成數(shù)字量輸入到模擬量(電流)輸出的轉(zhuǎn)換。在DAC0832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存信號為ILE，第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號也稱為通道控制信號（XFER），當(dāng)ILE為高電平，片選信號（CS）和寫信號（WR1）為低電平時，輸入寄

9、存器控制信號為1時，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。此后，當(dāng)（WR1）由低電平變高時，控制信號成為低電平，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，此時輸入寄存器的輸出端不再隨外部數(shù)據(jù)的變化而變化。使用時，數(shù)據(jù)輸入可以采用兩級鎖存(雙鎖存)形式，或單級鎖存(一級鎖存，一級直通)形式，或直接輸入(兩級直通)形式。3個門電路組成寄存器輸出控制邏輯電路，該邏輯電路的功能是進行數(shù)據(jù)鎖存控制。圖5 DAC0832單片D/A轉(zhuǎn)換器邏輯框圖和引腳排列DAC0832的引腳功能說明如下：ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。D0D7：數(shù)字信號輸入端。CS：片選信號，低電平有效。WR1：寫信號1，低電平有效。XFER：傳送控制信號，

10、低電平有效。WR2：寫信號2，低電平有效。Iout1,Iout2：DAC電流輸出端。Rfb:反饋電阻，是集成在片內(nèi)的外接運放的反饋電阻。Vref:基準(zhǔn)電壓（-10+10）V。Vcc:電源電壓(+5+15)V。AGND:模擬地。NGND:數(shù)字地。4.4 555信號發(fā)生器 555定時器它是一種時基電路，它是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。由于555內(nèi)部的比較器靈敏度較高,而且采用差分電路方式,他的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。 圖6 555定時器管腳圖 圖

11、7 555信號發(fā)生器由555定時器和外接元件RA，RB，C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1，R2向電容C充電，充電到兩端電壓為2/3的Vcc時，觸發(fā)器復(fù)位，Vo為低電平，電容C473通過RB向放電端7端放電，當(dāng)兩端電壓下降到1/3的Vcc時，觸發(fā)器又被復(fù)位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容C在（1/3）Vcc和（2/3）Vcc之間充電和放電，從而使信號發(fā)生器產(chǎn)生方波信號。 充電時間為0.7×（R1+R2）C=0.7×（10×103+10×103）×47000×

12、;10-12=6.58×10-4s，放電時間為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=9.87×10-4s4.5 555信號清零 圖8 555信號清零數(shù)據(jù)顯示時間為0.7×（R1+R2）C=0.7×（33×103+330）×47×10-6=1.097s，放電時間為0.7×R2×C=0.7×330×47&

13、#215;10-6=10.86ms，周期T=1.1s。4.6 控制電路 圖9 74LS00引腳接線圖輸入方波信號，1端接比較器輸出的電壓，2端接555的輸出端產(chǎn)生的方波，3端為輸出的信號接入計數(shù)電路。4、5端接清零555的輸出，6接4553的清零端。4.7 計數(shù)電路圖10 計數(shù)器電路控制電路是由兩個74LS161計數(shù)器構(gòu)成的,74LS161正常工作時由0000開始計數(shù)，現(xiàn)在外接了與非門，同步預(yù)置數(shù)計數(shù)過程從0001開始。圖11 74LS161引腳圖74LS161由四個 JK 觸發(fā)器和一些控制門組成，其中 CP 是計數(shù)輸入脈沖，上升沿有效；Q0Q3 是計數(shù)輸出端，AD是輸入端。最高位是Q3；CO

14、是進位信號輸出端；D0D3 為預(yù)置數(shù)并行輸入端；CTT和CTP是工作狀態(tài)控制端。74LS161具有計數(shù)、預(yù)置、保持、清零等功能。4.8 清零電路 圖12 555信號清零數(shù)據(jù)顯示時間為0.7×（R1+R2）C=0.7×（33×103+330）×47×10-6=1.097s，放電時間為0.7×R2×C=0.7×330×47×10-6=10.86ms，周期T=1.1s。4.9 譯碼顯示電路 圖13譯碼顯示電路將多只LED的陰極連在一起即為共陰式，把陰極接地，在相應(yīng)段的陽極接上正電源，該段即會

15、發(fā)光。LED的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻。假如我們將"b"和"c"段接上正電源，其它端接地或懸空，那么"b"和"c"段發(fā)光，此時，數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“1”。而將"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正電源，其它引腳懸空，此時數(shù)碼管將顯示“2”。其它字符的顯示原理類同，4553集成塊CD4553有兩個特點： （1）有多種功能：鎖存控制、計數(shù)允許、計滿溢出和清零等。 （2）是三位10進制計數(shù)器，

16、但只有一位輸出端（輸出BCD碼），要完成三位輸出，采用掃描方式，通過它的選通脈沖信號，依次控制三位十進制的輸出，從而實現(xiàn)掃描顯示方式。 圖14 CD4553組成方框圖 圖15 CD4533管腳 CD4553的組成方框圖及管腳排列如圖14、圖15所示，功能表見表一。現(xiàn)在簡要說明這寫管腳的功能。 （1）CL（引腳12）為計數(shù)器的脈沖輸入端。 （2）INH（引腳11）為計數(shù)允許控制端，當(dāng)INH為“0”時，計數(shù)脈沖由CL端進入計數(shù)器，而當(dāng)INT為“1”時，禁止計數(shù)脈沖輸入計數(shù)器，計數(shù)器保持禁止前的最后計數(shù)狀態(tài)。 （3）LE（引腳10）為鎖存允許端，當(dāng)LE為“1”時，鎖存器呈鎖存狀態(tài)而保持原有鎖存器內(nèi)信

17、息。 （4）R（引腳13）為復(fù)零端，當(dāng)R=1時，計數(shù)器輸出Q0Q3皆為0。 （5）輸出哪一位的計數(shù)值由選脈沖DS1DS3控制（低電平有效）。 （6）溢出OF（引腳14），當(dāng)CD4553每計滿1000個脈沖時，溢出端輸出一個脈沖，而后又重新開始計數(shù)。表二 4553功能表輸入輸出RCLINHLE0 00不變000計數(shù)0×1×不變010計數(shù)010不變00××不變0××鎖存0××1鎖存1××0Q1=Q2=Q3=Q4=05 調(diào)試 5.1 模擬電壓產(chǎn)生電路的調(diào)試 連接好電路，用數(shù)字電壓表測量電位器中間輸出電

18、壓是否在02.5V內(nèi)在 02.5V內(nèi)，則模擬電壓產(chǎn)生電路正常。 5.2 信號發(fā)生電路的調(diào)試先卸下除555芯片的其他芯片,在8端口接+5V電壓,1端口接地,3端口接上示波器,調(diào)節(jié)示波器,觀察波形,是否為方波, 其頻率是f=1/(Tph+Tpl)。如果不是,檢查電阻,電容,線路,以及555元件。如果失真，檢查接觸是否良好,是否有虛焊等。在測試中發(fā)現(xiàn)輸出的波形不為方波，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有一根導(dǎo)線不導(dǎo)電，導(dǎo)線的內(nèi)部中間端了，更換導(dǎo)線后，測得輸出波形為方波，頻率f=1.471KHZ。 5.3 清零電路的調(diào)試先卸下除555芯片的其他芯片,在8端口接+5V電壓,1端口接地,3端口接上示波器,調(diào)節(jié)示波器,觀察波形,

19、是否為矩形波。 如果不是,檢查電阻,電容,線路,以及555元件。如果失真，檢查接觸是否良好,是否有虛焊等。 5.4 控制的調(diào)試 將9、10兩端分別接電平輸入，將8端接電平顯示。測試是否符合當(dāng)9端為低電平，10 端為低電平時，輸出為高電平；9端為低電平，10端為高電平時，輸出為低電平；9端為高電平，10端為低電平時，輸出為低電平；當(dāng)9、10兩端均為高電平時，輸出為低電平。 5.5 計數(shù)的調(diào)試先卸下除74LS161芯片的其他芯片, 芯片Vcc接+5V電壓，GND端接地，兩個計數(shù)器的ET,RD,LD,EP端接高電平, CP端接上單次脈沖,八個輸出端分別按順序接在八個電平顯示上,按單次脈沖按鈕,觀察8

20、位電平顯示的輸出是否為逐個增大的二進制數(shù),達到同步加計數(shù)器的功能。 5.6 DA轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試 先卸下除DAC0832芯片的其他芯片，芯片Vcc接+5V電壓，VREF接-5V電壓，WR1、WR2、XFER、CS、Iout2、AGND、GND端接地，八個輸入端接電平輸入，用萬用表測量觀察輸出端的電壓變化情況，黑表筆接地，紅表筆接Rfb,依次打開邏輯開關(guān)，看萬用表示數(shù)是不是逐漸增大，如電壓隨輸入電平二進制數(shù)的增大而增大，則DAC0832芯片調(diào)試成功。 5.7 電壓比較電路的調(diào)試 將LM393與已調(diào)好的DAC0832相連，DAC0832的Vcc接+5V電壓，WR1、AGND、GND端接地，八個輸入端

21、接電平輸入，用萬用表測LM393輸出端2端的電壓，如隨電平二進制數(shù)增大而增大，則LM393調(diào)試成功。 5.8 譯碼顯示電路的調(diào)試給一個脈沖電壓，按照功能表進行調(diào)試。將CD4553的16腳VDD接+5V電源，將8腳VSS接地。然后，在12腳CL端接試驗箱上的一個脈沖信號源，然后用萬用表看輸出端的9、7、6、5端，即Q0、Q1、Q2、Q3，是否輸出高低電壓。當(dāng)我把萬用表接上后，發(fā)現(xiàn)萬用表能夠顯示脈沖源連接后的高低壓?？刂齐娐凡糠终{(diào)試成功。6 電路測試及測試結(jié)果先檢查線路是否短路，斷路，是否有虛焊。按原理圖，接上所有元器件，接通電源。勻速調(diào)節(jié)電位器，從而改變輸出電壓。記錄顯示數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)。輸出電壓的值隨輸入電壓值的增大而增大，輸入電壓的值與輸出電壓的值幾乎相等，誤差小于1LSB。7.設(shè)計總結(jié)經(jīng)過本次的課程設(shè)計：計數(shù)式8位AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計與制作，在短暫的課程設(shè)計過程中，我深